© Copyright - Karim A. Khaidarov, December 30, 2008
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ДИНАМИКА УДАРНОГО МЕТАМОРФИЗМА
Светлой памяти моей дочери Анастасии посвящаю
Классификация ударных образований
К сожалению, мифологизация астрофизики привела к элиминированию "устаревшего" термина "цирк" и повсеместной замене его на термин "кратер" (греч. чаша).
На самом деле существуют ударные объекты, отличные по форме и, следовательно, по происхождению, от чаши.
Вот предлагаемая автором морфогенетическая классификация, основанная на наблюденных на Луне и других планетах формах импактных образований, и исходящая из двух основных типов взрыва ударника: "накладного" и "фугасного".
Класс 1.
"Чаша" - ударный кратер в грунте, образованный "накладным" поверхностным взрывом летучей кометной компоненты типа 1, то есть, в основном, мгновенного испарения водяного льда и газов, абсорбированных телом кометы (см. рис. 12). Чашеобразная форма кратера определяется сферической формой ударной волны и низкой прочностью, мелкофракционностью грунта планеты, на луне - реголитового, на Земле - аллювия.
Рис. 12. Динамика формирования чашеобразных кратеров.
(a) - удар летучего вещества кометы 2 о поверхность осадочного слоя 1 (реголит) планеты;
(b) - экскавация реголита ударной волной 3; (c) - выброс ударной волной 3 реголита 4 из объема чаши 5;
(d) - покрытие импактным седиментом 6 поверхности планеты.
Практически все кратеры меньше 6 км на луне имеют сферическую или уплощенно-сферическую форму, что объясняется толщиной слоя импактных осадков на Луне 2 - 4 км. Мощность этого реголитового слоя видна там, где ударная волна пробивает весь осадочный слой, и обнажается коренной скальный массив. Это, например, кратеры, показанные в таблице 2 и на фото, сделанные экспедициями программы
Вернера фон Брауна "Аполлон" (см. рис. 13) и все цирки.Таблица 2. Мощность реголитового импактного осадочного слоя на Луне
|
crater |
diameter [km] |
depth [m] |
|
Maskelyne |
26 |
2500 |
|
Fauth |
12 |
1960 |
|
Messier B |
6 |
2000 |
|
Carmichael |
20 |
3640 |
|
Hill |
17 |
3340 |
|
средняя толщина осадочного слоя |
2688 |
|
Рис. 13. Чашеобразные кратеры Maskelyne и Carmichael, достигающие уровня коренных пород.
Класс 2.
"Цирк" - ударное образование на поверхности в виде кольцевого поднятия, расположенного вдали от центра структуры, имеющей обширное плоское дно (см. рис. 14).Отличие цирка от чашеобразных кратеров лишь в величине. Поверхностный кинетико-термический взрыв летучей компоненты (а это 96 - 99 % массы типичной кометы) приводит к полному удалению осадочного слоя с поверхности коренных скальных пород и сметанию почвенного слоя на периферию.
В центре цирка часто имеется горка - остаток осадочной породы нетронутый накладным взрывом из-за обширности его эпицентра и направлению ударной волны в эпицентр (см. фото рис. 15). Точно такое же "щадящее" действие оказывают ядерные взрывы в атмосфере, оставляя стены домов в эпицентре целыми, например, взрыв американской бомбы 6 августа 1945 г. над городом Хиросима. Представляя собой тот же взрывной механизм, что и в случае класса 1 - "чаша", цирк обязан своему появлению ограниченности толщины осадочного слоя на планете. Поэтому минимальный диаметр цирков (20 - 30 км) на порядок больше мощности осадочного слоя (2 - 3 км). Цирк не может быть образован действием фугаса - источника ударной волны под поверхностью, так как внутренняя площадь цирка остается плоской. Кольцевое поднятие цирка может образоваться только от поверхностного газового взрыва путем выдавливания сыпучего материала с внутренней площади цирка на периферию ударной волной. Согласно [10] цирки составляют более 99% образований на поверхности Луны среди объектов диаметром 10 км и более. Это говорит о том, что более 99% космических ударников являются "новыми" кометами, то есть телами, состоящими на 96 - 99 % из летучих веществ, сразу взрывающихся при соприкосновении с поверхностью безатмосферной планеты или еще в атмосфере, как, например, комета
"Тунгусский метеорит", 1908 г.Если комета, образовавшая цирк содержала скальную тугоплавкую компоненту, то эта скальное тело пробивает в коренных породах "трубку взрыва", о которой будет сказано ниже.
Из этой трубки на дно цирка может изливаться магма, иногда заполняющая цирк до краев.
Рис. 14. Динамика образования цирка.
(a) - касание кометы 3 поверхности осадочного слоя 1, вызывающее мгновенное преобразование линейно-кинетической энергии кометы в температуру летучей компоненты кометы, тугоплавкая скальная компонента 9 пробивает в коренных породах 2 "трубку взрыва" 10; (b) - экскавация осадочного слоя 1 до коренной скальной породы 2 давлением ударной волны 4, образование ею кольцевого поднятия 7 и центральной горки 8; (c) - разлет реголита, выбитого ударной волной; (d) - выпадение импактных осадков 6, покрывающих тонким слоем планету, заполнение кратера магматическим излиянием 11 из "трубки взрыва" 10.
Рис. 15. Цирки на поверхности Луны: (a) - Sabine, d = 31 km, Ritter, d = 32 km, Schmidt, d=12 km.; (b) - Daedalus, d = 93 km [6]. Видны центральные горки осадочной породы.
Класс 3. "Море" - аналогичное цирку ударное образование на поверхности небесного тела от ударника галактической скорости, когда кольцевой горный вал не образуется. Это происходит потому, что осадочная порода выбрасывается взрывной волной за горизонт взрыва, то есть за порог кривизны планеты, разбрасываясь далее по большой площади (см. рис. 16). Порог кривизны для луны составляет ~200 км, поэтому цирки обычно меньше этого радиуса, а "моря" - больше. Точное значение порога различно для разных масс и скоростей ударника. От этих параметров зависит действующая высота взрыва и, следовательно, расстояние до горизонта прямого действия ударной волны.
Рис. 16. Динамика образования лунных морей.
(1 - осадочный реголитовый слой, 2 - коренные скальные породы; 3 - трасса кометы,
4 - полусфера испарившейся летучей компоненты кометы;
5 - выброс реголита за пределы горизонта ударной волны;
6 - сквозная трубка взрыва, образуемая скальным керном кометы,
7 - лавовое море, излившееся из трубки взрыва)
Ударные взрывы комет галактической скорости не образуют горок в центре, так как давление ударной волны превышает сцепление грунта в эпицентре взрыва с коренной поверхностью, и все остатки осадочной толщи сметаются. Происходит оплавление коренной скальной поверхности (см. фото морей на рис.17). Тугоплавкая скальная часть кометы пробивает тело планеты насквозь, оставляя "трубку взрыва", о которой будет сказано ниже.
Рис. 17. Море Кризисов и Море Нектара, диаметром 638 и 360 км соответственно.
Доля морей среди импактных образований каталога [8] составляет 0,15% (см. таблицу 3). Вторичными импактными осадками моря покрывают всю планету, сбрасывая часть их на Землю.
Если угол удара, отсчитываемый от вертикали, меньше 11°30
', то "трубка взрыва" пронизывает жидкое ядро Луны, и магматическое вещество ядра может подняться на поверхность. Если сам удар происходит с ближней стороны Луны, где уровень поверхности ниже уровня обратной стороны, то разности высот (давлений) достаточно, чтобы произошло обильное извержение, заполняющее всю поверхность моря газообильной лавой, образующей после остывания вулканическую пемзу.Таблица 3. Лунные "моря".
N |
наименование моря |
d [km] |
N |
наименование моря |
d [km] |
|
1 |
MARE FRIGORIS |
1853 |
13 |
MARE HUMORUM |
391 |
|
2 |
MARE IMBRIUM |
1287 |
14 |
MARE MARGINIS |
371 |
|
3 |
MARE INSULARUM |
927 |
15 |
MARE NECTARIS |
360 |
|
4 |
MARE NUBIUM |
772 |
16 |
MARE INGENII |
318 |
|
5 |
OCEANUS PROCELLARUM |
721 |
17 |
MARE ORIENTALE |
309 |
|
6 |
MARE TRANQUILLITATIS |
721 |
18 |
MARE COGNITUM |
309 |
|
7 |
MARE SERENITATIS |
670 |
19 |
MARE MOSCOVIENSE |
277 |
|
8 |
MARE CRISIUM |
638 |
20 |
MARE VAPORUM |
236 |
|
9 |
MARE FECUNDITATIS |
617 |
21 |
MARE UNDARUM |
206 |
|
10 |
MARE HUMBOLDTIANUM |
600 |
22 |
MARE SMYTHII |
206 |
|
11 |
MARE AUSTRALE |
515 |
23 |
MARE SPUMANS |
206 |
|
12 |
MARE ANGUIS |
400 |
|
|
|
Класс 4.
"Воронка" - конусообразное углубление, образованное фугасным действием взрыва ударника, то есть действием ударной волны, исходящей из центра, лежащего ниже уровня поверхности (см. рис. 18). Такой взрыв происходит в случае наличия в ударнике тугоплавкой породы типов 2 - 4, которая сублимируется не сразу, а с задержкой. Чем более консолидированной, кристаллической, тугоплавкой и прочной является эта порода, тем глубже она погружается под поверхность планеты, и тем позже происходит взрыв. Именно геометрическая особенность расположения центра взрыва ниже уровня поверхности почвы дает эффект выброса грунта конусом.
Рис. 18. Динамика формирования фугасных воронок одинарного (a)
и двойного взрыва по типу Патомского кратера (b).(1 - траектория ударника; 2 - место первичного взрывного разрушения ударника в 1770 г.; 3 - горный массив планеты; 4 - выбросы измельченной взрывом породы; 5 - место ловушки сверхсжатого вещества; 6 - вторичный конус выброса горной породы в 1842)
Такие воронки образуются тугоплавким веществом типов 2 - 4. Представителем такого кратера является Патомский кратер (рис. 10b и 19a). В связи с большой глубиной проникновения высокоскоростного ударника в коренные породы, по-видимому, произошел переход вещества ударника в сверхсжатое состояние с закупоркой его в скальных породах. Через 72 года произошел вторичный выброс дробленного скального материала, поднятого с большой глубины давлением, вызванным увеличением объема вещества вдвое при переходе из сверхсжатого в обычное фазовое состояние (рис.19b). В вулканических конусах такого обломочного материала не бывает.
Рис. 19. Вид Патомского кратера с вертолета (a), где виден вторичный конус и вид из жерла этого импактного кратера, где виден импактный обломочный характер выбросов [15].
Динамика взрывных кратеров хорошо изучена в горном и военном деле. Такую же воронку образует фугасный снаряд, углубившийся в почву, а затем взорвавшийся. Количество таких воронок среди лунных кратеров диаметром 10 км и более не превышает 0,3%, существенно увеличиваясь в доле с уменьшением диаметра кратера.
Если быть скрупулезным, Патомский кратер можно считать переходной формой к следующему классу импактных образований - "трубкам взрыва".
Класс 5. "Трубка взрыва" - известная на Земле геологическая структура, относительно которой распространены мифические предположения об ее образовании (флюидное, мантийное, вулканическое и т.п.). Из имеющейся литературы автор нашел лишь одну трезвую работу [16]. Реально "трубки взрыва" образуются при входе в тело планеты тугоплавкого скального ударника на галактической скорости ~200 км/с. Возникновение давления более 1,5 мегабар при торможении такого ударника удерживает его от взрыва, переводя в метажидкое фазовое состояние удвоенной плотности, и, следовательно, высокой пробойной способности. Скальное тело диаметром более 10 км способно пробить такое небесное тело как Луна насквозь. Трубки взрыва косвенно наблюдаемы и на Луне. Их присутствие видно по выдавливанию из них высокотемпературного расплава при переходе из метажидкого фазового состояния вещества (такого же, как в ядре Земли) в обычное жидкое с удвоением объема. При этом излишек вещества изливается на поверхность через имеющиеся карсты до тех пор, пока весь метажидкий объем не перейдет в обычное фазовое состояние, удвоившись в объеме. Ярким примером является долина Шрётера (Schroeter Vallis), по которой длительное время после пробоя и затвердевания жерла кратера сквозной "трубки взрыва" Аристарх изливался высокотемпературный расплав горной породы объема этой трубки (рис. 20).
Рис. 20. (a) - плато Аристарх, приподнятое давлением сквозной трубки взрыва, слева сквозной кратер Аристарх - выход трубки взрыва на поверхность и долины излияния высокотемпературного базальтоидного расплава; (b) - фото долины Шрётера, крупнейшего русла излияния расплава из трубки взрыва Аристарх [6].
Класс 6. "Сквозной кратер" трубки взрыва и лучевые выбросы расплава горной породы - ударные структуры, образующиеся от сквозного пробоя тела планеты кометой галактической скорости при вылете останца кометы из тела планеты (см. рис. 11, 20). При анализе поверхности Луны по каталогу [10] таких объектов находится 0.15% от всех кратеров, то есть равно количеству морей, являющихся следами от взрывов летучей компоненты гигантских комет галактической скорости. В случае обычных ударных кратеров аналогичного диаметра, скорости выброса пород фугасным взрывом не могут превышать 200 - 300 метров в секунду. Для образования лучей длиной сотни и тысячи километров необходимы скорости порядка 1 - 2 км/с. Кроме того, обычный фугасный взрыв не расплавляет окружающие горные породы. Поэтому, существующие "теории" образования лучевых выбросов не состоятельны.
Реально, процесс формирования "морей" и "сквозных кратеров" происходит при ударе кометы галактической скорости и большой массы. Летучая часть массы кометы (лед, снег, вода и растворенные газы) при соприкосновении с поверхностью планеты практически мгновенно превращается в газовое облако высокой плотности и температуры. Это облако сметает осадочный слой планеты в радиусе ударного горизонта (для Луны 160 - 360 км). Тугоплавкая скальная часть кометы погружается в коренные породы планеты, где тормозится в зависимости от сопротивления среды и поверхностной плотности кометного тела. Торможение кометного тела вызывает большое поверхностное давление, возрастающее до тех пор, пока вещество кометы не перейдет в метажидкое фазовое состояние, описанное в работе [14], и, как минимум, не удвоит своей плотности. Эта метажидкая масса легко пронзает тело планеты и образует сквозной кратер на противоположной поверхности планеты. При вылете метажидкой массы из тела планеты она разлетается во все стороны под действием своего внутреннего давления, образуя лучи выбросов на сотни и тысячи километров.
Кроме лучевых выбросов свидетельством сквозной природы таких кратеров является значительное превышение объема поднятия поверхности над объемом гипотетического тела поперечником равным диаметру кратера. Например, плато Аристарх похожее на прямоугольный остров, имеет в поперечнике около 200 километров и возвышается примерно на 2 километра над ровной поверхностью лунного Океана Бурь (Oceanus Procellarum), что составляет 40 тыс. км2, а объем, рассчитанный по диаметру кратера всего 7200км2. Такое же соотношение имеет место для кратеров Кеплер и Коперник.
Отличительным признаком сквозных кратеров, вызванным высокой скоростью выброса магмы из их жерл, является низкий уровень дна, обычно на 1500 м ниже окружающей поверхности планеты. Кроме того они имеют не круглое, а многоугольное жерло, что вызвано разрывными силами снизу, а не накладным взрывом сверху, как у обычных цирков. Кроме того, как показано исследованиями многих авторов, вещество лучей выбрасывалось многократно. Это также подтверждает фонтанирование сквозного потока жидкого вещества снизу по мере фазового перехода сверхсжатого вещества в обычное (вспомним Патомский кратер).
Как обнаружено фотографированием в инфракрасных лучах, все сквозные кратеры отличаются повышенной на десятки градусов относительно окружающей почвы температурой дна. Это можно объяснить тем, что в "трубке взрыва" длительное время находится конвективно циркулирующий расплав большого объема.
Еще один признак выброса жидкой магмы - эксцентричность и парность лучей.
Кратер Аристарх очень молод, его структуры не перекрываются иными кратерами. Антиподным ему является кратер Циолковский, в центре которого возможно находится вход в "трубку взрыва" Аристарх. Возраст кратера Циолковский оценивается в 200 тыс. лет.
Лавовая активность в долине Шрётера, берущая вблизи кратера Аристарх, периодически наблюдается и в настоящее время. Красное кратковременное свечение в этой местности наблюдалось порядка 100 крат.
Интересным подтверждением сквозного пробоя тела луны является кратер Мессье А, расположенный на поверхности Моря Плодородия, который имеет тянущийся по поверхности моря светлый луч выбросов длиной 217 км. Внешне этот луч напоминает луч прожектора, а кратер имеет вид жерла пушки, направленному в сторону луча. Такая конфигурация исключает как "рикошетный" характер выброса, так и эндогенную эруптивную природу кратера, так как ни одна из известных горных пород не обладает прочностью крупповской стали для выстрела вещества на 217 км. В таблице 4 перечислены явные "сквозные" или лучевые кратеры.
Таблица 4. Лучевые кратеры Луны.
N |
кратер |
d [km] |
N |
кратер |
d [km] |
N |
кратер |
d [km] |
|
1 |
Copernicus |
94 |
9 |
Anaxagoras |
55 |
17 |
Proclus |
28 |
|
2 |
Hayn |
88 |
10 |
Aristarchus |
42 |
18 |
Lalande |
27 |
|
3 |
Tycho |
87 |
11 |
Thales |
40 |
19 |
Alfraganus |
26 |
|
4 |
Jackson |
78 |
12 |
Harpalus |
36 |
20 |
Triesnecker |
25 |
|
5 |
Bullialdus |
64 |
13 |
Godin |
35 |
21 |
Lenz |
23 |
|
6 |
Cavalerius |
62 |
14 |
Kepler |
32 |
22 |
Lichtenberg |
23 |
|
7 |
Aristillus |
58 |
15 |
Menelaus |
29 |
23 |
Giordano Bruno |
20 |
|
8 |
Ohm |
57 |
16 |
Medler |
28 |
24 |
Messier A |
13 x 11 |
Класс 7. "Импактный ров
" - ударное образование на поверхности по преимуществу малых небесных тел, вызванное касательным ударом кометы или астероида (рис. 21). На больших планетах такие образования практически не встречаются из-за высокого уровня гравитации, торможения и полной сублимации комет пологой траектории в атмосфере. Доля импактных долин на Луне по каталогу [10] составляет около 0.3% объектов, а на астероидах до 10% из-за формирования одним и тем же ударником, имеющим эллиптическую орбиту с малой осью равной диаметру астероида, многих рвов многократным касанием поверхности астероида.Современная астрофизика, приняв за догмат образование при ударе метеоритов лишь круглых кратеров, считает такие образования тектоническими, а ударную природу таких рвов - наивной. Реально - всё наоборот. Для тектонического образования таких рвов нет таких тектонических движений, а кометы имеют возможность пролетать поверхность Луны касательно, так как у Луны нет атмосферы. При углах контакта кометы с поверхностью, близких к касательной, она взрывается по частям, разрушаясь за достаточно длительное для образования рва время. Происходит задержанный взрыв, при котором ее легкоплавкие и непрочные борта отделяются и взрываются позади основного тела кометы, не успевая разрушать его. Тело кометы продвигается дальше, пока не будет полностью
"состругано".На рисунке 21b показана Альпийская долина (Vallis Alpes), имеющая длину 200 км. Фото отчетливо показывает, что разрушение кометы шло по нарастающей справа налево за время порядка 5 - 10 сек. Почти в конце долины произошло окончательное, взрывное разрушение легкоплавкой компоненты кометы, образовавшей круглое урочище, после которого идет лишь узкая щель пробитая тугоплавким керном кометы.
Рис. 21. Импактные рвы - своеобразные следы комет-снеговиков, прокатившихся по рыхлым реголитовым осадочным породам Луны [6]. Справа Vallis Alpes.
Класс 8. Расплавная долина - русло реки расплава, образованное выплавлением реголитовой почвы высокотемпературным расплавом базальта, истекающим из трубки взрыва.
Примеры таких долин мы наблюдаем вблизи сквозного кратера Аристарх (рис.20). В отличие от газообильной лавы, истекающей из входного отверстия трубка взрыва в центре морей, этот расплав не содержит растворенных газов. Поэтому он обладает высокой плотностью и удельной теплоемкостью достаточной для проплавления поверхностного реголитового слоя и формирования русла, широкой долины прорезанной до плотного подпочвенного слоя базальта.
|
|
 |
