Ударный кратер — это круглая впадина на поверхности твердого астрономического объекта , образовавшаяся в результате сверхскоростного удара меньшего объекта. В отличие от вулканических кратеров , образующихся в результате взрыва или внутреннего обрушения, [2] ударные кратеры обычно имеют приподнятые края и дно, которые ниже по высоте, чем окружающая местность. [3] Лунные ударные кратеры варьируются от микроскопических кратеров на лунных камнях, возвращенных программой « Аполлон» [4] и небольших, простых, чашеобразных впадин в лунном реголите , до больших, сложных, многокольцевых ударных бассейнов . Метеоритный кратер — хорошо известный пример небольшого ударного кратера на Земле. [5]
Ударные кратеры являются доминирующими географическими объектами на многих твердых объектах Солнечной системы, включая Луну , Меркурий , Каллисто , Ганимед и большинство небольших спутников и астероидов . На других планетах и лунах, на поверхности которых происходят более активные геологические процессы, таких как Земля , Венера , Европа , Ио и Титан , видимые ударные кратеры встречаются реже, поскольку со временем они подвергаются эрозии , погребению или трансформации в результате тектоники . Там, где такие процессы разрушили большую часть исходной топографии кратера, чаще используются термины ударная структура или астроблема. В ранней литературе, до того, как значение ударных кратеров получило широкое признание, термины криптовзрыв или криптовулканическая структура часто использовались для описания того, что сейчас считается на Земле особенностью, связанной с ударом. [6]
Записи о кратерах на очень старых поверхностях, таких как Меркурий, Луна и южные высокогорья Марса, фиксируют период интенсивной ранней бомбардировки внутренней части Солнечной системы около 3,9 миллиардов лет назад. Скорость образования кратеров на Земле с тех пор значительно снизилась, но, тем не менее, она ощутима. В среднем Земля испытывает от одного до трех ударов, достаточно сильных, чтобы каждые миллион лет образовывался кратер диаметром 20 километров (12 миль). [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 части Солнечной системы колеблется вследствие столкновений в поясе астероидов , которые создают семейство фрагментов, которые часто каскадом отправляются во внутреннюю часть Солнечной системы. [9] Считается, что семейство астероидов Баптистина , образовавшееся в результате столкновения 80 миллионов лет назад, вызвало значительный всплеск частоты столкновений. Скорость образования кратеров во внешней Солнечной системе может отличаться от скорости образования кратеров во внутренней Солнечной системе. [10]
Хотя активные поверхностные процессы на Земле быстро уничтожают записи ударов, было обнаружено около 190 земных ударных кратеров. [11] Их диаметр варьируется от нескольких десятков метров до примерно 300 км (190 миль), а возраст варьируется от недавнего времени (например, кратеры Сихотэ-Алиня в России, образование которых было засвидетельствовано в 1947 году) до более чем два миллиарда лет, хотя большинству из них менее 500 миллионов лет, потому что геологические процессы имеют тенденцию уничтожать старые кратеры. Они также выборочно встречаются в стабильных внутренних областях континентов . [12] Несколько подводных кратеров было обнаружено из-за сложности исследования морского дна, быстрой скорости изменения дна океана и погружения дна океана в недра Земли в результате процессов тектоники плит .
Ударные кратеры не следует путать с формами рельефа, которые могут показаться похожими , включая кальдеры , воронки , ледниковые цирки , кольцевые дамбы , соляные купола и другие.
Дэниел М. Барринджер, горный инженер, уже в 1903 году был убежден, что принадлежащий ему кратер, Метеоритный кратер , имеет космическое происхождение. Большинство геологов того времени предполагали, что он образовался в результате парового извержения вулкана. [13] : 41–42.
В 1920-х годах американский геолог Уолтер Х. Бучер изучил ряд мест, которые сейчас признаны ударными кратерами в Соединенных Штатах. Он пришел к выводу, что они были созданы в результате какого-то мощного взрывного события, но полагал, что эта сила, вероятно, имела вулканическое происхождение. Однако в 1936 году геологи Джон Д. Бун и Клод К. Олбриттон-младший вновь обратились к исследованиям Бучера и пришли к выводу, что кратеры, которые он изучал, вероятно, образовались в результате ударов. [14]
В 1893 году Гроув Карл Гилберт предположил, что кратеры Луны образовались в результате ударов крупных астероидов. Ральф Болдуин в 1949 году писал, что кратеры Луны в основном имеют ударное происхождение. Примерно в 1960 году Джин Шумейкер возродил эту идею. По словам Дэвида Х. Леви , Шумейкер «рассматривал кратеры на Луне как логичные места ударов, которые образовались не постепенно, в течение эпох , а взрывным образом, за секунды». Для получения степени доктора философии в Принстонском университете (1960) под руководством Гарри Хаммонда Гесса Шумейкер изучал динамику удара метеоритного кратера. Шумейкер отметил, что Метеоритный кратер имел ту же форму и структуру, что и два кратера от взрыва , образовавшиеся в результате испытаний атомной бомбы на полигоне в Неваде , в частности Джангл Ю в 1951 году и Чайпот Эсс в 1955 году. В 1960 году Эдвард К. Т. Чао и Шумейкер определили коэсит (форму диоксида кремния ) в Метеоритном кратере, что доказывает, что кратер образовался в результате удара, создавшего чрезвычайно высокие температуры и давления. Вслед за этим открытием они идентифицировали коэсит внутри сювита в Нёрдлингер-Рисе , доказав его ударное происхождение. [13]
Вооружившись знаниями об особенностях ударного метаморфизма, Карлайл С. Билс и его коллеги из Астрофизической обсерватории Доминиона в Виктории, Британская Колумбия , Канада, и Вольф фон Энгельхардт из Тюбингенского университета в Германии начали методичный поиск ударных кратеров. К 1970 году они предварительно идентифицировали более 50. Хотя их работа была противоречивой, высадка американского Аполлона на Луну, которая продолжалась в то время, предоставила подтверждающие доказательства, признав скорость образования кратеров на Луне . [15] Поскольку процессы эрозии на Луне минимальны, кратеры сохраняются. Поскольку можно было ожидать, что на Земле будет примерно такое же количество кратеров, как и на Луне, стало ясно, что Земля пострадала от гораздо большего количества ударов, чем можно было увидеть, подсчитав очевидные кратеры.
Образование кратеров при ударе связано со столкновениями между твердыми объектами на высокой скорости, обычно намного превышающей скорость звука в этих объектах. Такие сверхскоростные удары вызывают физические эффекты, такие как плавление и испарение , которые не происходят при привычных дозвуковых столкновениях. На Земле, если не принимать во внимание замедляющие эффекты путешествия через атмосферу, наименьшая скорость столкновения с объектом из космоса равна гравитационной скорости отрыва около 11 км/с. Самые быстрые удары происходят со скоростью около 72 км/с [16] в «наихудшем» сценарии, когда объект на ретроградной, почти параболической орбите сталкивается с Землей. Средняя скорость удара о Землю составляет около 20 км/с . [17]
Однако эффекты замедления движения через атмосферу быстро замедляют любой потенциальный ударник, особенно на самых нижних 12 километрах, где находится 90% атмосферной массы Земли. Метеориты массой до 7000 кг теряют всю свою космическую скорость из-за сопротивления атмосферы на определенной высоте (точка замедления) и снова начинают ускоряться под действием силы тяжести 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 большую начальную космическую скорость он сохраняет. В то время как объект массой 9000 кг сохраняет около 6% своей первоначальной скорости, объект массой 900000 кг сохраняет уже около 70%. Чрезвычайно большие тела (около 100 000 тонн) вообще не замедляются атмосферой и сталкиваются со своей начальной космической скоростью, если до этого не произошло распада. [16]
Удары на таких высоких скоростях вызывают ударные волны в твердых материалах, при этом как ударник, так и подвергаемый воздействию материал быстро сжимаются до высокой плотности. После первоначального сжатия область с высокой плотностью и сверхсжатием быстро разгерметизируется, сильно взрываясь, запуская последовательность событий, которые приводят к образованию ударного кратера. Таким образом, образование кратеров от удара более похоже на образование кратеров от взрывчатых веществ , чем от механического смещения. Действительно, плотность энергии некоторых материалов, участвующих в образовании ударных кратеров, во много раз превышает плотность энергии, генерируемой бризантными взрывчатыми веществами. Поскольку кратеры образуются в результате взрывов , они почти всегда имеют круглую форму – только удары под очень малым углом вызывают появление кратеров существенно эллиптической формы. [18]
Здесь описываются удары по твердым поверхностям. Удары по пористым поверхностям, таким как Гиперион , могут вызвать внутреннее сжатие без выброса, пробивая дыру в поверхности без заполнения близлежащих кратеров. Это может объяснить внешний вид этой луны, напоминающий губку. [19]
Удобно концептуально разделить процесс воздействия на три отдельные стадии: (1) первоначальный контакт и сжатие, (2) раскопки, (3) модификация и разрушение. На практике эти три процесса частично совпадают: например, раскопки кратера продолжаются в некоторых регионах, тогда как модификация и разрушение уже происходят в других.
В отсутствие атмосферы процесс удара начинается при первом касании ударника поверхности мишени. Этот контакт ускоряет цель и замедляет ударник. Поскольку ударник движется так быстро, задняя часть объекта перемещается на значительное расстояние за короткое, но конечное время, необходимое для распространения замедления по ударнику. В результате ударник сжимается, его плотность возрастает, а давление внутри него резко возрастает. Пиковое давление при сильных ударах превышает 1 ТПа и достигает значений, которые обычно обнаруживаются глубоко в недрах планет или создаются искусственно при ядерных взрывах .
Говоря физически, в месте контакта возникает ударная волна. По мере расширения эта ударная волна замедляет и сжимает ударник, а также ускоряет и сжимает цель. Уровни напряжений внутри ударной волны намного превышают прочность твердых материалов; следовательно, и ударник, и мишень, находящаяся вблизи места удара, повреждаются необратимо. Многие кристаллические минералы могут быть преобразованы в фазы более высокой плотности с помощью ударных волн; например, обычный минерал кварц может быть преобразован в формы коэсита и стишовита , образующиеся при более высоком давлении . Многие другие изменения, связанные с ударной волной, происходят как в ударном элементе, так и в цели по мере прохождения ударной волны, и некоторые из этих изменений можно использовать в качестве диагностических инструментов для определения того, были ли определенные геологические особенности вызваны образованием кратеров от удара. [18]
По мере затухания ударной волны пораженная область разжимается до более обычных давлений и плотностей. Повреждения, вызванные ударной волной, повышают температуру материала. При всех ударах, кроме самых незначительных, этого повышения температуры достаточно, чтобы расплавить ударник, а при более сильных ударах — для испарения большей его части и расплавления больших объемов мишени. Цель вблизи места удара не только нагревается, но и ускоряется ударной волной и продолжает удаляться от места удара за затухающей ударной волной. [18]
При сильном ударе контакт, сжатие, декомпрессия и прохождение ударной волны происходят в течение нескольких десятых секунды. Последующая экскавация кратера происходит медленнее, и на этом этапе поток материала в основном дозвуковой. Во время раскопок кратер растет по мере того, как ускоренный целевой материал удаляется от точки удара. Движение цели первоначально направлено вниз и наружу, но затем становится наружу и вверх. Поток первоначально образует полость приблизительно полусферической формы, которая продолжает расти, в конечном итоге образуя параболоидный (чашеобразный) кратер, центр которого сдвинут вниз, выброшен значительный объем материала и выдвинут топографически приподнятый край кратера. вверх. Когда эта полость достигает максимального размера, ее называют переходной полостью. [18]
Глубина переходной полости обычно составляет от четверти до трети ее диаметра. Выбросы , выброшенные из кратера, не включают материал, извлеченный на всю глубину переходной полости; обычно глубина максимальной выемки составляет всего около трети от общей глубины. В результате около трети объема переходного кратера формируется за счет выброса материала, а остальные две трети - за счет смещения материала вниз, наружу и вверх с образованием приподнятой кромки. При ударах по высокопористым материалам значительный объем кратера также может образовываться из-за постоянного уплотнения порового пространства . Такие кратеры уплотнения могут иметь важное значение на многих астероидах, кометах и небольших лунах.
При сильных ударах, а также при смещении и выбрасывании материала с образованием кратера значительные объемы целевого материала могут расплавиться и испариться вместе с исходным ударником. Некоторая часть этой ударной расплавленной породы может быть выброшена, но большая ее часть остается внутри переходного кратера, первоначально образуя слой ударного расплава, покрывающий внутреннюю часть переходной полости. Напротив, горячий плотный испаренный материал быстро расширяется из растущей полости, увлекая за собой некоторое количество твердого и расплавленного материала. По мере того, как это облако горячего пара расширяется, оно поднимается и охлаждается, подобно типичному грибовидному облаку, образующемуся в результате крупных ядерных взрывов. При сильных ударах расширяющееся облако пара может подняться во много раз больше высоты 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 сильных ударах она может превысить скорость убегания и полностью покинуть столкнувшуюся планету или луну. Большая часть самого быстрого материала выбрасывается вблизи центра удара, а самый медленный материал выбрасывается близко к ободу с низкими скоростями, образуя перевернутый когерентный лоскут выброса непосредственно за ободом. По мере того как выброс вырывается из растущего кратера, он образует расширяющуюся завесу в форме перевернутого конуса. Считается, что траектория отдельных частиц внутри завесы в значительной степени баллистическая.
Небольшие объемы нерасплавленного и относительно не подвергшегося ударам материала могут быть отколоты с очень высокой относительной скоростью от поверхности мишени и от задней части ударника. Раскол обеспечивает потенциальный механизм, посредством которого материал может быть выброшен в межпланетное пространство практически неповрежденным, и посредством которого небольшие объемы ударника могут сохраняться неповрежденными даже при сильных ударах. Небольшие объемы высокоскоростного материала также могут образовываться на ранних этапах удара в результате струйной струи. Это происходит, когда две поверхности быстро и наклонно сходятся под небольшим углом и высокотемпературный сильно сотрясенный материал выбрасывается из зоны сближения со скоростями, которые могут в несколько раз превышать скорость удара.
В большинстве случаев переходная полость нестабильна и разрушается под действием силы тяжести. В небольших кратерах диаметром менее 4 км на Земле происходит некоторое ограниченное разрушение края кратера в сочетании со скатыванием обломков по стенкам кратера и дренажом ударных расплавов в более глубокую полость. Образующаяся структура называется простым кратером, она остается чашеобразной и внешне похожа на переходный кратер. В простых кратерах первоначальная полость раскопок перекрыта линзой обрушившейся брекчии , выбросами и расплавленной породой, а часть центрального дна кратера иногда может быть плоской.
Выше определенного порогового размера, который меняется в зависимости от гравитации планеты, коллапс и модификация переходной полости становятся гораздо более обширными, и образующаяся структура называется сложным кратером . Коллапс переходной полости вызван силой тяжести и включает в себя как подъем центральной области, так и коллапс края внутрь. Центральное поднятие не является результатом упругого отскока, который представляет собой процесс, в котором материал с упругой прочностью пытается вернуться к своей исходной геометрии; скорее, коллапс – это процесс, в котором материал с небольшой или нулевой прочностью пытается вернуться в состояние гравитационного равновесия .
Сложные кратеры имеют приподнятые центры, обычно широкие, плоские, неглубокие кратеры, дно и террасированные стены . При самых больших размерах могут появиться одно или несколько внешних или внутренних колец, и структуру можно назвать ударным бассейном, а не ударным кратером. Морфология сложных кратеров на скалистых планетах, по-видимому, следует регулярной последовательности с увеличением размера: небольшие сложные кратеры с центральным топографическим пиком называются кратерами центрального пика, например Тихо ; Кратеры промежуточных размеров, в которых центральный пик заменен кольцом пиков, называются пик-кольцевыми кратерами , например Шредингера ; а самые большие кратеры содержат множество концентрических топографических колец и называются многокольцевыми бассейнами, например Orientale . На ледяных (в отличие от скальных) телах появляются другие морфологические формы, которые могут иметь центральные ямки, а не центральные вершины, а при наибольших размерах могут содержать множество концентрических колец. Валгалла на Каллисто является примером этого типа.
Невзрывные вулканические кратеры обычно можно отличить от ударных кратеров по их неправильной форме и сочетанию вулканических потоков и других вулканических материалов. Ударные кратеры также производят расплавленные породы, но обычно в меньших объемах с другими характеристиками. [6]
Отличительным признаком ударного кратера является наличие горных пород, подвергшихся ударно-метаморфическим воздействиям, таким как конусы разрушения , расплавленные породы и кристаллические деформации. Проблема в том, что эти материалы, как правило, залегают глубоко, по крайней мере, в простых кратерах. Однако их обычно обнаруживают в приподнятом центре сложного кратера. [21] [22]
Удары вызывают характерные ударно-метаморфические эффекты, которые позволяют четко идентифицировать места ударов. К таким ударно-метаморфическим воздействиям можно отнести:
На Земле ударные кратеры привели к появлению полезных ископаемых. Некоторые из руд, образовавшихся в результате воздействия на Землю, включают руды железа , урана , золота , меди и никеля . По оценкам, стоимость материалов, добытых из ударных структур, составляет пять миллиардов долларов в год только для Северной Америки. [28] Конечная польза от ударных кратеров зависит от нескольких факторов, особенно от природы материалов, которые подверглись воздействию, и от того, когда материалы подверглись воздействию. В некоторых случаях отложения уже были на месте, и удар вывел их на поверхность. Их называют «производственными экономическими депозитами». Другие были созданы во время фактического удара. Огромная энергия вызвала таяние. Полезные полезные ископаемые, образовавшиеся в результате этой энергии, относят к «сингенетическим месторождениям». Третий тип, получивший название «эпигенетические отложения», вызван созданием бассейна в результате воздействия. Многие из полезных ископаемых, от которых зависит наша современная жизнь, связаны с воздействиями в прошлом. Купол Вредефорд в центре бассейна Витватерсранд является крупнейшим золотым месторождением в мире, на которое приходится около 40% всего золота, когда-либо добытого в ударной структуре (хотя золото получено не из болида). [29] [30] [31] [32] Астероид, упавший в этот регион, имел ширину 9,7 км (6 миль). Бассейн Садбери образовался в результате удара тела диаметром более 9,7 км (6 миль). [33] [34] Этот бассейн известен своими месторождениями никеля , меди и элементов платиновой группы . Удар произошел при строительстве сооружения Карсвелл в Саскачеване , Канада; содержит залежи урана . [35] [36] [37] Углеводороды часто встречаются вокруг ударных структур. Пятьдесят процентов ударных структур Северной Америки в углеводородоносных осадочных бассейнах содержат месторождения нефти и газа. [38] [28]
Благодаря многочисленным миссиям, изучавшим Марс с 1960-х годов, его поверхность, содержащая большое количество кратеров, хорошо покрыта . Многие кратеры на Марсе отличаются от кратеров на Луне и других спутниках, поскольку под землей Марса есть лед, особенно в высоких широтах. Некоторые из типов кратеров, которые имеют особую форму из-за удара о богатую льдом землю, — это кратеры на пьедестале , кратеры-валы , расширенные кратеры и кратеры ЛАРЛЕ .
На Земле распознавание ударных кратеров является разделом геологии и связано с планетарной геологией при изучении других миров. Из многих предполагаемых кратеров лишь немногие подтверждены. Следующие двадцать представляют собой примеры статей с подтвержденных и хорошо задокументированных мест воздействия.
См. базу данных Earth Impact , [39] веб-сайт, посвященный 190 (по состоянию на июль 2019 г. [обновлять]) научно подтвержденным ударным кратерам на Земле.
Еще примерно двенадцать ударных кратеров/бассейнов размером более 300 км имеются на Луне, пять на Меркурии и четыре на Марсе. [40] Большие бассейны, некоторые безымянные, но в основном размером менее 300 км, также можно найти на спутниках Сатурна Дионе, Рее и Япете.
Временной интервал удара с июля 2010 г. по май 2012 г. просто представляет собой время между двумя разными фотографиями одного и того же места, сделанными с помощью контекстной камеры.
СМИ, связанные с ударными кратерами, на Викискладе?
