Метеоритные кратеры на Земле и в космосе

Мало кто не знает о том, что Луна покрыта кратерами. А вот про то, что кратерами от ударов метеоритов покрыта и Земля, знают уже не все. В этой статье я расскажу о метеоритных кратерах вообще и на Земле — в частности.
На КДПВ — Фобос


Две гипотезы о лунных кратерах
В 1609 году Галилей, который только что изобрел телескоп, направил его на Луну. Ландшафты Луны оказались непохожи на земные: ее покрывали окруженные кольцевыми горными цепями чашеобразные впадины самых различных размеров. Галилей не смог объяснить природу этих образований, но дал им название, выбрав в качестве него название греческой чаши для вина. С тех пор они известны нам, как кратеры.
В конце XVIII века Иоган Шретер выдвинул предположение о том, что кратеры на Луне являются следствием происходивших там мощных вулканических извержений взрывного характера. Такое взрывное извержение приводило бы не к образованию вулканической постройки — правильного конуса, а напротив, воронки, окруженной валом. На Земле известно множество подобных вулканов — они называются кальдерами и на самом деле несколько напоминают лунные кратеры.
В противовес этой гипотезе, быстро получившей в науке статус общепризнанной, Франц фон Груйтуйзен в 1824 году сделал предположение о метеоритном происхождении кратеров. Слабым местом этой теории было то, что она не могла объяснить то, что почти все кратеры имеют форму правильного круга, тогда как при косом падении кратер должен был бы получиться овальным и такие овальные кратеры должны были бы преобладать. Из-за этого долгое время эта теория не пользовалась популярностью.
Лишь в первой половине XX века, в связи с развитием представлений о явлениях, происходящих при высокоскоростных ударах (которые были крайне важны в военной сфере), стало ясно, что данное слабое место метеоритной теории — мнимое. Столкновение при космических скоростях приводит к взрыву, в ходе которого метеорное тело и породы поверхности планеты в месте удара мгновенно испаряются и система «забывает» о направлении прилета метеороида. Дальнейшее расширение газов и паров и распространение ударных волн происходит во все стороны одинаково, что и формирует кратер круглой формы независимо от направления траектории тела. Данный процесс в 1924 году впервые качественно описал новозеландский астроном А. Джиффорд, а затем теория была развита советским ученым К.П. Станюковичем, который на момент первой публикации в 1937 году был еще студентом.

(из кн.: Хрянина Л.П. Метеоритные кратеры на Земле. М.: Недра, 1987. C. 16.)
А межпланетные космические полеты забили последний гвоздь в гипотезу о вулканическом происхождении лунных кратеров — оказалось, что почти одинаково густо усеяны кратерами и Меркурий, и древние участки поверхностей спутников Юпитера и Сатурна, и даже крохотные марсианские спутники Фобос и Деймос, у которых сложно было бы даже предположить вулканическую активность. Интенсивность и характер последней должен существенно зависеть от строения недр космического тела, его массы и размера, но на плотности кратеров они никак не отражались. Выходило, что причина их появления была не внутри, а вне планет. И эта причина — метеоритная бомбардировка.

Метеоритные кратеры на Земле

Тем более, что не только на других планетах нашлись метеоритные кратеры. Кольцевые структуры, похожие на лунные, были известны и на Земле, а с развитием аэро-, а затем и космофотосъемки их стали открывать десятками. К настоящему времени их известно более 160 штук.

Так, давно известен кратер в Аризоне. Впервые его геологическое описание сделал А.Э. Фут в 1891 году. Он обнаружил необычное образование, которое представляет собой впадину диаметром 1200 метров с очень крутыми обрывистыми склонами, окруженную валом высотой 30-65 м. При этом глубина кратера составляет 180 м и его дно находится значительно ниже окружающей равнины. Но главная странность состояла в том, что никаких признаков вулканической деятельности в кратере не было — ни лавы, ни туфа. Один известняк, слои которого были вывернуты и опрокинуты в обратном порядке на вал, а внутри кратера искорежены, раздроблены, а то и размолоты в муку. Индейцы называли эту воронку Каньоном Дьявола и находили в ней самородное железо, которое использовали для своих целей, что заставило предположить метеоритное происхождение воронки. А.Э. Фут во время своей экспедиции нашел в трех километрах от кратера глыбу метеоритного железа массой 91 кг. В процессе последующих исследований в кратере найдено большое количество метеоритного вещества — от мелких частиц, образовавшихся при конденсации пара, до крупных кусков железа. Характерны для Аризонского кратера шары сильно окисленного размером с пушечное ядро скорлуповатого строения. Они образовались в процессе плавления, испарения и конденсации метеороида в момент удара. Общую массу металла, находящуюся в кратере, в результате геофизических исследований оценили в десятки тысяч тонн. Это (за исключением некоторого количества практически неизмененных метеоритных осколков) — глубоко переплавленный металл, потерявший исходную характерную структуру метеоритного железа. Кроме него, был найден вспученный и вспененный стекловидный материал, напоминающий пемзу — это стекло образовалось в результате плавления грунта при ударе (аналогичное стекло в последующем находили в местах ядерных взрывов). Породы в кратере, кроме тех, которые возникли после его образования (на дне его в плейстоцене было озеро, от которого остался слой осадков, и по этим осадкам был определен возраст кратера), были сильно изменены в результате шок-метаморфизма под воздействием ударных волн, сверхвысоких температур и давлений. Все эти находки бесспорно доказывали метеоритное происхождение кратера.
Аризонский кратер — не единственный и не самый выдающийся по размерам метеоритный кратер. Но он относится к наиболее хорошо сохранившимся ударным структурам на Земле. В отличие от кратеров на Луне на Земле их безжалостно уничтожает эррозия, так что многие древние астроблемы давно не выглядят, как воронки с валом. Их выдает лишь наличие характерных систем разломов, характерные обломочно-брекчиевидные породы с признаками плавления (вплоть до полного расплавления и последующего образования своеобразной магматической породы — тагамита), признаки шок-метаморфизма, такие, как фазы высокого давления — стишовит, коэсит, алмаз, а также специфически деформированные и растресканные кристаллы кварца и других минералов. Являются признаками импактного события и так называемые конусы разрушения — системы трещин в породах, придающие обломкам породы вид конусов, направленных вершиной к центру кратера.

Из других хорошо сохранившихся метеоритных кратеров я бы отметил Соболевский кратер диаметром 50 м в Приморье, в районе мыса Олимпиада в восточных отрогах Сихотэ-Алиня. Открыл этот кратер геолог В.А. Ярмолюк в процессе поиска фрагментов Сихотэ-Алинского метеорита сразу после его падения. Кратер был исследован с помощью сейсморазведки и оказалось, что при его небольших размерах его структура удивительно схожа с более крупными кратерами. Наиболее интересным является то, что данный кратер образовался меньше 1000 лет назад (вероятно, не более 250-300 лет назад), и в нем помимо пород, метаморфизированных ударной волной, обнаружены многочисленные органические остатки — травинки, щепки древесины, превращенные импульсом высоких температуры и давления в стеклообразный углерод — фюзен (интересно обнаружение щепки кедра, которая частично превратилась в обычный мягкий древесный уголь, а другая ее часть — в фюзен). О наличии взрывных условий в Соболевском кратере свидетельствуют многочисленные находки силикатных стекол, капли которых достигают миллиметра. Найдены также многочисленные железо-никелевые шарики — остатки метеоритного вещества, испаренного при ударе.
В настоящее время Соболевский кратер, к сожалению, подвергается постепенному уничтожению старателями — в отличие от таких известных объектов, считающихся уникальными памятниками природы и тщательно оберегаемых от разрушения — кратеров Рис (Германия), Вольф Крик (Австралия), вышеописанного Аризонского и многих других.
От кратеров, образующихся при взрывном торможении высокоскорстных тел (даже таких небольших, как Соболевский), следует отличать воронки, образующиеся при низкоскоростных падениях крупных метеоритов и их обломков, потерявших космическую скорость в атмосфере. Взрыва, испарения метеорита и пород мишени в таких случаях не наблюдается, и подобные кратеры часто приобретают овальную или даже вытянутую форму вследствие неотвесного падения. В таких кратерах практически нет признаков ударного метаморфизма — лишь иногда наблюдается характерная трещиноватость и конусы разрушения, образование аллогенных (образованных обломками, выброшенными со своего места ударом) и аутигенных (оставшихся на месте удара) ударных брекчий и горной муки. Именно такие кратеры обнаружены на месте падения крупных фрагментов Сихотэ-Алинского метеорита. Размеры их всегда невелики и не превышают первых десятков метров. Несмотря на то, что при образовании таких кратеров не происходит взрыва, микроскопические признаки плавления пород мишени иногда удается обнаружить — в виде мельчайших силикатных стеклообразных шариков, которые, в частности, обнаружены в крупнейших воронках Сихотэ-Алинского кратерного поля.
В крупных ударных структурах, размеры которых измеряются десятками и сотнями километров, характерные признаки метеоритного происхождения приобретают особенно яркий характер. Расплавленные при ударе породы образуют лавовые озера, после остывания образующие пластообразные телатагамитов, образовавшиеся при ударе системы разломов уходят глубоко в литосферу и порождают вторичные гидротермальные процессы. При этом есть два важных отличия импактных структур от вулканических: поверхностный характер и очень высокие температуры, достигаемые в импактных расплавах по сравнению с магмой земного происхождения. Проявляется это в широком распространении кристобалита, кристаллизующегося от 1700°C и тридимита с температурой кристаллизации 1450°C, которые в магматических породах редки.
Для крупных ударных структур характерно образование центрального поднятия («центральной горки») вследствие сброса возникших вследствие ударной деформации напряжений, а некоторые структуры масштаба сотен километров харатеризуются многокольцевым строением. Такие многокольцевые структуры хорошо известны на Луне и их существование считалось аргументом против метеоритного происхождения кратеров — полагали, что для этого в одну точку должны были бы упасть несколько метеоритов, что маловероятно. Однако более тщательное рассмотрение процессов распространения ударных волн и последующего сброса деформаций показало, что образование мультиринговых структур связано с этим процессом. Образование подобных структур в малом масштабе наблюдали в искусственных кратерах после ядерных взрывов.
Крупнейшие найденные на Земле структуры импактного происхождения имеют размеры в сотни километров. Так, знаменитый кратер Чиксулуб на полуострове Юкатан, образовавшийся как раз на рубеже мела и палеогена (когда вымерли динозавры), имеет диаметр 180 км. Визуальных признаков этого кратера на местности нет — его обнаружили по дугообразным геофизическим аномалиям, а его метеоритное происхождение было доказано обнаружением импактитов — ударных частично расплавленных брекчий (зювитов). С данным кратером связана также глобальная геохимическая аномалия — иридиевый пик. Содержание иридия в слое, соответствующем границе между мелом и палеогеном, по всему миру в десятки раз превышающее обычное, связано с испарением огромного количества метеоритного вещества, в котором содержание иридия намного превышает его содержание в земной коре. Падение астероида, вызвавшее образование данного кратера, несомненно, вызвало глобальное воздействие на весь Земной шар. Мощность взрыва достигла $$ Мт и в атмосферу было выброшено гигантское количество пыли, образованной при конденсации испаренных астероида и пород мишени, которые вместе с сажей от лесов, подожженных практически по всему миру ударной волной и выпадающими из ближнего космоса обломками, на несколько лет закрыли Землю от солнечного света, что, вероятно, и стало причиной мел-палеогенового вымирания.

В отличие от Чиксулуба, кратер Вредефорт, диаметр которого достигает 300 км, хорошо виден на космоснимках и представляет собой единственную хорошо сохранившуюся многокольцевую структуру на Земле. Тем удивителен для его сохранности возраст этого кратера — 2 миллиарда лет.
С ростом диаметра кратера морфология его значительно меняется. Помимо образования центральной горки, а затем мультиринговых структур, о которых я сказал выше, кратер с ростом диаметра уплощается, а его вал формируется не из насыпи обломков, как в малых кратеров а из крупных надвинутых блоков. Кратеры планетарного масштаба на Земле сохраниться не могли из-за тектоники плит. Тем не менее, существует маргинальная гипотеза о том, что Тихий океан — это такой гигантский кратер (в менее смелой версии — что первая океаническая кора и подвижные литосферные плиты сформировались при разрушении первичной континентальной коры ударами крупных планетизималей.

Другие планеты


Подобно Земле, кратеры явно метеоритного происхождения обнаружены и при радиолокации Венеры, которая позволила получить подробные карты рельефа ее поверхности. Из-за весьма плотной атмосферы, только очень крупные тела способны ее преодолеть, сохранив космическую скорость. Поэтому минимальный диаметр кратеров Венеры — не меньше десятков километров. Кратеры Венеры, как и Земли, подвержены эрозии и воздействию тектонических процессов, уничтожающих их, поэтому их там немного.

Множество кратеров известны и на Марсе. Атмосфера Марса практически не является препятствием для космической бомбардировки, за исключением разве что микрометеоритов. Однако большинство мелких кратеров Марса быстро засыпается песком, и по этой причине поверхность Марса выглядит на крупномасштабных снимках значительно менее кратерированной, чем поверхность Луны. Тем не менее, плотность крупных кратеров, не подверженных ветровой эрозии и засыпанию песком, примерно одинаковая на Луне и Марсе. При этом, подобно лунным морям, на Марсе выделяются территории, практически лишенные кратеров. Объяснение этому — то, что их поверхность значительно моложе, она подверглась в относительно недавнем прошлом процессам, которые уничтожили прежний рельеф, включая его элементы импактного происхождения.

Таким образом, плотность кратеров — это характеристика, позволяющая установить примерный возраст поверхности той или иной планеты и выделить древние и молодые участки. Это хорошо видно и на Луне, где есть сильнократерированные древние материки, и моря с меньшей плотностью кратеров, возраст которых примерно на миллиард лет моложе остальной поверхности; на Ганимеде, полосы молодой коры которого также почти лишены кратеров (по сравнению с древними «материками», плотность кратеров на которых подобна лунной).
Если для планет с атмосферой существует предел размеров кратеров, то для безатмосферных такого предела нет. Единая непрерывная зависимость частоты встречаемости кратеров от их размера простирается от крупнейших кратеров планетарного масштаба до микрократеров, имеющих микроскопические размеры, что указывает на единство механизмов их возникновения.
Поверхности планет, лишенных плотной атмосферы, всегда в той или иной степени подвергаются переработке за счет метеоритной бомбардировки. При отсутствии атмосферы и заметных тектонических и вулканических процессов она является единственной силой, изменяющей поверхность. За миллиарды лет метеоритной бомбардировки планета покрывается слоем реголита. Реголит не является просто раздробленной и перемолотой коренной породой — он глубоко и многократно подвергнут шок-метаморфизму, плавлению и закалке, испарению и конденсации в глубоком вакууме, фракционированию и т.п., что привело к образованию новых минералов, в том числе совершенно уникальных.

Кратерные богатства

Большая часть данных о геологическом строении Аризонского метеоритного кратера была получена на фоне своеобразной «железной золотой лихорадки». Кратер был выкуплен Дэниэлом Бэрринджером (Баррингером), который рассчитывал извлечь из него метеорит, размеры которого, по его представлениям, достигали 120 метров, а масса — полтора десятка миллионов тонн чистого железа, которое не нужно было выплавлять из руды. Это было баснословное богатство и оставалось только взять его.
Но все оказалось не так радужно. Вместо гигантской железной глыбы в кратере оказалась масса мелких осколков и капель сильно окисленного металла, количество которых вовсе не позволяло говорить о какой-либо промышленной добыче. Бэрринджер был не в курсе о том, что при ударе происходит не просто образование воронки, а взрыв с практически полным испарением упавшего космического тела, и представлял, что оно ушло вглубь, но его поиски были обречены на неудачу. По современным оценкам оказалось, что Бэрринджер заблуждался и по части размеров железного астероида — его масса была раз в 200 меньше, чем он предполагал.
Так что идея разрабатывать метеоритные кратеры, чтобы добывать оттуда железо, потерпела фиаско. Но это не значит, что ударные структуры бесплодны. В них нередко образуются залежи полезных ископаемых — но они, как правило, никак не связаны с метеоритным веществом. Образование их связано с двумя вещами: остаточным теплом, вызывающим развитие гидротермальных процессов, и образованием разломов и развитием оруденения по ним.
Так, одно из крупнейших в мире медно-никелевых месторождений приурочено к кольцевым разломам астроблемы Сёдбери в Канаде. Обнаружены признаки шок-метаморфизма в породах медных месторождений Актогай и Коунрад и и золото-серебряного месторождения Алмалы в Казахстане. В находящемся недалеко кратере Шунак отмечена сульфидная минерализация, вызванная мобилизацией гидротермальных растворов. Такая минерализация вообще характерна для метеоритных кратеров, включая кратеры километровых размеров.
В некоторых случаях отдельные структуры метеоритных кратеров в силу своей геометрии способствуют образованию залежей полезных ископаемых. Так, куполовидные структуры центральных поднятий крупных астроблем часто являются вместилищем месторождений нефти (месторождения нефти Сьерра-Невада, Ред-Винг, США). Впадина Болтышского кратера стала местом формирования залежей сапропелевых горючих сланцев.

Не метеоритные кратеры
Энтузиасты, жаждущие открытий, часто «открывают» новые и новые метеоритные кратеры на космоснимках. Зачастую это уже известные структуры, происхождение которых ничего общего с импактными процессами не имеет.
Показательна здесь «астроблема» Кондёр в Хабаровском крае. Миф о метеоритном происхождении этой структуры очень стойкий — и не без причин. Она и впрямь очень похожа внешне на метеоритный кратер — выглядит, как горная цепь совершенно правильной кольцеобразной формы. Однако геологическое строение у массива Кондер совсем непохоже на строение метеоритного кратера — в основе его лежит штокообразное тело, образованное ультраосновными магматическими породами (дунитами, пироксенитами), уходящее вглубь земной коры. Напротив, структуры импактного происхождения залегают поверхностно, сходя на нет с глубиной.

Не найдены признаки метеоритного происхождения и у другой кольцевой структуры, которую часто приводят в качестве примера астроблемы — структуры Ришат в Сахаре. Природа этого «глаза Сахары» так до сих пор достоверно не выяснена, но то, что это не кратер — установлено довольно твердо.
Еще один пример такого вероятного псевдократера — озеро Смердячье в Шатурском районе Подмосковья. Во многих публикациях в Интернете в метеоритном происхождении его даже не сомневаются. Вместе с тем, версия метеоритного происхождения Смердячего рассматривается, но до настоящего времени для того, чтобы это утверждать, имеется слишком мало данных. Есть единичные находки материала, похожего на импактит — обломков красно-коричневой породы, сложенной оплавленными зернами различных минералов (кварц, полевой шпат, циркон), сцементированными пузырчатым стеклом. Еще есть сходство геометрических параметров впадины с метеоритными кратерами сходного размера. И больше нет ничего, кроме очень большого желания автора статьи (Енгалычев С.Ю. Метеоритный кратер на востоке Московской области. // Вестник Санкт-Петербургского Университета. 2009. Сер.7. Вып. 2. С.3-11) видеть в этом озере метеоритный кратер.
Но если озеро Смердячье все же имеет определенные черты, намекающие на метеоритное происхождение, то множество круглых озер и прочих элементов ландшафта объявляются искателями непознанного метеоритными кратерами совершенно произвольно, на основе только лишь круглой их формы. Тем не менее, структуру, похожую на метеоритный кратер, могут образовать самые различные процессы: карстовые провалы, работа воды, проявления взрывного вулканизма (маары и кальдеры), и даже деятельность наших предков. Так что не все круглое — метеоритный кратер.

* * *
Процесс ударного преобразования поверхности — это единый механизм, преобразующий твердые поверхности всех планет, их имеющих, а также спутников, малых планет и астероидов вплоть до поверхности частиц космической пыли. И на метеороиде, который оставил кратер на Луне или Земле тоже были кратеры!.. Нет их только там, где нет твердой поверхности. Но даже там, на Юпитере или Сатурне, когда астероид или комета влетают в плотные слои атмосферы и там, взорвавшись, прекращают свое существование, в облачном слое образуется нечто, крайне напоминающее все те же метеоритные кратеры — правда, существующее недолго. Что ж тогда говорить о планетах и их спутниках с твердой поверхностью? Отсутствие кратеров на ней обычно не означает, что они не образуются — просто активная эрозия или тектоника их стирает с лица космического тела
Образование кратера — это не простое изменение рельефа поверхности. Это глубокая физическая и химическая переработка материала поверхности, при которой формируются новые типы пород — импактиты, в условиях сверхвысоких температур и давления образуются новые минералы.