Ударный кратер — это углубление на поверхности твердого астрономического тела , образованное гиперскоростным ударом меньшего объекта. В отличие от вулканических кратеров , которые возникают в результате взрыва или внутреннего коллапса, [2] ударные кратеры обычно имеют приподнятые края и дно, которые ниже по высоте, чем окружающая местность. [3] Ударные кратеры обычно имеют круглую форму, хотя они могут иметь эллиптическую форму или даже неправильную форму из-за таких событий, как оползни. Ударные кратеры различаются по размеру от микроскопических кратеров, наблюдаемых на лунных камнях, доставленных программой «Аполлон» [4], до простых чашеобразных углублений и обширных, сложных, многокольцевых ударных бассейнов . Метеоритный кратер — хорошо известный пример небольшого ударного кратера на Земле. [5]
Ударные кратеры являются доминирующими географическими особенностями на многих твердых объектах Солнечной системы, включая Луну , Меркурий , Каллисто , Ганимед и большинство малых лун и астероидов . На других планетах и лунах, которые испытывают более активные поверхностные геологические процессы, таких как Земля , Венера , Европа , Ио , Титан и Тритон , видимые ударные кратеры встречаются реже, поскольку они подвергаются эрозии , погребению или трансформации тектоническими и вулканическими процессами с течением времени. Там, где такие процессы разрушили большую часть первоначального рельефа кратера , термины ударная структура или астроблема используются чаще. В ранней литературе, до того, как значение ударного кратерообразования было широко признано, термины криптовзрыв или криптовулканическая структура часто использовались для описания того, что теперь признано как ударные особенности на Земле. [6]
Кратерные записи очень старых поверхностей, таких как Меркурий, Луна и южные возвышенности Марса, фиксируют период интенсивной ранней бомбардировки во внутренней Солнечной системе около 3,9 миллиарда лет назад. Скорость образования кратеров на Земле с тех пор значительно снизилась, но тем не менее она заметна. Земля испытывает в среднем от одного до трех ударов, достаточно больших, чтобы образовать кратер диаметром 20 километров (12 миль), каждый миллион лет. [7] [8] Это указывает на то, что на планете должно быть гораздо больше относительно молодых кратеров, чем было обнаружено до сих пор. Скорость образования кратеров во внутренней Солнечной системе колеблется в результате столкновений в поясе астероидов , которые создают семейство фрагментов, которые часто каскадом падают во внутреннюю Солнечную систему. [9] Считается , что образовавшееся в результате столкновения 80 миллионов лет назад, семейство астероидов Баптистина вызвало большой всплеск частоты ударов. Скорость образования ударных кратеров во внешней части Солнечной системы может отличаться от таковой во внутренней части Солнечной системы. [10]
Хотя активные процессы на поверхности Земли быстро уничтожают записи ударов, было обнаружено около 190 наземных ударных кратеров. [11] Их диаметр варьируется от нескольких десятков метров до примерно 300 км (190 миль), а возраст варьируется от недавнего (например, кратеры Сихотэ-Алинь в России, чье образование было засвидетельствовано в 1947 году) до более чем двух миллиардов лет, хотя большинству из них менее 500 миллионов лет, поскольку геологические процессы имеют тенденцию стирать более старые кратеры. Они также выборочно обнаруживаются в стабильных внутренних областях континентов . [12] Было обнаружено мало подводных кратеров из-за сложности обследования морского дна, быстрой скорости изменения дна океана и субдукции дна океана в недра Земли процессами тектоники плит .
Дэниел М. Барринджер, горный инженер, был убежден еще в 1903 году, что кратер, которым он владел, Метеорный кратер , имел космическое происхождение. Большинство геологов того времени предполагали, что он образовался в результате извержения вулканического пара. [13] : 41–42
В 1920-х годах американский геолог Уолтер Х. Бухер изучил ряд мест, которые сейчас признаны ударными кратерами в Соединенных Штатах. Он пришел к выводу, что они были созданы каким-то мощным взрывным событием, но считал, что эта сила, вероятно, имела вулканическое происхождение. Однако в 1936 году геологи Джон Д. Бун и Клод К. Альбриттон-младший пересмотрели исследования Бухера и пришли к выводу, что кратеры, которые он изучал, вероятно, были образованы ударами. [14]
Гроув Карл Гилберт предположил в 1893 году, что кратеры Луны были образованы крупными ударами астероидов. Ральф Болдуин в 1949 году написал, что кратеры Луны в основном имеют ударное происхождение. Около 1960 года Джин Шумейкер возродил эту идею. По словам Дэвида Х. Леви , Шумейкер «рассматривал кратеры на Луне как логические места ударов, которые образовались не постепенно, в течение эпох , а взрывообразно, за секунды». Для получения степени доктора философии в Принстонском университете (1960) под руководством Гарри Хаммонда Гесса Шумейкер изучал динамику ударов метеоритного кратера. Шумейкер отметил, что кратер Метеор имел ту же форму и структуру, что и два кратера от взрывов, образовавшихся в результате испытаний атомных бомб на испытательном полигоне в Неваде , в частности, Джангл-Ю в 1951 году и Чайпот-Эсс в 1955 году. В 1960 году Эдвард КТ Чао и Шумейкер идентифицировали коэсит (форму диоксида кремния ) в кратере Метеор, доказав, что кратер образовался в результате удара, создавшего чрезвычайно высокие температуры и давления. Они продолжили это открытие идентификацией коэсита в сювите в Нёрдлингер-Рис , доказав его ударное происхождение. [13]
Вооружившись знаниями об ударно-метаморфических особенностях, Карлайл С. Билс и его коллеги из Астрофизической обсерватории Доминиона в Виктории, Британская Колумбия , Канада, и Вольф фон Энгельгардт из Тюбингенского университета в Германии начали методичный поиск ударных кратеров. К 1970 году они предварительно идентифицировали более 50. Хотя их работа была спорной, американские посадки на Луну «Аполлона» , которые происходили в то время, предоставили подтверждающие доказательства, признав скорость образования ударных кратеров на Луне . [15] Поскольку процессы эрозии на Луне минимальны, кратеры сохраняются. Поскольку можно было ожидать, что у Земли будет примерно такая же скорость образования кратеров, как и у Луны, стало ясно, что Земля пострадала гораздо больше от ударов, чем можно было бы увидеть, подсчитав очевидные кратеры.
Образование ударных кратеров связано с высокоскоростными столкновениями между твердыми объектами, обычно намного превышающими скорость звука в этих объектах. Такие гиперскоростные столкновения вызывают физические эффекты, такие как плавление и испарение , которые не происходят при обычных дозвуковых столкновениях. На Земле, игнорируя замедляющие эффекты перемещения через атмосферу, самая низкая скорость столкновения с объектом из космоса равна гравитационной скорости убегания около 11 км/с. Самые быстрые столкновения происходят со скоростью около 72 км/с [16] в «худшем случае» сценария, в котором объект на ретроградной почти параболической орбите сталкивается с Землей. Медианная скорость столкновения на Земле составляет около 20 км/с. [17]
Однако замедляющие эффекты путешествия через атмосферу быстро замедляют любой потенциальный ударник, особенно в нижних 12 километрах, где находится 90% атмосферной массы Земли. Метеориты весом до 7000 кг теряют всю свою космическую скорость из-за атмосферного сопротивления на определенной высоте (точка замедления) и снова начинают ускоряться из-за гравитации Земли, пока тело не достигнет своей конечной скорости от 0,09 до 0,16 км/с. [16] Чем больше метеороид (т. е. астероиды и кометы), тем больше своей начальной космической скорости он сохраняет. В то время как объект весом 9000 кг сохраняет около 6% своей первоначальной скорости, объект весом 900 000 кг уже сохраняет около 70%. Чрезвычайно большие тела (около 100 000 тонн) вообще не замедляются атмосферой и ударяются с начальной космической скоростью, если не происходит предварительного распада. [16]
Удары на таких высоких скоростях производят ударные волны в твердых материалах, и как ударник, так и материал, на который оказывается воздействие, быстро сжимаются до высокой плотности. После начального сжатия высокоплотная, пересжатая область быстро теряет давление, сильно взрываясь, чтобы запустить последовательность событий, которая создает ударный кратер. Таким образом, образование ударного кратера более похоже на образование кратера взрывчатыми веществами , чем на механическое смещение. Действительно, плотность энергии некоторых материалов, участвующих в образовании ударных кратеров, во много раз выше, чем у материалов, создаваемых взрывчатыми веществами. Поскольку кратеры возникают в результате взрывов , они почти всегда имеют круглую форму — только удары под очень малым углом вызывают образование значительно эллиптических кратеров. [18]
Это описывает удары по твердым поверхностям. Удары по пористым поверхностям, таким как у Гипериона , могут вызывать внутреннее сжатие без выброса, пробивая дыру в поверхности, не заполняя близлежащие кратеры. Это может объяснить «губчатую» внешность этой луны. [19]
Удобно разделить процесс удара концептуально на три отдельных этапа: (1) начальный контакт и сжатие, (2) выемка, (3) модификация и обрушение. На практике эти три процесса перекрываются, например, выемка кратера продолжается в некоторых регионах, в то время как модификация и обрушение уже идут в других.
При отсутствии атмосферы процесс удара начинается, когда ударник впервые касается поверхности цели. Этот контакт ускоряет цель и замедляет ударник. Поскольку ударник движется так быстро, задняя часть объекта перемещается на значительное расстояние в течение короткого, но конечного времени, необходимого для распространения замедления по ударнику. В результате ударник сжимается, его плотность увеличивается, а давление внутри него резко увеличивается. Пиковые давления при больших ударах превышают 1 Т Па и достигают значений, которые обычно встречаются глубоко в недрах планет или создаются искусственно при ядерных взрывах .
С физической точки зрения, ударная волна возникает из точки контакта. По мере того, как эта ударная волна расширяется, она замедляет и сжимает ударник, а также ускоряет и сжимает цель. Уровни напряжения внутри ударной волны намного превышают прочность твердых материалов; следовательно, как ударник, так и цель вблизи места удара необратимо повреждаются. Многие кристаллические минералы могут быть преобразованы в фазы с более высокой плотностью ударными волнами; например, обычный минеральный кварц может быть преобразован в формы с более высоким давлением коэсит и стишовит . Многие другие изменения, связанные с ударом, происходят как внутри ударника, так и цели, когда ударная волна проходит через них, и некоторые из этих изменений могут использоваться в качестве диагностических инструментов для определения того, были ли определенные геологические особенности созданы ударным кратером. [18]
По мере затухания ударной волны область удара декомпрессируется в сторону более обычных давлений и плотностей. Повреждения, вызванные ударной волной, повышают температуру материала. Во всех случаях, кроме самых малых, этого повышения температуры достаточно, чтобы расплавить ударник, а в более крупных — чтобы испарить большую его часть и расплавить большие объемы цели. Помимо нагревания, цель вблизи удара ускоряется ударной волной и продолжает удаляться от удара за затухающей ударной волной. [18]
Контакт, сжатие, декомпрессия и прохождение ударной волны происходят в течение нескольких десятых долей секунды для большого удара. Последующее выкапывание кратера происходит медленнее, и на этом этапе поток материала в основном дозвуковой. Во время выкапывания кратер растет по мере того, как ускоренный целевой материал удаляется от точки удара. Движение цели изначально направлено вниз и наружу, но затем оно становится направленным наружу и вверх. Поток изначально создает приблизительно полусферическую полость, которая продолжает расти, в конечном итоге создавая параболоидный (чашеобразный) кратер, в котором центр был продавлен вниз, значительный объем материала был выброшен, а топографически приподнятый край кратера был вытолкнут вверх. Когда эта полость достигает своего максимального размера, она называется переходной полостью. [18]
Глубина переходной полости обычно составляет от четверти до трети ее диаметра. Выброшенные из кратера материалы не включают материал, извлеченный из полной глубины переходной полости; обычно глубина максимальной выемки составляет всего около трети от общей глубины. В результате около трети объема переходного кратера образовано выбросом материала, а оставшиеся две трети образованы смещением материала вниз, наружу и вверх, образуя приподнятый край. При ударах в высокопористые материалы значительный объем кратера может также быть образован постоянным уплотнением порового пространства . Такие кратеры уплотнения могут быть важны для многих астероидов, комет и небольших лун.
При больших ударах, а также при смещении и выбросе материала для образования кратера, значительные объемы целевого материала могут расплавляться и испаряться вместе с исходным ударником. Часть этой ударной расплавленной породы может быть выброшена, но большая ее часть остается внутри переходного кратера, изначально образуя слой ударного расплава, покрывающий внутреннюю часть переходной полости. Напротив, горячий плотный испаренный материал быстро расширяется из растущей полости, неся с собой при этом некоторое количество твердого и расплавленного материала. По мере расширения этого горячего облака пара оно поднимается и охлаждается во многом подобно архетипическому грибовидному облаку, образуемому крупными ядерными взрывами. При больших ударах расширяющееся облако пара может подняться на высоту, во много раз превышающую высоту атмосферы, эффективно расширяясь в свободное пространство.
Большая часть материала, выброшенного из кратера, откладывается в пределах нескольких радиусов кратера, но небольшая часть может перемещаться на большие расстояния с высокой скоростью, а при крупных ударах она может превысить скорость убегания и полностью покинуть планету или луну, подвергшуюся удару. Большая часть самого быстрого материала выбрасывается из области, близкой к центру удара, а самый медленный материал выбрасывается близко к ободу на низких скоростях, образуя перевернутый когерентный лоскут выброса сразу за ободом. Когда выброс вырывается из растущего кратера, он образует расширяющуюся завесу в форме перевернутого конуса. Траектория отдельных частиц внутри завесы, как полагают, в значительной степени баллистическая.
Небольшие объемы нерасплавленного и относительно неударенного материала могут быть отколоты на очень высоких относительных скоростях от поверхности цели и от задней части ударника. Откол обеспечивает потенциальный механизм, посредством которого материал может быть выброшен в межпланетное пространство в значительной степени неповрежденным, и посредством которого небольшие объемы ударника могут сохраняться неповрежденными даже при больших ударах. Небольшие объемы высокоскоростного материала также могут быть получены на ранней стадии удара путем струйной обработки. Это происходит, когда две поверхности быстро и наклонно сходятся под небольшим углом, и высокотемпературный сильно ударенный материал выбрасывается из зоны сходимости со скоростями, которые могут быть в несколько раз больше скорости удара.
В большинстве случаев переходная полость нестабильна и разрушается под действием силы тяжести. В небольших кратерах, диаметром менее 4 км на Земле, наблюдается ограниченное разрушение края кратера в сочетании с скольжением обломков по стенкам кратера и стоком ударных расплавов в более глубокую полость. Полученная структура называется простым кратером, и она остается чашеобразной и внешне похожа на переходный кратер. В простых кратерах исходная выемочная полость перекрывается линзой обрушившейся брекчии , выброса и расплавленной породы, а часть центрального дна кратера иногда может быть плоской.
Выше определенного порогового размера, который меняется в зависимости от планетарной гравитации, коллапс и модификация переходной полости гораздо более обширны, и результирующая структура называется сложным кратером . Коллапс переходной полости вызван гравитацией и включает как подъем центральной области, так и внутреннее обрушение края. Центральный подъем не является результатом упругого отскока, который является процессом, при котором материал с упругой прочностью пытается вернуться к своей первоначальной геометрии; скорее коллапс является процессом, при котором материал с небольшой прочностью или без нее пытается вернуться в состояние гравитационного равновесия .
Сложные кратеры имеют приподнятые центры, и они, как правило, имеют широкие плоские неглубокие кратерные днища и террасные стены . При самых больших размерах могут появляться одно или несколько внешних или внутренних колец, и структура может быть обозначена как ударный бассейн, а не ударный кратер. Морфология сложных кратеров на каменистых планетах, по-видимому, следует регулярной последовательности с увеличением размера: небольшие сложные кратеры с центральным топографическим пиком называются кратерами с центральным пиком, например, Тихо ; кратеры среднего размера, в которых центральный пик заменен кольцом пиков, называются кратерами с пиковым кольцом , например, Шредингер ; и самые большие кратеры содержат несколько концентрических топографических колец и называются многокольцевыми бассейнами , например, Восточный . На ледяных (в отличие от каменистых) телах появляются другие морфологические формы, которые могут иметь центральные ямы, а не центральные пики, и при самых больших размерах могут содержать много концентрических колец. Валгалла на Каллисто является примером этого типа.
В течение долгого времени после удара кратер может быть дополнительно изменен эрозией, процессами истощения массы , вязкой релаксацией или полностью стерт. Эти эффекты наиболее заметны на геологически и метеорологически активных телах, таких как Земля, Титан, Тритон и Ио. Однако сильно измененные кратеры можно найти на более первичных телах, таких как Каллисто, где многие древние кратеры сплющиваются в яркие призрачные кратеры, или палимпсесты . [21]
Невзрывные вулканические кратеры обычно можно отличить от ударных кратеров по их неправильной форме и ассоциации вулканических потоков и других вулканических материалов. Ударные кратеры также производят расплавленные породы, но обычно в меньших объемах с другими характеристиками. [6]
Отличительной чертой ударного кратера является наличие породы, подвергшейся ударно-метаморфическим эффектам, таким как конусы дробления , расплавленные породы и кристаллические деформации. Проблема в том, что эти материалы, как правило, залегают глубоко, по крайней мере, в простых кратерах. Однако они, как правило, обнаруживаются в приподнятом центре сложного кратера. [22] [23]
Удары производят отличительные ударно-метаморфические эффекты, которые позволяют четко идентифицировать места ударов. Такие ударно-метаморфические эффекты могут включать:
На Земле ударные кратеры привели к появлению полезных ископаемых. Некоторые из руд, полученных в результате ударных эффектов на Земле, включают руды железа , урана , золота , меди и никеля . По оценкам, стоимость материалов, добываемых из ударных структур, составляет пять миллиардов долларов в год только для Северной Америки. [29] Окончательная полезность ударных кратеров зависит от нескольких факторов, особенно от природы материалов, которые подверглись удару, и от того, когда материалы подверглись удару. В некоторых случаях отложения уже были на месте, и удар вынес их на поверхность. Их называют «прогенетическими экономическими отложениями». Другие были созданы во время фактического удара. Огромная вовлеченная энергия вызвала плавление. Полезные минералы, образовавшиеся в результате этой энергии, классифицируются как «сингенетические отложения». Третий тип, называемый «эпигенетическими отложениями», вызван созданием бассейна в результате удара. Многие из минералов, от которых зависит наша современная жизнь, связаны с ударами в прошлом. Купол Вредефорда в центре бассейна Витватерсранда является крупнейшим месторождением золота в мире, которое дало около 40% всего золота, когда-либо добытого в ударной структуре (хотя золото не было получено из болида). [30] [31] [32] [33] Астероид, упавший в регион, имел ширину 9,7 км (6 миль). Бассейн Садбери был образован ударным телом диаметром более 9,7 км (6 миль). [34] [35] Этот бассейн славится своими залежами никеля , меди и элементов платиновой группы . Удар был связан с образованием структуры Карсвелл в Саскачеване , Канада; она содержит месторождения урана . [36] [37] [38] Углеводороды распространены вокруг ударных структур. Пятьдесят процентов ударных структур в Северной Америке в углеводородсодержащих осадочных бассейнах содержат месторождения нефти/газа. [39] [29]
На Земле распознавание ударных кратеров является разделом геологии и связано с планетарной геологией в изучении других миров. Из многих предполагаемых кратеров, относительно немногие подтверждены. Следующие двадцать являются образцами статей подтвержденных и хорошо документированных мест ударов.
См. Базу данных ударных кратеров на Земле [40] , веб-сайт, содержащий информацию о 190 (по состоянию на июль 2019 г. [обновлять]) научно подтвержденных ударных кратерах на Земле.
На Луне имеется еще около двенадцати ударных кратеров/бассейнов размером более 300 км, пять на Меркурии и четыре на Марсе. [41] Крупные бассейны, некоторые из которых не имеют названий, но в основном размером менее 300 км, также можно найти на спутниках Сатурна Дионе, Рее и Япете.
Временной интервал удара между июлем 2010 г. и маем 2012 г. просто представляет собой время между двумя разными фотографиями Context Camera одного и того же места.
Медиа, связанные с кратерами от ударов, на Wikimedia Commons
