Образование метеоритных кратеров - процесс мгновенный и, в противоположность многим длительным геологическим процессам, может быть смоделирован. При падении метеорита от мгновенного испарения его и пород происходит взрыв. Экспериментальные взрывы наиболее точно имитируют этот процесс.
В Советском Союзе, США и других странах проводились серии экспериментальных взрывов с детальным изучением и математическим моделированием получающихся структур. При экспериментальных взрывах в лабораториях с образованием сантиметровых кратеров были проведены ускоренные съемки. Это позволило проследить все стадии процесса.
Необходимо сказать, что ударная волна при взрывах больших энергий коренным образом отличается от волн сейсмических и звуковых. Прежде всего она не периодична, а представляет собой одиночный импульс давления. Скорость ее всегда больше скорости звука в породах и зависит от ее давления, в противоположность звуковым и сейсмическим волнам, для которых скорость является устойчивой характеристикой каждой породы. Ударная волна, кроме того, в противоположность волнам звуковым и сейсмическим, перемещает за собой среду, в которой она движется. На фронте ударной волны скачком изменяются параметры состояния и движения пород.
При падении на Землю метеорит проникает в грунт (при экспериментах говорят - в мишень), мгновенно тормозится и разогревается до высоких температур, при которых он сам и породы вокруг него плавятся и испаряются. Происходит взрыв. От точки взрыва метеорита или заряда взрывчатых веществ распространяется ударная волна, имеющая шаровидный фронт. Наверху, где слой грунта сравнительно тонок, породы сначала вспучиваются, потом появляются яркие языки плазмы. Затем кровля этого «пузыря» раскрывается во все стороны, подобно распускающемуся цветку, и тонкие края ее падают на землю в перевернутом положении (рис. 2). Эта перевернутая синклиналь на валу - один из диагностических структурных признаков экспериментальных и метеоритных кратеров.
Рис. 2. Стадии образования взрывного кратера.
а - в - 1 стадия - ударное сжатие; растекание метеорита и грунта; г - 2 стадия - экскавация и выброс грунта отраженной волной; д - 3 стадия - деформации или заполнения (1 - воронка, 2 - истинное дно, 3 - видимое дно, 4 - вал брекчии, 5 - лежачая синклиналь цокольного вала)
В нижней полусфере ударная волна образует округлую пустоту - первичный кратер, у стенок которого горные породы уплотняются и частью плавятся. Дальше волна идет по породам, сжимая их. Вслед за волной сжатия происходит падение давления до нормального, которое называется волной разрежения. В однородных породах ударная волна распространяется до тех пор, пока ее давление не достигнет предела упругости пород или сейсмического отражателя. В этот момент волна отразится. Фронт отраженной волны, идущей вверх, будет увлекать за собой породы (см. рис. 2). Когда фронт достигнет дна первичной полости, волна приподнимет породы дна в центре кратера. В мягких осадочных породах в центре кратера образуется купол, а в хрупких - центральный блок поднимется по кольцевой трещине. Иногда сначала образуется купол, а затем центральный блок поднимается по кольцевому разлому. Такая структура центрального поднятия (рис. 3, а) установлена в кратере Штейнхейм (ФРГ). Эта же отраженная волна выбрасывает из кратера вверх тучу обломков, расширяя первичную пустоту. Когда выброшенные породы упадут обратно, покрыв дно кратера и окружающую поверхность, кратер получает окончательный вид и называется видимым кратером. Воронка под брекчией называется истинным кратером.
Рис. 3. Глубинные деформации метеоритных кратеров.
а - кратер Штейнхейм (D = 3 км). Видна антиклинальная структура центрального поднятия и разлом по его периферии, маркируемый на местности источниками радоновых вод; б - Аризонский (D = 1,2 км). Под кратером образована зона дробления, раздув которой имеет диаметр кратера (1 - аллогенная брекчия, 2 - подкратерная зона дробления, 3 - ненарушенные породы); в - астроблема Госез-Блаф в осадочных породах (2). В раздробленных породах прослеживается пикообразная антиклиналь, в основании которой находится увеличенный в мощности пласт 3. Судя по ширине раздува зоны дробления (1), диаметр кратера был около 7 км
Дж. О'Киф и Д. Аренс предлагают такую последовательность процесса образования взрывного кратера:
1) заглубление в земные породы и торможение метеорита,
2) взрыв и рост первичной полости,
3) стадия экскавации - выброс отраженной волной из кратера раздробленных и расплавленных пород,
4) стадия деформации - обрушение стенок и выполаживание кратера при упругом распрямлении земной коры в его центре (релаксация).
Первые три этапа проходят в доли секунды или в секунды, а длительность четвертого этапа в крупных структурах очень велика (десятки и сотни миллионов лет).
Под кратером возникает полусферическая зона трещиноватости (см. рис. 3, б, в) с диаметром примерно равным диаметру видимого кратера. Вокруг кратера зона трещиноватости выклинивается примерно на расстоянии 2 радиусов от центра. На фоне беспорядочно трещиноватых пород могут образоваться кольцевые разломы и кольцевые грабены, иногда серия концентрических нарушений.
В лунных морях, которые являются крупными метеоритными структурами, отмечено чередование кольцевых гор (на Луне они названы кордильерами) и понижений между ними - нескольких концентрических колец, поэтому структуры названы мультиринговыми (многокольцевыми). Противники метеоритного происхождения мультиринговых структур часто ссылались на то, что невозможно представить, чтобы несколько метеоритов попали точно в центр кольцевой системы.
В конце 70-х годов в США в обводненных речных отложениях был создан взрывной экспериментальный кратер Прерия-Флэт диаметром 85,5 м. В нем сразу после взрыва образовалась система «кордильер» и кольцевых понижений между ними (рис. 4), а по границе внутренней кордильеры после взрыва произошло нечто вроде вулканических извержений, при которых был выброшен белый песок с паром. Эти белые вулканчики хорошо видны на рис. 4. Кордильеры кратера Прерия-Флэт оказались горстами, понижения - грабенами. Этот пример доказал с совершенной несомненностью, что для образования мультиринговой структуры достаточно одного приповерхностного взрыва.
Для того чтобы понять, что происходит с кольцевыми грабенами после взрыва, обратимся к древним метеоритным структурам. Структура Карсвелл-Лейк (Канада) выглядит как круглое поле древних архейских гнейсов среди более молодых песчаников протерозоя. Диаметр круга 16 км. Границей его является кольцевой разлом. Внешнюю часть структуры диаметром 32 км составляют дуговые желоба, заполненные сланцами силура и частично занятые озерами (рис. 5). Силурийские сланцы у разломов в грабенах раздроблены и смяты в складки, т. е. подвижки происходили после их образования. С момента образования кратера в протерозое до отложения силурийских сланцев прошли сотни миллионов лет. В структуре Лабынкыр (см. ниже) грабены активно опускаются примерно в течение 70 - 80 млн. лет. Следовательно, земная жизнь нарушений, созданных метеоритными взрывами, очень длительна.
К настоящему времени не только на Луне, но и на Земле открыт ряд мультиринговых структур. Это Маникуаган, Карсвелл-Лейк, Клирвотер и др. в Америке, Лабынкыр в Советском Союзе, структура Росса в Антарктике и др.
Основы математической теории кратерообразования заложили К. П. Станюкович и В. В. Федынский. Ими была выведена зависимость диаметра кратера от энергии метеорита. При массе m и скорости метеорита v энергия E = mv²/2, R = E1/3. Кроме энергии, диаметр (2R) кратера зависит и от других причин. По данным Б. А. Иванова, при образовании малых кратеров главную роль играет прочность пород. Он называет их прочностными кратерами. Для более крупных структур, начиная с километровых, большое значение приобретает сила гравитации. Математически это выражается так (при R в см, Е - в Дж): для прочностных кратеров Е = R³, т. е. R = Е1/3, а для гравитационных Е = gR4. Следовательно, в первых энергия, идущая на кратерообразование, растет пропорционально R³, а в гравитационных - пропорционально R4.
Кроме того, на планетах с большей силой гравитации при той же Е метеорита диаметр кратера будет меньше, чем на малых телах. Тип процесса образования кратера зависит и от грунта мишени. В сыпучих грунтах кратеры, начиная от размеров в несколько сантиметров, образуются уже по гравитационному типу. В суглинках прочностной режим сменяется гравитационным при D 60 м, в скальных породах - примерно с D 100 м.
Казалось бы, при мощных метеоритных взрывах часть материала выбросов может вырваться за пределы поля тяготения планеты и улететь. Но, по расчетам Б. А. Иванова, для потери планетой выбросов из кратера нужны очень большие скорости соударения и малые скорости убегания (вторые космические скорости). Для Луны, где скорость убегания 3,5 км/с, выбросы кратеров могут улететь в космос только при скорости падения метеорита 28 - 30 км/с, которая в общем-то редка. Для Земли со второй космической скоростью 11,2 км/с скорость метеорита должна быть около 100 км/с, что почти нереально, так как обычные скорости падения колеблются в пределах 5 - 25 км/с.
Этот вывод очень важен для решения одной из геологических загадок нашей планеты. В ряде районов Земли в почвах или рыхлых отложениях находят многочисленные округлые стекляшки размером 2 - 5 см - тектиты. По составу это силикатное стекло, но соотношения элементов в нем отличаются от их соотношений в земных породах. Иногда на поверхности тектитов видны следы аэродинамической обработки. Предполагали и космическое, и лунное их происхождение, но на основании сказанного выше вряд ли правильно искать источник тектитов вне Земли.
В заключение хотелось бы остановиться на двух вопросах. Первый, часто задаваемый геологами, - почему метеоритные кратеры круглые, ведь при косом ударе должны были образовываться овалы?
Малые ударные кратеры, когда взрыва нет и не образуется высокоскоростная ударная волна, действительно иногда имеют овальную форму. Форма взрывных структур образуется иначе. Под каким бы углом ни вошел метеорит в грунт, он взорвется и форма взрывной волны будет близка к шаровидной, а кратерная воронка в плане будет изометрична. При однородных породах это будет круг. Неоднородности пород и, прежде всего, системы доударных разломов могут несколько исказить форму кратера. Некоторые взрывные метеоритные кратеры австралийского поля Хенбери и знаменитый кратер Аризона (США) имеют в плане очертания, приближающиеся к квадратным, и вызвано это, как считают, расположением доударных региональных трещин.
Второй вопрос - образование центральных поднятий. В геологической литературе часто пишут, что центральные поднятия образуются у кратеров начиная с диаметра 3 км, а кольцевые - у структур значительно большего размера. Однако центральные поднятия наблюдаются и в 50-метровых экспериментальных кратерах, и в крупных природных структурах (например, в Карском кратере диаметром 50 км), а кольцевые поднятия образовались в экспериментном кратере Прерия-Флэт. (диаметр 87 м) и в кратере Рис (диаметр 25 км). Это говорит о том, что появление центральных и кольцевых поднятий, по-видимому, зависит не от размера кратера, а от каких-то других причин.
Все эти разногласия свидетельствуют о том, что теория процесса кратерообразования может быть разработана только на основе многочисленных геологических наблюдений в природных структурах, проводимых совместно с экспериментальными и математическими работами. К такому же выводу подошли участники семинара по механике образования импактных структур, проведенного в МГУ.
