Звездные раны

     Что касается кратеров на поверхности Земли, то первые доводы в пользу их космического генезиса были озвучены еще в конце XIX века. Обнаружение в 1891 году Аризонского метеоритного кратера побудило исследователей выдвигать гипотезы о его происхождении, при этом метеоритная версия не была в числе первых. В каком-то смысле ученым с Аризонским кратером очень повезло: он оказался в благоприятном для образования и дальнейшей сохранности месте. Столкновение «аризонского» астероида с поверхностью Земли произошло всего около 20 тысяч лет назад, в степном районе с выровненным рельефом, где следы экзогенных воздействий остаются надолго – не то что в лесной, болотистой, а тем более горной местности.

Необходимо отметить, что, кроме достаточно «крепких» хондритовых и железных астероидов, с Землей сталкиваются и тела кометного состава. Небольшие (не более десятков метров), по-видимому, целиком ледяные тела полностью разрушаются в атмосфере, а кометные ядра большего размера достигают поверхности, составляя, согласно расчетам небесной механики, примерно 10 % крупнейших падений кратерообразующих тел.

Итак, тела размером больше нескольких десятков метров не тормозятся полностью в атмосфере, а сталкиваются с земной поверхностью с космической скоростью. Тела меньшего размера либо сгорают в атмосфере (если их скорость превышает 20 км/с), либо, полностью затормозившись, выпадают на поверхность нашей планеты в виде метеоритов – как это было прошлой зимой в Челябинской области.

Чем больше размер, тем меньше отношение тормозящей передней площади поверхности к массе, проще говоря, крупное тело тормозится гораздо менее эффективно. Но тут важна скорость входа – если бы Челябинский метеорит вошел в атмосферу с углом, близким к 90º, его фрагменты достигли бы поверхности Земли еще с остатками космической скорости и произвели взрывные разрушения. Угол вхождения в атмосферу не закономерен и может быть любым, так что жителям Челябинской области (а точнее, окрестностей города Чебаркуль) очень повезло, что они не стали непосредственными участниками фильма «Астероид».

Что же происходит при столкновении космического тела с твердой поверхностью Земли? В целом образование взрывного метеоритного кратера можно разбить на несколько стадий. Сначала тело, двигающееся со скоростью n км/с, соприкасается с поверхностью – начинается первоначальная стадия контакта и сжатия. Она весьма скоротечна и не превышает нескольких секунд даже для крупных импактных событий. При этом космическое тело не может мгновенно затормозиться, а проникает внутрь мишени примерно на 1–2 своих диаметра (конкретное значение зависит от состава соударяющихся тел и от скорости столкновения; оно варьируется от 0,5 до 3 диаметров ударника). Углубляясь внутрь подстилающих слоев, астероид (или ядро кометы) передает им свою громадную кинетическую энергию. Ударник за очень короткое время обычно почти полностью испаряется, но вместе с ним испаряются в сотни раз большие по объему подстилающие породы. 

Вторая стадия импактного процесса – это распространение и затухание ударных волн. Сильная ударная волна распространяется как сверхзвуковой скачок давления, плотности и температуры; фронт этого возмущения (или фронт ударной волны) может при этом перемещаться со скоростью до 40 км/с. По мере распространения ударной волны давление на ее фронте снижается до некоторого характерного для данных горных пород уровня – динамического предела упругости. С этого момента ударная волна распространяется в двухфронтальном режиме: впереди, со скоростью звука для этой породы, движется упругий предвестник, а за ним – с меньшей скоростью, но с еще более высоким давлением – следует так называемая пластическая волна. Когда она полностью затухает, возмущение переходит в сейсмический режим, и волна от ударного события может распространиться по всему земному шару.

В структуре кратера за центральной зоной, сравнительно незначительной по объему испарившегося материала, следуют несколько других концентрических зон. Сначала – расплавленные до аморфного состояния породы, причем в более дальней от центра части расплавление может быть селективным: минералы с низкой температурой плавления переходят в аморфное состояние, а более тугоплавкие остаются в этой матрице в виде включений. В наиболее крупных импактных структурах ударный расплав на поверхности, тем более в глубине, сохраняется значительное время. Обычно, как это было с Аризонским кратером, масштаб импактного преобразования пород невелик, но в редких случаях объем подобных образований достигает многих десятков и сотен кубических километров.

Далее, на удалении от середины, находится зона полного или частичного ударного преобразования минералов. Сильнейшая ударная волна, несмотря на быстрое уменьшение давления, изменяет структуру кристаллической решетки минералов, так что одни минеральные виды без изменения своего состава переходят в другие. Так, кварц в зависимости от давления переходит в коэсит или стишовит, полевые шпаты – в маскеленит, графит и аморфный углерод в некоторых случаях могут превращаться в алмаз. Затухание ударной волны скоротечно: от секунд для мелких метеороидов (Аризонский кратер) до десятков секунд для самых крупных импактных событий (Чокунслаб, Попигайский кратер).

На стадии экскавации, перемещения и перемешивания пород, начинается радиально-центробежное течение вещества, которое быстро разрушает совокупность зон ударного метаморфизма, возникшую в мишени. Смеси минералов из этих зон образуют специфические горные породы, для которых у геологов есть собственная разветвленная классификация.

В случае с особенно крупными структурами часто употребляется термин «транзитный кратер». Это как бы промежуточная лункообразная депрессия, которая растет до некоторого размера, после чего следует упругая отдача, приводящая к уменьшению глубины кратерной воронки. Таким образом, если диаметр структуры превышает 5 км, то в результате отдачи в центральной ее части образуется горка – это стадия модификации. Центральное поднятие есть, например, в строении Попигайского метеоритного кратера в Сибири. Изостатическая компенсация центральной части структуры продолжается и потом, но в то же время идут процессы денудации, размыва, в первую очередь кратерного вала, так как он находится выше окружающих пород.

Породы, находящиеся в стороне, в свою очередь претерпевают выброс с места падения. Причем из-за колоссальной кинетической энергии космического тела объем выброшенного материала в тысячи раз превосходит объем ударника. Из материалов выбросов и образуется кратерный вал, с внешней стороны которого более тонкий слой перемещенного материала, а в момент взрыва небольшая часть подстилающих горных пород выбрасывается на большие расстояния по баллистическим траекториям. После образования первоначального кратера часть выброшенного материала падает обратно на его дно, выстилая поверхность внутри кратерного вала.

Скорость, с которой кратерная структура разрушается и исчезает, зависит в основном от ее первоначальной величины. Хотя значительную роль при этом играют рельеф и физико-географические условия.

Астероид или ядро кометы могут попасть не только в сушу или мелководное море, но и в глубоководную часть океана. Собственно говоря, сейчас Мировой океан и его бассейны занимают около трех четвертей поверхности Земли, а в геологическом прошлом эта доля была и того больше. В случае удара крупного тела (размером более нескольких сотен метров) оно может достигнуть дна и взорваться там на глубине около трех километров. Во многом это будет зависеть от угла его входа в атмосферу, ведь при преодолении толщи воды направление траектории сохраняется. Тела сравнительно небольшого размера – до двух сотен метров – не смогут достигнуть дна и отдадут кинетическую энергию толще воды. В этом случае не останется геологических признаков импакта: ни метаморфизма, ни характерных морфологических следов существования кратера.

Получается, большая часть крупных кратерообразующих космических тел не оставляет заметных следов в геологической обстановке. Но это не значит, что они не оставляют отпечатка в фауне. Крупное космическое тело, даже попав в глубоководную область, способно вызвать вымирание и смену органического мира Земли. Чудовищный взрыв мощностью нескольких тысяч средних атомных бомб вызовет обрушение цунами высотой сотни метров на окрестные берега и вообще на все побережья земного шара. Громадным давлением волн будут сметены возвышенности на десятки километров в глубь суши. В результате в осадочных отложениях может появиться аномальный катастрофный горизонт, аналогичный горизонтам от крупных вулканических взрывов, – такие примеры имеются в геологической истории.

Со временем, при преобразовании крупных импактных структур, сохраняются в погребенном состоянии те, что находятся на суше в области опускания, или те, что захоронены под более молодыми морскими осадками. В этом случае, подобно громадной структуре Чокунслаб в Мексике, образования могут быть идентифицированы лишь по геофизическим данным, а не по особенностям рельефа. В целом же существуют приблизительные показатели продолжительности существования взрывных импактных структур. Объекты размером десятки метров существуют несколько тысяч лет, размером сотни метров, соответственно, несколько сотен тысяч лет, километровые образования – первые миллионы лет, и лишь наиболее крупные ударные бассейны способны просуществовать десятки и, при определенных условиях, сотни миллионов лет. Как уже отмечено выше, большое значение имеют рельеф и высота места над уровнем моря. Скажем, в случае образования кратера размером в несколько десятков метров в высокогорье процессы денудации и выветривания уничтожат все его следы существенно быстрее, чем при образовании на равнинной местности.

Изучение древних метеоритных структур может во многом объяснить механизмы быстрых экологических изменений, случавшихся в прошлом, особенно катастрофических смен фауны, которые сегодня могли бы угрожать и человеку.