Наиболее полно исследованы Попигайский кратер, расположенный на севере Восточной Сибири, Аризонский кратер в Северной Америке и Рисский кратер на юге Западной Германии.

Астроблемы и импактиты

(курсовая работа)

 

Выполнил: студент

1 курса, геол. фак-та,

гр. № 131, днев. отд.

Вологин А.В.

____________________

подпись

 

 

Научный руководитель:

Профессор, Гужиков А.Ю.

_________________________

 

оценка

 

_________________________

подпись преподавателя

 

 

Саратов

2011г.

Аннотация.

Работа посвящена вопросам, связанными с астроблемами и импактитами. Изложены общие сведенья об астроблемах: их классификация, происхождение, особенности. Изложены крупнейшие астроблемы на Земле. Также изложены общие сведенья об импактитах: их классификация. Изложено самое интересное импактное событие в истории Земли.

 

 

Оглавление.

Введение____________________________________________________4

Глава 1.Астроблемы

 

Введение

В настоящее время в Солнечной системе насчитывается до 300 тысяч обнаруженных и зарегистрированных астероидов и комет диаметрами более 100м (до 1000км), сближающихся с Землей и имеющих вероятность столкновения в будущем. Доказаны более 150 случаев падений на нашу планету космических тел с образованием астроблем диаметрами от 25 до 100км и более, наблюдались падения крупных астероидов на сверхвысоких скоростях на Землю и другие планеты Солнечной Системы. Астероиды (а также возможно планеты и их спутники) падали на планеты Солнечной системы и Солнце миллиарды лет с момента образования системы и продолжают падать. В этом плане Земля не отличается от Луны, Марса и других планет, практически изрытых астроблемами – следами упавших метеоритов и астероидов. Но в связи с активностью природных процессов астроблемы на земной поверхности маскируются, либо полностью перекрываются осадочными породами. На аэро - космо-фотоснимках, в рельефе местности и картах геофизических полей очертания большинства таких округлых в плане кольцевых структур проявляются и дешифруются. Поэтому мне стала интересна эта тема и я решил написать на эту тему курсовую. При выполнении данной работы мной был поставлен ряд определенных задач:

 

· Дать полную классификацию астроблем и импактитов;

· Изучить их роль в истории Земли;

· Изучить их значение для современной науки

Данная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

 

Глава 1. Астроблемы

Основные понятия об астроблемах

Астроблема - (от др.-греч. — «звезда» и греч. — «рана», то есть «звёздная рана») углубление, появившееся на поверхности Земли в результате падения метеорита (метеора), меньшего размера.. Термин «астроблема» введён в 1960 году Дицем. Астроблемы известны на всех континентах. Всего их насчитывается более 150, из них 40 - на территории Канады и 25 - на территории, входившей в СССР, но природа ряда из них спорна. Размеры метеоритных кратеров различны: от 25 м до 100 км и более. К настоящему времени установлено около 20 крупных структур этого рода с диаметром более 20 км. Из них семь находятся на территории бывшего СССР, в том числе и самая большая из известных - Попигайская астроблема.

Средняя скорость, с которой метеориты врезаются в поверхность Земли составляет около 20 км/с, а максимальная — около 70 км/с. Их кинетическая энергия превышает энергию, выделяющуюся при детонации обычной взрывчатки той же массы. Энергия, выделяющаяся при падении метеорита массой свыше 1 тыс. тонн, сравнима с энергией ядерного взрыва. Метеориты такой массы падают на Землю довольно редко. При встрече метеорита с твердой поверхностью его движение резко замедляется, а вот породы мишени (места, куда он упал), наоборот, начинают ускоренное движение под воздействием ударной волны. Она расходится во все стороны от точки соприкосновения: охватывает полусферическую область под поверхностью планеты, а также движется в обратную сторону по самому метеориту (ударнику). Достигнув его тыльной поверхности, волна отражается и бежит обратно. Растяжения и сжатия при таком двойном пробеге обычно полностью разрушают метеорит. Ударная волна создает колоссальнейшее давление — свыше 5 миллионов атмосфер. Под её воздействием горные породы мишени и ударника сильно сжимаются, что приводит к взрывному росту температуры и давления, в результате чего в окрестностях соударения горные породы нагреваются и частично плавятся, а в самом центре, где температура достигает 15 000 °C, — даже испаряются.При мгновенном испарении части вещества происходит образование плазмы, что приводит к взрыву, при котором породы мишени разлетаются во все стороны, а дно вдавливается. На дне кратера возникает круглая впадина с довольно крутыми бортами, но существует она какие-то доли секунды — затем борта немедленно начинают обрушиваться и оползать. Сверху на эту массу грунта выпадает и каменный град из вещества, выброшенного вертикально вверх и теперь возвращающегося на место, но уже в раздробленном виде. Так на дне кратера образуется брекчия — слой обломков горных пород, сцементированных тем же материалом, но измельчённым до песчинок и пылинок. Столкновение, сжатие пород и проход взрывной волны длятся десятые доли секунды. Формирование выемки кратера занимает на порядок больше времени. А ещё через несколько минут ударный расплав, скрытый под слоем брекчии, остывает и начинает быстро затвердевать. На этом формирование кратера заканчивается.

 

Обычно метеоритный кратер представляет собой округлую структуру, окруженную приподнятым валом, а иногда и внешней, опрокинутой от центра синклиналью. Кратеры заполнены ударной брекчией, лежащей на расколотых и трещиноватых породах. В середине кратеров часто присутствует центральное поднятие, сложенное хаотической брекчией, состоящей из вынесенных наверх пород дна кратера. В астроблемах из-за позднейших разрушений, оползней, оплывин и эрозии некоторые из элементов строения кратеров могут быть выражены очень слабо или совсем отсутствовать. В связи с возникающими при ударе огромными давлением (до 100 ГПа) и температурой (до 2000 °С) в метеоритных кратерах обнаружены минералы высокобарических фаз кремнезема (коэсит, стиповерит) и высокобарические фазы других соединении (рингвудит и жадеит), а также горные породы особого сложения и структуры

Строение астроблемы Мьолнир (Норвегия,диаметр 40 км.)

 

 

Первые фотоснимки земной поверхности были сделаны космонавтом-2 Г.С.Титовым во время полёта на космическом корабле «Восток-2» в августе 1961 г. Фотографии были изучены специалистами. Оказалось, что на них лучше, чем на аэрофотоснимках, видны крупные структуры земной коры. Естественно, что в первую очередь в кадры попали такие природные феномены, которые отличались необычной конфигурацией, и среди них – кольцевые структуры (рис. 2, 3). С внедрением космических снимков в практику исследований, когда со спутников-автоматов и пилотируемых кораблей стали поступать многие тысячи космических изображений земной поверхности, интерес к кольцевым структурам возрос многократно. «Космический бум» вызвал лавину исследований кольцевых структур земной коры: на смену многим загадкам пришли твёрдо установленные факты, которые, во-первых, доказали реальность существования таких структур, а во-вторых, показали их разнообразное происхождение. В 1998 г. число достоверно установленных астроблем превысило 200 (в том числе 20 в России), и ежегодно выявляется 2–5 новых. Размеры метеоритных кратеров различны – от 10–30 м до 340 км. Сильно колеблется и время их образования – от 2,5 млрд лет тому назад до наших дней. Небольшие (десятки и сотни метров) кратеры (их около 15%) относят к молодым образованиям – возрастом не более 1 млн лет. Причина – быстрая эрозия поверхности планеты, приводящая к уничтожению мелких структур. Наоборот, крупные астроблемы диаметром десятки и сотни километров имеют возраст десятки и сотни млн лет. Распределение астроблем по поверхности Земли носит случайный характер. Больше всего их в восточной части Северной Америки и в Европе,т.е. в геологически наиболее изученных районах земного шара. С повышением интенсивности геологических работ количество достоверно установленных астроблем быстро увеличивается.

 

Путём сравнительного планетологического анализа можно приближённо восстановить догеологический этап развития. Предполагают, что ранняя Земля должна была подвергаться метеоритной бомбардировке, особенно интенсивной до рубежа 3,9 млрд лет назад. Если исходить из плотности метеоритного потока, единого для системы Земля–Луна, то в первые 600 млн лет существования нашей планеты на её поверхности должно было образоваться примерно 25 ударных бассейнов диаметром около 1000 км и 2500—3000 – диаметром 100 км.

В бассейнах диаметром более 500 км происходил интенсивный выброс больших масс горных пород. В результате резко утончалась земная кора, а там, где её толщина не превышала 15–20 км, кора могла быть полностью уничтожена, ибо глубина крупных кратеров в момент их образования достигает 25–20% их диаметра. Исследования М.С.Маркова и В.С.Федоровского показали, что метеоритная бомбардировка внесла существенный вклад в энергетику ранней Земли: образование кратера Маникуаган (Канада) диаметром 100 км сопровождалось мгновенным высвобождением энергии около 10²³ Дж, что в 100–1000 раз превышает энергию всех землетрясений на Земле. При этом расплавилось 10³ км³ пород.

Метеоритная бомбардировка должна была сопровождаться и массовым магматизмом. С одной стороны, это были продукты плавления, возникавшие в результате падения метеоритов, т.к. около трети энергии удара уходит на плавление вещества коры и мантии. С другой – из-за повышенной трещиноватости коры и происходило заполнение впадин продуктами так называемого инициированного вулканизма. Кроме того, происходило перераспределение, перемешивание вещества коры и мантии и появление своеобразных смешанных пород типа лунного реголита.

Существенное влияние могли оказать метеоритные бомбардировки и на развитие жизни на Земле. Учёные считают, что первая экологическая катастрофа произошла на заре зарождения прокариотной биосферы, когда в результате интенсивной метеоритной бомбардировки исчезла первичная водородная атмосфера Земли. Прокариоты (организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром, например, синезелёные водоросли), выжившие после этого события, вынуждены были в течение 1,5 млрд лет адаптироваться к новой среде обитания, пока не научились осваивать энергию Солнца через процессы фотосинтеза.

 

Форма и размеры астроблем, характер преобразования в них пород земной коры являются результатом ударного метаморфизма – процесса своеобразного, совершенно не похожего на другие геологические процессы, происходящие как на Земле, так и на других планетах Солнечной системы. Метаморфизм развивается при соударениях космических тел друг с другом: вследствие высвобождения очень большой энергии за крайне малое время в момент удара давление достигает нескольких гигапаскалей, а температура – десятков тысяч градусов.

Энергия соударения космического тела с поверхностью планеты зависит от его массы, скорости и угла сближения. Скорость сближения Земли и астероида лежит в пределах 11,2–72,8 км/с. Минимальная величина определяется второй космической скоростью, а максимальная – векторной суммой второй космической скорости, скорости вращения Земли вокруг Солнца и скорости метеорного тела вдали от Земли. В Намибии (Южная Африка) в 1920 г. была обнаружена покрытая ржавчиной глыба высотой около 1 м. Этот железный метеорит Хоба (масса около 60 т, длина 27 м) просто лежит на поверхности. Ни кратера, ни даже лунки при его падении не образовалось, видимо, угол сближения был очень острым. Каменная глыба такого же размера несомненно взорвалась бы, образовав астроблему.

При скоростях соударения до 3–5 км/с образуются ударные кратеры – лунки и воронки, – по размеру соответствующие метеориту-ударнику. Породы мишени дробятся и выбрасываются равномерно вокруг воронки при вертикальном падении или вперёд по направлению падения при ударе под углом.

При больших скоростях происходит взрыв вследствие резкого торможения космического тела и перехода его кинетической энергии частично в механическую, частично в тепловую. Суммарная энергия, высвобождаемая в процессе соударения (10¹⁹–10²³ Дж), примерно того же порядка, что и энергия катастрофических вулканических извержений (1,44 • 10²⁰ Дж – вулкан Тамбора в 1815 г.; 1,81 • 10¹⁹ Дж – вулкан Кракатау в 1883 г.). Однако результаты вулканического взрыва и импактного события совершенно несопоставимы – в вулканическом процессе энергия расходуется не одномоментно, а в серии следующих друг за другом пароксизмов (от греч. – раздражение, возбуждение) на протяжении 10³–10⁵ с, в импактном же процессе – за время от нескольких миллиардных долей секунды до нескольких секунд (тем дольше, чем больше суммарная энергия). Это определяет колоссальные градиенты давления и температуры и – как следствие – очень большие скорости протекания механических и тепловых процессов. Например, скорость механического деформирования пород в эндогенных геологических процессах составляет 10^–13–10^–16 м/с, а при импактных соударениях 10³–10⁴ м/с, т.е. на 16–20 порядков больше.

Резкое торможение космического тела при столкновении с поверхностью планеты приводит к возникновению ударной волны сжатия, которая движется от точки столкновения в породах мишени (земной коры) и в веществе ударника (космического тела). Давление может составлять 100–300 ГПа, а время достижения максимальной величины сжатия измеряется наносекундами. Сжатие, естественно, вызывает нагрев вещества до нескольких десятков тысяч градусов за столь же краткие промежутки времени. Чем больше общая энергия соударения, тем дольше вещество остаётся в сжатом состоянии (от нескольких наносекунд до нескольких секунд).

Ударное сжатие сменяется разрежением (разгрузкой), которое сопровождается механическим преобразованием породы, её дроблением и адиабатическим охлаждением вещества. Эти процессы, как видно из рис. 6, происходят медленнее, чем возрастание при сжатии давления и температуры. И самое главное, если давление в горных породах при разгрузке почти сразу возвращается к исходному, то температура – нет. Это связано с тем, что на нагрев вещества при сжатии расходуется намного больше энергии, чем на само сжатие (до 70% и более), а температура спадает медленнее, чем давление. Поэтому послеударная температура вещества в точке удара оказывается очень высокой, достигая 10 000–15 000 °С.

Изменение ударного давления 1 и температуры 2 во время импактного события

Ударная волна от точки соударения движется во все стороны, и в начальный момент её фронт имеет сферическую форму. Однако очень быстро она искажается из-за неоднородности свойств пород мишени, а её амплитуда падает (на краю кратера – 0,001 ГПа и менее). Механическое и тепловое воздействия на породы мишени также быстро уменьшаются. Поэтому в образующемся метеоритном кратере в центре (у точки удара) возникает зона испарения вещества, где породы нагреваются до многих тысяч градусов, затем следует зона плавления вещества (при нагреве до 1500 °С и выше) и, наконец, зона дробления пород (нагрев не превышает нескольких сотен градусов). Продукты испарения, плавления и дробления горных пород мишени (и, конечно, ударника) вовлекаются ударной волной в движение – вверх, в атмосферу планеты, и в стороны, за пределы кратера. Расширение пара опережает движение расплава и твёрдых обломков и благодаря очень высокой скорости создаёт эффект взрыва. Следовательно, импактный процесс, начинаясь, как удар, заканчивается, как взрыв.

Описанная последовательность элементарных процессов характерна для любой точки в кратере. В целом все они идут одновременно по всему кратеру – сразу, мгновенно (в человеческом масштабе времени) – благодаря очень высокой скорости движения ударной волны, измеряемой километрами в секунду. После затухания ударной волны формирование астроблемы продолжается: падают выброшенные в атмосферу обломки, оседают борта воронки, деформируется её дно, перемешиваются в движении обломки и расплав, кристаллизуется расплав, остывают породы кратера – импактиты. Это стадия переработки (модификации) метеоритного кратера. Она происходит уже намного медленнее. Если образование воронки занимает секунды (в самых крупных кратерах – десятки секунд), то стадия модификации – это уже геологический процесс (по скорости протекания), он растягивается на тысячи, десятки тысяч, сотни тысяч и миллионы лет.

 

 

Крупнейшие астроблемы на планете.

Наиболее полно исследованы Попигайский кратер, расположенный на севере Восточной Сибири, Аризонский кратер в Северной Америке и Рисский кратер на юге Западной Германии.

Попигайский кратер находится на северной окраине Анабарского щита, кристаллические породы которого перекрыты чехлом протерозойских и кембрийских кварцитов, доломитов и известняков, а также пермских песчаников и алевролитов, включающих силлы долеритов.По данным В.Л. Масайтиса, кратер представляет собой округлое понижение в рельефе глубиной до 200—400 м, частью заполненное четвертичными песками и галечниками. Во внутренней воронке кратера находится кольцевое поднятие гнейсовой аутогенной брекчии диаметром 45 км, обладающее признаками ударного воздействия (конусы разрушения, стекла). Воронка заполнена зювитами, в которых заключены пластообразные и секущие тела тагамитов мощностью до нескольких десятков метров. Мощность импактитов в центральной части кратера достигает 2—2,5 км. Внешняя воронка образует кольцо 20-25 км шириной. Осадочные породы в ее бортах интенсивно деформированы, нарушены центробежными надвигами и радиальными разрывами с амплитудами смещения от метров до первых километров. Аллогенная брекчия, залегающая под импактитами, имеет мощность не менее 150 м и состоит из обломков и глыб разного размера и рыхлого коптокластического материала. Импактиты близки по химическому составу к гнейсам и состоят из стекла, обломков оплавленных гнейсов и их минералов. Из обломков такого же стекла, сцементированного тонкораздробленным стеклом с фрагментами пород и минералов, состоят зювиты и тагамиты.

В эпицентре взрыва ударное давление достигало 10ст.5 Па, а температура — до 2000°. Возникавший в таких условиях при плавлении гнейсов имлактный расплав растекался радиально с большой скоростью, образуя кольцевые гребни, а далее от центра — струи и потоки, перекрывающие большую часть днища кратера. Образование центрального поднятия началось в момент взрыва и продолжалось в результате упругой отдачи уже после заполнения кратера. Образование Попигайского кратера произошло около 30 милиионов лет назад

Меньшие по размерам кратеры расположены на Балтийском щите (Янисъярви), на Русской плите (Пучеж-Катункский, Калужский), Пай-Хое (Карская астроблема), на Украинском щите (Ильинецкий, Гусевский, Каменский) и в других районах. Самый древний из них — Янисъярвинская астроблема — имеет возраст около 700 миллионов лет.

Aризонский кратер представляет собой чашеобразную впадину глубиной 180 м, диаметром 1,2 км, окруженную валом, на 30—60 м возвышающимся над окружающей равниной. Ударная брекчия на дне кратера состоит из перемешанных угловатых обломков песчаников пермского и триасового возраста величиной от долей миллиметра до 30 м. Все эти образования несогласно перекрыты плейстоценовыми и современными аллювиальными отложениями. Наклоненные и перевернутые слои песчаников нарушены множеством небольших, почти вертикальных разрывов с шарнирными смещениями. Мощность ударных брекчий в кратере достигает 100 м, а воздействие ударной волны на породы сказывается до глубины 170 м. Возраст кратера плиоценовый.

Помимо наземных наблюдений метеоритные кратеры и астроблемы изучаются с помощью аэрофотоснимков и космических снимков. В гравитационных полях над кратерами возникают отрицательные аномалии; наблюдаются также уменьшение скоростей сейсмических волн и пониженная магнитность пород.

В настоящее время обсуждается вопрос о возможном метеоритном происхождении крупной кольцевой структуры Садбери (Канада), заключающей основные породы и медно-никелевые месторождения.

Однако не все исследователи признают ударное метеоритное происхождение многих описанных в качестве астроблем структур. В частности П. Н. Кропоткин считает, что некоторые из них имеют взрывное происхождение. Основной довод сторонников эндогенной, взрывной природы некоторых структур, описываемых другими исследователями в качестве астроблем, — их приуроченность к крупным закартированным разломам земной коры и особенно к их пересечениям, а также связь с этими разломами структур заведомо эндогенного происхождения. Наиболее яркий пример — ситуация в южной Германии, в районе Швабского Альба, где на прямолинейном разломе протяженностью около 100 км расположены, с одной стороны кратеры Рис и Штейнхейм, с другой стороны поле вулканических взрывных трубок Урах и в районе кратера гидравлического взрыва Ubehebe в Долине Смерти.

Поэтому только обнаружение реликтов метеоритного вещества может быть доказательством импактного происхождения кратера, а также обогащенность иридием, металлами платиновой группы, никелем, наличие шоковых минералов — пластинчатого кварца, коэсита, стишовита и конусов разрушения. Брекчии, трактуемые как ударные, могут иметь и взрывной генезис.

Как уже сообщалось, взрывной механизм обусловливает мгновенное и резкое изменение давления и температуры горных пород, слагающих мишень, что приводит к появлению новообразований и даже месторождений типа месторождения меди и никеля Садбери в Канаде. Этот кратер имеет диаметр 59 км. Зона ударных деформаций - 74 км. Внедрение никеленосных норитов произошло вскоре после кратерообразования, причем интрузия “использовала” поверхность дна кратера в качестве ослабленной зоны. Относительно большая роль микрогранитов в составе интрузии объясняется определенной ролью кислого импактного расплава, который смешался с поднявшейся из глубины по системе трещин основной магмой. Это явление обусловило ликвацию сульфидов. Образование никеленосной интрузии следует относить к инъекционному комплексу. Время заложения астроблемы Садбери – 1840 смллионов лет; в кайнозое она вновь стала ареной нового удара (37 м.л.). Вопросы генезиса структуры Садбери дискутируются в литературе с давних пор, однако большинство исследователей рассматривает ее все же как астроблему.