Как возникают кратеры
Прежде чем мы выясним, где находится самый большой кратер на Земле, нам надо разобраться в механизме их возникновения. Ведь с момента падения больших метеоритов прошли сотни лет, и многие кратеры открывают только сейчас по круглым очертаниям ландшафта со спутников или анализируя состав минералов на месте падения.
Главный момент — кратеры в сотни раз больше метеоритов, оставивших их. Все дело в том, что падение космического тела на громадной скорости высвобождает колоссальную энергию — самые массивные, плотные и быстрые метеориты, падавшие на Землю, в сотни раз мощнее самой сильной ядерной бомбы.
Механизм образования кратера
Ударная волна создает давление в миллионы атмосфер, а температура в эпицентре контакта выше чем на поверхности Солнца — 15.000° С!
От такого накала породы моментально испаряются и превращаются в плазму, которая взрывается и разносит остатки метеорита и разрушенных пород на сотни километров.
В горячей кузнице кратера расплавленные скалы ведут себя как жидкости — в центре удара образуется небольшая горка (вроде той, которая поднимается на воде во время падения капли), и даже если метеорит ударил под острым углом, очертание кратера будет неизменно круглым. А давление порождает особые породы — импактиты (от англ. “impact” — отпечаток, удар). Они очень плотные, содержат в себе метеоритное железо, иридий и золото, и часто принимают кристаллические и стеклянные формы.
По этим следам ученые и ищут кратеры. И когда некоторые видны и не специалисту, то другие становятся сенсациями — люди веками живут в чашах кратеров и не догадываются об этом!
Формирование кратера
Образование ударного кратера
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 твёрдой 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 создаёт колоссальное 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. В этот расплав попадают и твердые обломки метеорита. В результате после остывания и затвердевания на дне кратера образуется слой импактита (от англ. impact — «удар») — горной породы с весьма необычными геохимическими свойствами. В частности, она весьма сильно обогащена крайне редкими на Земле, но более характерными для метеоритов химическими элементами — иридием, осмием, платиной, палладием. Это так называемые сидерофильные элементы, то есть относящиеся к группе железа (греч. σίδηρος).
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.
При сильных столкновениях твёрдые породы ведут себя подобно жидкости. В них возникают сложные волновые гидродинамические процессы, один из характерных следов которых — центральные горки в крупных кратерах. Процесс их образования подобен появлению капли отдачи при падении в воду небольшого предмета. При крупных столкновениях сила взрыва столь велика, что выброшенный из кратера материал может даже улететь в космос. Именно так на Землю попали метеориты с Луны и с Марса, десятки которых обнаружены за последние годы.
Пиковые значения давлений и температур при столкновении зависят от энерговыделения, то есть скорости небесного тела, при этом часть выделившейся энергии преобразуется в механическую форму (ударная волна), часть — в тепловую (разогрев пород вплоть до их испарения); плотность энергии падает при удалении от центра соударения. Соответственно, при образовании астроблемы диаметром 10 км в граните соотношение испарённого, расплавленного и раздробленного материала составляет примерно 1:110:100; в процессе образования астроблемы происходит частичное перемешивание этих преобразованных материалов, что обуславливает большое разнообразие пород, образующихся в ходе ударного метаморфизма.
Согласно международной классификации импактитов (International Union of Geological Sciences, 1994 г.), импактиты, локализованные в кратере и его окрестностях, делятся на три группы (по составу, строению и степени ударного метаморфизма):
- импактированные породы — горные породы мишени, слабо преобразованные ударной волной и сохранившие благодаря этому свои характерные признаки;
- расплавные породы — продукты застывания импактного расплава;
- импактные брекчии — обломочные породы, сформированные без участия импактного расплава или с очень небольшим его количеством.
Определение слова «Кратер» по БСЭ:
Кратер — Кратер (греч. kratē.r, от kerбnnymi — смешиваю)античный сосуд из металла или глины для смешивания вина с водой. К. имеет широкое горло, большое, вместительное тулово, 2 ручки и ножку. Глиняные К. 9-5 вв. до н. э. украшались росписями, металлические — рельефами. Существовали также мраморные К. с рельефами.
Кратер — Кратер (от греч. kratē.r — большая чаша)чашеобразное или воронковидное углубление диаметром от десятков м до нескольких км и глубиной от нескольких м до сотен м. К. образуются при вулканических извержениях, в результате падения метеоритов и при крупных искусственных взрывах. Вулканические К. обычно расположены на вершинах или склонах вулканов. На дне К. находятся одно или несколько жерл, через которые на поверхность поступают лава и др. вулканические продукты, поднимающиеся из магматического очага по выводному каналу. Иногда дно К. перекрыто лавовым озером или небольшим новообразованным вулканическим конусом.Лунные и марсианские К. — округлые впадины, окруженные кольцевыми валами. диаметром до 100-200 км, глубина до нескольких км. среди них различаются К., образованные при падении метеоритов и астероидов, и К. вулканического происхождения (сходные с земными вулканическими К. и Кальдерами).
Немного истории
Известно, что Галилей впервые обнаружил лунные образования при помощи сделанного им телескопа (небольшого, примерно трехкратного увеличения). Он же и присвоил явлению название – кратер. Это определение осталось в научном обиходе и по нынешний день. А вот мнения ученых по поводу происхождения кратеров кардинально менялись: от воздействия космического льда и вулканического формирования до «ударного». Современная наука с точностью определяет последнее как способ происхождения подавляющего большинства кратеров на Луне. Кстати, подобные образования обнаружены и на других планетах нашей системы, например, на Марсе.
Эрозия кратеров
Кольцевая структура Вальхалла на Каллисто.
Кратеры постепенно разрушаются в результате эрозии и геологических процессов, изменяющих поверхность. Наиболее интенсивно эрозия происходит на планетах с плотной атмосферой. Хорошо сохранившийся Аризонский кратер имеет возраст не более 50 тыс. лет.
В то же время, имеются тела с очень низкой кратерированностью и при этом почти лишённые атмосферы. Например, на Ио поверхность постоянно изменяется из-за извержений вулканов, а на Европе — в результате переформирования ледяного панциря под воздействием внутренних процессов. Кроме того, на ледяных телах рельеф кратеров сглаживается в результате оплывания льда (в течение геологически значимых промежутков времени), поскольку лёд пластичнее горных пород. Пример древнего кратера со стёршимся рельефом — Вальхалла на Каллисто. На Каллисто обнаружен ещё один необычный вид эрозии — разрушение предположительно в результате сублимации льда под воздействием солнечной радиации.
Возраст известных земных ударных кратеров лежит в пределах от 1000 лет до почти 2 млрд лет. Кратеров старше 200 млн лет на Земле сохранилось крайне мало. Ещё менее «живучими» являются кратеры, расположенные на морском дне.
Как образуется вулканический кратер?
Кратер возникает от того, что:
— порции запертых газов, вырвавшись из жерла, резко увеличивают объём, другими словами – происходят взрывы. Они буквально «разносят» верхнюю часть канала, вырывая из его стенок куски породы;
— раскалённая магма расплавляет и уносит слои стенок на верхушке жерла;
— часть материала оплавленных стенок соскальзывает внутрь жерла;
— то, что осталось от верхушки, проседает над опустевшим жерлом.
Иногда проседание охватывает большую площадь, и кратер превращается в котловину глубиной в сотни метров и диаметром в десятки километров. Такую впадину называют кальдерой. Кратеры могут появляться и на склонах вулкана – там, где газы и лава вырываются наружу из трещин.
Обычно кратер имеет размеры от нескольких метров до 1,5 км, но есть и великаны. Например, африканский кратер Нгóронгóро в Танзании. От краёв до дна чаши – 610 м, а диаметр её колеблется в пределах 17–21 км. В ней можно было бы свободно разместить город размером с Оренбург.
Как люди используют кратеры?
В огромных чашах потухших вулканов люди просто живут. В городе Аден (Йемен) есть жилой квартал Кратер, расположенный именно в вулканическом кратере. В кратере на острове Оаху размещалась первая военная база США на Гавайях; позднее в её помещениях снимали американский сериал «Остаться в живых».
В кратерных озёрах ловят рыбу. Когда озеро в кратере мексиканского вулкана Ксико начало пересыхать, власти осушили его, раздали землю рыбакам и те превратились в фермеров. Вулканическая почва оказалась очень плодородной, на склонах кратера вырос целый город.
Кратеры спящих вулканов становятся местом добычи полезных ископаемых. На острове Итуруп (Курилы, Россия), в кратере вулкана Кудрявый планируют построить мини-завод по добыче ценного металла рения из вулканических газов. А в кратере вулкана Иджен (остров Ява), на 200-метровой глубине, добывают серу. Её ярко-жёлтые куски откалывают ломами, грузят в корзины, поднимают наверх и несут за три километра на приёмный пункт у подножия горы.
Многие кратеры – объект паломничества туристов. Экстремалы спускаются в кратеры с огненными озёрцами лавы, пробираясь сквозь брызги кислоты и облака сернистых газов. В исландском «Кратере трёх вершин» установлен подъёмник. Он доставляет туристов в сердце вулкана – камеру высотой с 40-этажный дом, когда-то заполненную магмой. Ради рекламы здесь даже проводят концерты!
Геологическое строение
Астроблема Мьёльнир (Норвегия, диаметр 40 км), сейсмические данные.
Особенности строения кратеров определяются рядом факторов, среди которых основными являются энергия соударения (зависящая, в свою очередь, от массы и скорости космического тела, плотности атмосферы), угол встречи с поверхностью и твёрдость веществ, образующих метеорит и поверхность. В случае Земли метеориты массой свыше 1000 тонн практически не задерживаются земной атмосферой; метеориты меньшей массы существенно тормозятся и даже полностью испаряются, не достигая поверхности или не создавая кратеров на поверхности.
При касательном ударе (если угол падения менее 8 градусов) возникают эллиптические (вытянутые кратеры). На данный момент нет примеров подобных кратеров на Земле. Ранее ошибочно подобным примером считалось кратерное поле Рио Кварта в Аргентине (Rio Cuarto Impact Crater), оказалось, что это геологическое образование вытянутой формы, которое находится в регионе, где ранее выпадал крупный метеорит. Но данные события ни как не связаны между собой. Так же в данном районе Аргентины большое число подобных геологических образований, но только эти связывали ранее с метеоритным происхождением только по причине совпадения места падения более раннего метеорита и участка эрозии на грунте.
Структура обычного и крупного кратеров.
При направлении столкновения, близком к вертикальному, возникают округлые кратеры, морфология которых зависит от их диаметра. Небольшие кратеры (диаметром 3—4 км) имеют простую чашеобразную форму, их воронка окружена валом, образованным задранными пластами подстилающих пород (цокольный вал), перекрытым выброшенными из кратера обломками (насыпной вал, аллогенная брекчия). Под дном кратера залегают аутигенные брекчии — породы, раздробленные и частично метаморфизированные при столкновении; под брекчией расположены трещиноватые горные породы. Отношение глубины к диаметру у таких кратеров близко к 1⁄3, что отличает их от кратерообразных структур вулканического происхождения, у которых отношение глубины к диаметру составляет около 0,4.
При больших диаметрах возникает центральная возвышенность над точкой удара (в месте максимального сжатия пород). При ещё бо́льших диаметрах кратера (более 14—15 км) образуются кольцевые поднятия. Эти структуры связаны с волновыми эффектами (подобно капле, падающей на поверхность воды). С ростом диаметра кратеры быстро уплощаются: отношение глубина/диаметр падает до 0,05—0,02.
Размер кратера может зависеть от мягкости поверхностных пород (чем мягче, тем, как правило, меньше кратер).
На космических телах, не обладающих плотной атмосферой, вокруг кратеров могут сохраняться длинные «лучи» (образовавшиеся в результате выброса вещества в момент удара).
При падении крупного метеорита в море могут возникать мощные цунами (например, Юкатанский метеорит, согласно расчётам, вызвал цунами высотой 50—100 м). На диссипацию энергии при его движении от поверхности до дна оказывает влияние глубина моря в месте падения, а также его скорость, размер и плотность. В случаях, когда высвобожденной энергии достаточно для формирования подводного кратера, при тех же параметрах столкновения он характеризуется меньшей глубиной по сравнению с наземными кратерами. Индуцируемая в водной толще ударная волна оставляет специфические следы, которые можно наблюдать в морских отложениях в районе столкновения как при отсутствии кратера, так и в случае его исчезновения после столкновения в результате эрозии (см. например Элтанинский метеорит).
У старых астроблем видимая структура кратера (горка и вал) зачастую разрушена эрозией и погребена под наносным материалом, однако по изменениям свойств подстилающих и перенесённых горных пород такие структуры достаточно чётко определяются сейсмическими и магнитными методами.
Отчего в кратерах часто образуются озёра?
Это не удивительно: талые и дождевые воды, попав в кратер, не могут из него вытечь. А если он глубок, пополнение водоёма идёт быстрее, чем испарение с его поверхности. Глядя на такие озёра, поневоле вспоминается история термина: древние греки называли кратерами широкогорлые объёмистые чаши для смешивания воды и вина.
Кратерные озёра могут подогреваться подземным теплом. По трещинам на дне в воду из недр Земли поступают вещества, которые влияют на её свойства. Так, на индонезийском острове Флорес в кратере вулкана Келимуту плещутся сразу три озера, причём два из них разделены тонкой перегородкой. Несмотря на соседство, у каждого озера свой цвет и от года к году он меняется независимо от цвета воды у озёр-соседей.
Предполагают, что это связано с разным набором горных пород дна или проникающих сквозь него газов. Одни туристы застают озёра как красное, зелёное и голубое, другие – чёрное, бирюзовое и коричневое. Красочный кратер был удостоен особой чести: он изображён на местной купюре в 5000 рупий.
История вопроса
Аризонский кратер Берринжера.
Одним из первых учёных, связавших кратер с падением метеорита, был Дэниел Бэрринджер (англ.) (1860—1929). Он изучал ударный кратер в Аризоне, ныне носящий его имя. Однако в то время эти идеи не получили широкого признания (как и тот факт, что Земля подвергается постоянной метеоритной бомбардировке).
В 1920-е годы американский геолог Уолтер Бачер, исследовавший ряд кратеров на территории США, высказал мысль, что они вызваны некими взрывными событиями в рамках его теории «пульсации Земли».
В 1936 году геологи Джон Бун и Клод Албриттон продолжили исследования Бачера и пришли к выводу, что кратеры имеют импактную природу.
Теория ударного происхождения кратеров оставалась не более чем гипотезой вплоть до 1960-х годов. К этому времени ряд учёных (в первую очередь Юджин Шумейкер) провели детальные исследования, полностью подтвердившие импактную теорию. В частности, были обнаружены следы веществ, называемых импактитами (например, ), которые могли образоваться только в специфических условиях импакта.
После этого исследователи стали целенаправленно искать импактиты, чтобы идентифицировать древние ударные кратеры. К 1970-м годам было найдено около 50 импактных структур. На территории России первой найденной астроблемой стал Пучеж-Катунский кратер 80-километрового диаметра, локализованный в 1965 году в 80 км севернее Нижнего Новгорода.
Космические исследования показали, что ударные кратеры — самая распространённая геологическая структура в Солнечной системе. Это подтвердило тот факт, что и Земля подвергается постоянной метеоритной бомбардировке.
