撞擊坑

撞擊坑

隕石坑(meteorite crater)(較大的隕石坑又稱環形山)是行星、衛星、小行星或其它天體表面通過隕石撞擊而形成的環形的凹坑。隕石坑的中心往往會有一座小山,在地球上隕石坑內常常會充水,形成撞擊湖,湖中有一座小島。

  • 中文名稱
    隕石坑
  • 外文名稱
    meteorite crater
  • 別名
    較大的隕石坑又稱環形山
  • 形成原因
    通過隕石撞擊而形成的環形的凹坑
  • 附帶產物
    撞擊湖
  • 隕石坑作用
    可確定相應的表面地區的形成年代

​基本簡介

撞擊坑(impact crater),又稱隕石坑,是行星衛星小行星或其它天體表面通過隕石撞擊而形成的環形的凹坑。撞擊坑的中心往往會有一座小山,在地球上撞擊坑內常常會充水,形成撞擊湖,湖心則有一座小島。

在具有風化過程的天體上或者具有地殼運動的天體上老的撞擊坑會逐漸被磨滅。比如在地球上通過風化、風吹來的塵沙的堆積、岩漿撞擊坑會被掩蓋或者磨滅。在其它天體上有可能有其它效應來磨滅撞擊坑。比如木衛四的表面是冰,隨著時間的流逝冰會慢慢流動,使得這顆衛星表面的撞擊坑消失。

在地球上約有150個大的依然可以辨認出來的撞擊坑,通過對這些撞擊坑的研究地質學家還發現了許多已經無法辨認出來的撞擊坑。幾乎所有具有固體表面的行星和衛星均帶有撞擊坑。在有些天體上撞擊坑的密度可以被用來確定相應的表面地區的形成年代。

發現歷史

丹尼爾·巴林傑是第一位將一個地球上的地質形態確認為撞擊坑的人:他指出美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑是一個撞擊坑。但是當時他的理論沒有獲得很多支持者,當時大多數地質學家認為地球上沒有遺留下來的撞擊坑。

1920年代美國地質學家沃爾特·布克(Walter H. Bucher)研究了美國境內的一系列環形山,最後他認為這些環形山是有巨大的爆炸事件造成的,但是他認為這些爆炸事件是強烈的火山爆發造成的。但是1936年其他地質學家得出結論認為這些環形山可能是由撞擊造成的。

撞擊坑

這個問題一直到1960年代依然未完全解決,這個時期的一系列研究,尤其是尤金·蘇梅克的詳細研究提供了明確的證據證明這些環形山是由撞擊形成的,這些研究確認了一系列隻有通過撞擊才會產生的沖擊變態,其中最知名的是沖擊石英

使用這些研究所獲得的新的判斷手段一些地質學家開始在全世界尋找撞擊坑,到1970年他們已經初步斷定了50多個撞擊坑。

雖然如此他們的結果依然很有爭議。但是當時正在進行的阿波羅計畫給科學家提供了直接的月球上的撞擊坑的資料。月球上的風化極小,因此其表面的撞擊坑幾乎可以無限長地保留著。由于地球與月球上的撞擊坑密度應該相差不多,因此這些資料明顯地顯示了地球上應該有更多的撞擊坑。

地球上已知的撞擊坑的形成時間從在約1000年前到20億年以前。不過二十億年以前的撞擊坑很少找到,因為地質過程將大多數老的撞擊坑磨滅了。大多數已知的撞擊坑位于大陸內部比較穩定的地區。水面以下海底的撞擊坑很少被找到。首先因為水下勘探依然比較困難,其次因為海底的撞擊坑也比較容易被磨滅或者通過板塊運動潛沉到地球內部。

目前的估計是現在約每一百萬年在地球上會形成一至三個直徑超過20千米的撞擊坑。按照這個估計目前在地球表面還有許多沒有被發現的年輕的撞擊坑。

形成結構

在地球上撞擊坑形成的條件是一個物體以11.6km/s的速度從外空與地球相撞。在這個過程中這個物體的動能轉換為熱能,重的隕石釋放出來的能量可以達到相當于上千噸TNT爆炸所釋放出來的能量,這個能量級相當于核爆炸所釋放出來的能量。目前地震儀平均約每年紀錄到一次大于一千噸TNT能量的撞擊,這些撞擊一般發生在大洋中。

撞擊坑

假如隕石的質量超過1000噸的話大氣層基本上對它沒有減速的作用。隕石表面的溫度和壓力會非常高。球粒隕石和碳質球粒 隕石在這種狀況下會在它們與地面撞擊以前就被破壞,但是鐵-鎳金屬隕石的結構足夠強,可以與地面撞擊造成巨大霹靂。

當隕石與地面相撞時它將當地的空氣岩石壓縮為極熱的電漿。這個電漿相外快速擴張,並迅速冷卻。它與其它被投射的物件以軌道或近軌道速度被拋出。它們甚至可以完全脫離地球的引力,有些甚至可以在其它行星表面成為隕石墜落。沒有空氣的天體表面往往還可以看到從撞擊坑相外輻射的外拋物留下的痕跡。不過在此應該提到的是關于這些輻射線的產生原理還有其它、非撞擊的理論。

在電漿內部非常高能的化學反應會發生,比如在地球上鹽水和空氣可以合成非常強的酸。電漿內氣化的岩石會凝結成水滴形的似曜岩,這些似曜岩可以分布到撞擊點周圍很大的範圍裏。但是也有人認為似曜岩不僅僅是撞擊產生的。比如世界上最大和最年輕的似曜岩區(位于澳大利亞周邊,約70萬年)就缺乏一個撞擊坑。假如這裏的似曜岩的確是由于撞擊所形成的,那麽這麽大的一個撞擊坑肯定不會再過去一百萬年中被磨滅。

海上撞擊所造成的危害比陸上撞擊的要大得多。大的隕石可以一直沖到海底,在海上造成巨大的海嘯。據計算尤卡坦希克蘇魯伯的撞擊造成了50至100米高的海嘯,在內陸數千米處形成了堆積。

不論是在陸上還是海上撞擊的結果總是一個撞擊坑。撞擊坑有兩種形式:“簡單”的和“復雜”的。巴林傑隕石坑是一個典型的簡單撞擊坑,它就是地面上的一個坑。簡單的撞擊坑直徑一般都小于四千米。

復雜的撞擊坑一般比較大,中央有一個中心山,周圍環繞著溝,還有一或多個邊。中心山是由于撞擊後地下的反射造成的。這樣的撞擊坑有點像凍結在地面上的滴入水池裏的水滴。

不論是簡單的還是復雜的撞擊坑其大小決定于隕石的大小以及撞擊處的物質。比較松軟的物質所形成的撞擊坑比比較脆的物質所形成的撞擊坑要小。撞擊坑的大小和形狀隨時間變化。剛剛形成的撞擊坑由于散熱而收縮。在地球表面隨時間的延續風化以及其它地質過程將撞擊坑掩藏起來了。巴林傑隕石坑是地球上儲存最好的撞擊坑之一,但是它隻是在約五萬年前形成的。而6500萬年老的希克蘇魯伯撞擊坑雖然是地球上最大的撞擊坑之一,但是在地球表面上已經看不到它的痕跡了。

有些火山口看上去像撞擊坑,而大理石除可以通過撞擊形成外也可以通過其它過程形成。不爆炸性的火山口一般很容易與撞擊坑區分,因為它們形狀不規則,而且還有岩漿流和其它火山物質。隻有金星上的撞擊坑也有融化的物質流淌。

撞擊坑最不同的標志是岩石受到的沖擊變態如碎裂屑錐、熔化的岩石和晶體變形。比較困難的是至少在簡單的撞擊坑裏這些物質比較趨向于被深埋。但是在復雜的撞擊坑裏可以在中心上射的部分找到它們。

主要特征

撞擊坑底部有一層“大理石化”的岩石。

碎裂屑錐,這是岩石上V形的凹坑,尤其在細粒的岩石上容易產生這樣的碎裂屑錐。不過一些學術論文報道說在火山噴射物中也有碎裂屑錐。

撞擊坑

高溫岩石比如溶化過得硬和焊在一起的沙塊、似曜岩以及溶化的岩石飛濺後形成的玻璃。不過有些學者懷疑似曜岩可以作為撞擊坑的特征。在一些火山地帶也有似曜岩被發現,此外似曜岩一般比典型的撞擊岩石要幹。撞擊後溶化的岩石類似火山岩,但是它們包含有沒有溶化的岩層的碎片,組成不尋常的、大面積的覆蓋面,它們的化學成分也比從地球深處噴出來的火山岩要復雜。此外它們往往含有在隕石中比較多的微量元素如鎳、、銥、等。

礦物中的微壓力變形。這包括石英和長石中晶體破裂、高壓物質如金剛石的形成、沖擊石英的變形如重矽石和斜矽石。

火山外地下核爆炸也會造成類似于撞擊坑的坑。事實上世界上坑最密集的地區是美國的內華達測試基地。

判定標志

根據對隕石坑現場的實際調查和對主要造岩礦物沖擊效應的研究,結合核爆炸和人工沖擊模擬試驗研究的結果。判定隕石坑的主要標志有:

①隕石坑一般為圓形構造。目前對地表數十個隕石坑探測的結果表明,它們多為圓形構造,較古老的坑由于受構造運動的影響也有呈橢圓形或腰子形的。

②大多數隕石坑都儲存有較好的坑唇,即環形山坑緣。它是由拋射物沿坑的邊緣堆積而形成的。有一些隕石坑由于形成年代老,坑唇多被侵蝕掉,有時沖擊坑本身也被剝蝕,因而不易被識別,但殘留的強形變和震裂岩石為一圓形區域這一特點仍可被辨認。

③坑底結構較復雜。坑底的岩石在受到巨大隕石轟擊後,由于應力釋放而產生一定程度的回彈,故在一些大的隕石坑底部常出現中央隆起的狀況;由于坑底岩石遭到破壞,使人工地震波的反射極不規則;重力法的測定結果表明,隕石坑為重力負異常,而火山噴發為正異常。此外,一個巨大隕石的轟擊,有可能觸發或控製深部岩漿的侵入,如加拿大著名的鎳礦床所在地──薩德伯裏構造已被證實為一個復合構造,其深部升上來的含礦岩漿重疊在大的隕石轟擊構造之上。隕石轟擊,觸發深部岩漿上升並溢出地表充填于坑內的現象,在月球表面較常見,在地球表面亦有所見。

④常有隕石碎片或鐵-鎳珠球等殘留物存在于沖擊產物中。迄今為止,還從未在任何一個地表隕石坑中挖掘出隕石沖擊體本身,然而在質量較小的隕石所轟擊形成的坑內大都能找到它的殘留物。如目前地表已找到隕石碎片的10多個沖擊坑的直徑都較小,一般隻有幾十到上百米,最大的亞利桑那隕石坑直徑為1200米。質量大的隕石,由于它高速撞擊地表後容易爆散和蒸發,極難在坑中找到其殘片。如在直徑為24公裏的裏斯坑(爆炸能量大于 10(焦耳)中至今仍未找到隕石的殘留物。但不久前在坑底岩石的粒間裂隙內發現了鐵-鉻-鎳(含少量矽和鈣)的微細粒子及細脈,認為是由氣化了的隕石沖擊體經凝聚而形成的,這也是識別隕石坑的重要標志。

⑤角礫岩和震裂錐的存在大量的角礫岩,大都是雜亂無章地與不同的岩性碎屑混合在一起。這些角礫岩含有大量熔融的或部分熔融的玻璃質擊變岩。沖擊波通過某些岩石類型時,就產生震裂錐,單個錐體的大小,從小于1釐米到15釐米或更大,頂端稍鈍,錐體項角一般為90°,表面有很多溝槽,呈馬尾構造,錐體的頂端都有指向該沖擊構造中心的趨勢。在石灰岩、白雲岩、石英岩、片麻岩和頁岩等許多岩石類型中都觀察到有震裂錐。目前在地表沖擊位置上,包括薩德伯裏構造、裏斯和施泰因海姆盆地、弗林克裏克等數十個沖擊構造中都發現了震裂錐。現已證明,震裂錐本身已能作為隕石轟擊的獨特標志(直徑4公裏以上的隕石坑才有可能出現中央錐)。

⑥礦物的沖擊效應標志。造岩礦物均顯示沖擊效應。與隕石坑有關的礦物沖擊效應為:第一,在非常高的應變率下,礦物發育有特征的微觀和亞微觀結構,如石英、長石、雲母、輝石、角閃石、橄欖石的形變、微裂隙、微頁理和扭折條帶等構造,其中石英的和等多方向的微頁理是沖擊成因的獨特標志。第二,在固態下的相轉變,如石英轉變為柯石英和超石英,以及轉變為繼形矽氧玻璃,石墨轉變為金剛石等。第三,礦物的熱分解、熔融以及出現流動構造,特別是在同一岩石中結晶體的玻璃體並存,如石英、長石已轉變為玻璃相,而深色礦物仍保留晶質相。在強沖擊情況下,玻璃體內的難熔礦物亦發生分解,如有的坑內鈦鐵礦、金剛石、鐵板鈦礦和斜鋯石等已熔成液滴狀。

研究意義

①為地球月球、水星火星及其衛星表面圓形坑和環形山構造的隕石轟擊成因假說找到依據,從而確定隕石坑的存在時間和分布情況。同時為研究巨大隕石的撞擊,對地球和其他星球的形成,原始熱和自轉軸變遷的影響,以及為研究岩漿活動,突變事件和星球演化提供寶貴的資料。

②對礦物和岩石沖擊變質的研究,將進一步豐富岩石學、礦物學、結晶學和高溫高壓地質學的內容,並為了解地幔物質性狀和物理化學特點,即為地球深部的研究提供參考依據。也可以從沖擊效應特征推定岩石受轟擊時的溫度和壓力歷史,從而對于了解地面及地下核試驗和人工爆破的威力,破壞半徑,以及對工程防護和對金剛石等礦物的合成具有一定實用意義。

③由于巨大隕石轟擊能引起地下岩漿上升、侵入和成礦,因而出現了把外來作用和地球深部作用聯系起來的新成岩成礦理論。

④研究地表隕石坑的分布形態、錐度,特別是受轟擊後的變質作用,可直接推斷隕石下降時的方向、速度、質量、以及燒蝕破裂情況,為宇宙飛船軟著陸提供依據。

各種隕石坑

法國西南部的兩個隕石坑

西南部的兩個隕石坑的直徑都在200~300千米之間,彼此之間的距離隻有140千米。這兩個隕石坑可能是2億年以前同一顆小行星撞擊的產物。 這可能是迄今為止撞擊地球的最大的小行星。

美國亞利桑那的隕石坑

美國內華達州亞利桑那隕石坑。這個隕石坑是5萬年前,一顆直徑約為30~50米的鐵質流星撞擊地面的結果。這顆流星重約50萬千克、速度達到20千米/秒,爆炸力相當于2000萬千克梯恩梯(TNT),超過美國轟炸日本廣島那顆核子彈的一千倍。爆炸在地面上產生了一個直徑約1245米,平均深度達180米的大坑。據說,坑中可以安放下20個足球場,四周的看台則能容納200多萬觀眾。

墨西哥尤卡坦隕石坑

墨西哥尤卡坦半島契克蘇勒伯隕石坑,直徑有198千米。肇事者是6500萬年前一顆直徑為10到13千米的小天體。隕石坑被埋藏在1100米厚的石灰岩底下,先被石油勘探工作者發現,隨即又被“奮進號”太空梭通過遙感技術證實了它的存在。

俄羅斯通古拉斯隕石坑

俄羅斯西伯利亞通古斯地區有隕石痕跡。1908年6月30日,目擊者看見一個火球從南到北劃過天空,消失在地平線外,地平線上隨即升騰起火焰,響起巨大的爆炸聲。爆炸之後的幾天裏,通古斯地區的天空被陰森的橘黃色籠罩,大片地區連續出現了白夜現象。調查者相信這是一顆隕石撞擊到西伯利亞所引起的爆炸。據推測,這顆直徑小于60米的小行星或者彗星碎塊闖入大氣層,在距地面8千米的上空發生了爆炸。1947年2月12日,俄羅斯遠東城市錫霍特發生與通古拉斯相似的大霹靂,發現了100多個隕石坑,收集到8000多塊鎳鐵隕石,總重量28噸多。

中國隕石與隕石坑

1490年,我國就有隕石雨砸死上萬人的記載。北京以北約200千米冀蒙交界的內蒙多倫地區,有一個超大規模的坑狀地形,極有可能就是隕石坑。這個坑具有同心環狀的“波脊丘”,一個直徑為170千米的外環和一個直徑為70千米的內環,大約形成于一億三千萬年前。1976年3月8日,我國吉林省吉林市近郊發生了大規模的隕石雨,隕落區直徑70多千米,面積在400~500平方千米之間,共收集到隕石100多塊,總重2616千克,其中“吉林1號”隕石重1770千克,是世界上最大的石隕石

戈斯峭壁

澳大利亞探險家戈斯于一八七三年發現了戈斯峭壁。最早光顧這個隕石坑的是生活在澳大利亞荒漠中的土著,坑中的營地遺址留下了他們當年活動的痕跡。像大多數類似的隕石坑一樣,戈斯峭壁也有從中心向四周輻射的地質裂縫。根據科學家對該坑形成的研究,證實它是在一億三千萬年前,遭受來自太空的撞擊形成的,撞擊物體速度極快,但密度相對較低,因而推測是彗星(由固體二氧化碳、冰塊和塵埃組成)而非小行星隕石。

最初的隕石坑直徑大約二十千米,而現在由戈斯峭壁圍合的坑徑隻有4千米,是中心坑,外圍的在億年漫長的歲月裏早已被侵蝕掉了。在坑的外邊緣有兩道堅硬的砂岩峭壁,高出平原地面一百八十米,它也是在那次彗星撞擊中形成的。地下探測表明,與之相同的岩層在地下二千米的深處,可想而知當年的撞擊有多麽強烈。

南極

有科學家提出,南極大陸極點附近的冰下有一個直徑240千米,深800米的隕石坑。六、七十萬年前,一顆小天體從這裏擊中地球,地軸方向和地球自轉速度因此發生了改變。研究者已在南極冰蓋上發現和回收到2.3萬塊隕石樣品。

塔吉克Kara Kul隕石坑

這個臨近阿富汗邊界,在帕米爾高原上的隕石坑大約在1千萬年前形成,直徑45千米。

加拿大的Clearwater Lakes隕石坑

這是一對孿生隕石坑,形成在2億9千萬年以前,可能是由分裂成兩塊的小行星同時撞擊而成。隕石坑西面的那個直徑32千米,東面的那個直徑22千米。

加拿大的Manicouagan隕石坑

隕石坑有明顯的被冰面覆蓋的環狀湖。這個隕石坑有100千米直徑,形成在2億1千萬年前。

澳大利亞Walf Creek隕石坑

位于北部沙漠中心。直徑875米,形成于30萬年以前,是一個比較年輕的隕石坑。坑邊高度位25米,坑的中心深度為50米。隕石坑裏至今還有鐵隕石氧化後的殘餘物質,以及高溫下沙粒熔化形成的玻璃物。

蜘蛛隕坑

位于澳大利亞西部,這個隕坑中央位置發現的震裂錐在一定程度上限定了蜘蛛隕坑的年代,盡管這一數值還存在很大的不確定性。美國宇航局認為形成這一隕坑的撞擊事件大約發生在9億~6億年前的新元古代時期,當時地球正經歷一次嚴重的冰凍期,被地質學家們稱作“雪球地球”。

非洲乍得湖的Aorounga隕石坑

直徑17千米,形成于2億年前。

納米比亞的Roter Kamm隕石坑

直徑2.5千米,形成于500萬年以前。

德國的隕石坑ries

有1500萬年歷史,現在已是一片茂盛的農田 。

南非的vredefort隕石坑

其直徑達到了3萬多米,其年代約為20億年。

恐龍隕石坑

恐龍是地球上出現過的最大的陸地脊椎動物。它們突然滅絕的謎團看來已經被慢慢地揭開。原因可能是因為6500萬年前有一顆小行星撞到了墨西哥尤卡坦半島上。美國最近的電腦模擬也表明了這一點。直到12年前,這個巨大的隕石坑才被發現。從2001年12月起,德國波茨坦地理研究中心開始了這方面的研究。這個天體可能以相當于100億顆核子彈的沖擊力在地球表面撞出了幾公裏深的裂縫。撞擊的碎片紛紛散落,引起了強烈地震、海嘯、大洪水和大火災。這次碰撞產生的大量灰塵和氣體混合到大氣中,遮天蔽日,使氣候出現反常。先是大火,再是冰川期,接下來又是難以忍受的炎熱。這場生態災難造成了植物群和動物群的滅絕,其中包括恐龍。

水星發現

2009年05月06日,台北時間5月6日訊息,據美國宇航局太空網報道,美國宇航局的“信使”號水星探測器新獲得的觀察資料顯示出之前從未見過的水星30%的表面。此外還發現了一個巨大的撞擊坑和古代火山的證據。照片顯示,一個巨大的撞擊坑的直徑相當于華盛頓到波士頓之間的距離。

亞利桑那州立大學地球和太空探索學校的研究人員、博士後布雷特·德尼威說:“在水星上,火山作用的過程相當重要,這太讓人興奮了,因為在‘信使’號探測器飛過水星之前我們甚至還不確定水星上的火山作用。”

撞擊坑

該研究報告發表于5月1日的《科學》雜志上,德尼威是該研究的第一作者,他在研究中描繪了“信使”號發現的水星新地圖。事實上,現在,水星表面看起來更像火星而不是月球。在水星表面上新發現的巨大的坑叫倫布蘭特坑,直徑為700多公裏。水星上的碗狀缺口可能形成于約39億年前的一次太空岩石撞擊。因為最初的地表的幾部分仍然完整,沒有象大多數坑一樣被後來的火山熔岩填滿,所以它被儲存了下來。

同樣發表在《科學》雜志上描述該撞擊坑的一篇論文的第一研究作者、史密森國家航空航天博物館地球和行星研究中心的托馬斯·沃特斯說:“這是我們第一次看到從形成起就被儲存下來的水星撞擊盆地的地貌。類似這樣的地貌通常被完全埋于火山熔岩下。”

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