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定义

  在具有风化过程的天体上或者具有地壳运动的天体上,老的陨石坑会逐渐被磨灭。比如在地球上通过风化、风吹来的尘沙的堆积、岩浆撞击坑会被掩盖或者磨灭。在其它天体上有可能有其它效应来磨灭陨石坑。比如木卫四的表面是冰,随着时间的流逝冰会慢慢流动,使得这颗卫星表面的陨石坑消失。

  在地球上约有150个大的依然可以辨认出来的陨石坑,通过对这些陨石坑的研究地质学家还发现了许多已经无法辨认出来的陨石坑。几乎所有具有固体表面的行星和卫星均带有陨石坑。在有些天体上陨石坑的密度可以被用来确定相应的表面地区的形成年代。

研究历史

  丹尼尔·巴林杰是第一位将一个地球上的地质形态确认为陨石坑(撞击坑)的人:他指出美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑是一个撞击坑。但是当时他的理论没有获得很多支持者,当时大多数地质学家认为地球上没有遗留下来的陨石坑。

  1920年代美国地质学家沃尔特·布克(Walter H.Bucher)研究了美国境内的一系列环形山,最后他认为这些环形山是有巨大的爆炸事件造成的,但是他认为这些爆炸事件是强烈的火山爆发造成的。但是1936年其他地质学家得出结论认为这些环形山可能是由撞击造成的。

  这个问题一直到1960年代依然未完全解决,这个时期的一系列研究,尤其是尤金·苏梅克的详细研究提供了明确的证据证明这些环形山是由撞击形成的,这些研究确认了一系列只有通过撞击才会产生的冲击变态,其中最知名的是冲击石英。

  使用这些研究所获得的新的判断手段一些地质学家开始在全世界寻找撞击坑,到1970年他们已经初步断定了50多个陨石坑。

  虽然如此他们的结果依然很有争议。但是当时正在进行的阿波罗计划给科学家提供了直接的月球上的陨石坑的数据。月球上的风化极小,因此其表面的陨石坑几乎可以无限长地保留着。由于地球与月球上的陨石坑密度应该相差不多,因此这些数据明显地显示了地球上应该有更多的陨石坑。

  地球上已知的陨石坑的形成时间从在约1000年前到20亿年以前。不过二亿年以前的陨石坑很少找到,因为地质过程将大多数老的陨石坑磨灭了。大多数已知的撞击坑位于大陆内部比较稳定的地区。水面以下海底的陨石坑很少被找到。首先因为水下勘探依然比较困难,其次因为海底的陨石坑也比较容易被磨灭或者通过板块运动潜沉到地球内部。

  目前的估计是现在约每一百万年在地球上会形成一至三个直径超过20千米的陨石坑。按照这个估计目前在地球表面还有许多没有被发现的年轻的撞击坑。

结构特征

  在地球上陨石坑形成的条件是一个物体以11.6km/s的速度从外空与地球相撞。在这个过程中这个物体的动能转换为热能,重的陨石释放出来的能量可以达到相当于上千吨TNT爆炸所释放出来的能量,这个能量级相当于核爆炸所释放出来的能量。目前地震仪平均约每年纪录到一次大于一千吨TNT能量的撞击,这些撞击一般发生在大洋中。

  假如陨石的质量超过1000吨的话大气层基本上对它没有减速的作用,那么陨石表面的温度和压力会非常高。球粒陨石和碳质
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球粒 陨石在这种状况下会在它们与地面撞击以前就被破坏,但是铁-镍金属陨石的结构足够强,可以与地面撞击造成巨大爆炸。

  当陨石与地面相撞时它将当地的空气、水和岩石压缩为极热的等离子体。这个等离子体相外快速扩张,并迅速冷却。它与其它被投射的物件以轨道或近轨道速度被抛出。它们甚至可以完全脱离地球的引力,有些甚至可以在其它行星表面成为陨石坠落。没有空气的天体表面往往还可以看到从撞击坑相外辐射的外抛物留下的痕迹。不过在此应该提到的是关于这些辐射线的产生原理还有其它、非撞击的理论。

  在等离子体内部非常高能的化学反应会发生,比如在地球上盐水和空气可以合成非常强的酸。等离子体内气化的岩石会凝结成水滴形的似曜岩,这些似曜岩可以分布到撞击点周围很大的范围里。但是也有人认为似曜岩不仅仅是撞击产生的。比如世界上最大和最年轻的似曜岩区(位于澳大利亚周边,约70万年)就缺乏一个撞击坑。假如这里的似曜岩的确是由于撞击所形成的,那么这么大的一个撞击坑肯定不会再过去一百万年中被磨灭。

  海上撞击所造成的危害比陆上撞击的要大得多。大的陨石可以一直冲到海底,在海上造成巨大的海啸。据计算尤卡坦希克苏鲁伯的撞击造成了50至100米高的海啸,在内陆数千米处形成了堆积。

  不论是在陆上还是海上撞击的结果总是一个陨石坑。陨石坑有两种形式:“简单”的和“复杂”的。巴林杰陨石坑是一个典型的简单陨石坑,它就是地面上的一个坑。简单的陨石坑直径一般都小于四千米。

  复杂的陨石坑一般比较大,中央有一个中心山,周围环绕着沟,还有一或多个边。中心山是由于撞击后地下的反射造成的。这样的陨石坑有点像冻结在地面上的滴入水池里的水滴。

  不论是简单的还是复杂的陨石坑其大小决定于陨石的大小以及撞击处的物质。比较松软的物质所形成的陨石坑比比较脆的物质所形成的陨石坑要小。陨石坑的大小和形状随时间变化。刚刚形成的陨石坑由于散热而收缩。在地球表面随时间的延续风化以及其它地质过程将陨石坑掩藏起来了。巴林杰陨石坑是地球上保存最好的陨石坑之一,但是它只是在约五万年前形成的。而6500万年老的希克苏鲁伯撞击坑虽然是地球上最大的撞击坑之一,但是在地球表面上已经看不到它的痕迹了。

  有些火山口看上去像陨石坑,而大理石除可以通过撞击形成外也可以通过其它过程形成。不爆炸性的火山口一般很容易与撞击坑区分,因为它们形状不规则,而且还有岩浆流和其它火山物质。只有金星上的陨石坑也有融化的物质流淌。

  陨石坑最不同的标志是岩石受到的冲击变态如碎裂屑锥、熔化的岩石和晶体变形。比较困难的是至少在简单的陨石坑里这些物质比较趋向于被深埋。但是在复杂的撞击坑里可以在中心上射的部分找到它们。

  陨石坑的特征一般有:

  ·撞击坑底部有一层“大理石化”的岩石

  ·碎裂屑锥,这是岩石上V形的凹坑,尤其在细粒的岩石上容易产生这样的碎裂屑锥。不过一些学术论文报道说在火山喷射物中也有碎裂屑锥。

  ·高温岩石比如溶化过得硬和焊在一起的沙块、似曜岩以及溶化的岩石飞溅後形成的玻璃。不过有些学者怀疑似曜岩可以作为撞击坑的特征。在一些火山地带也有似曜岩被发现,此外似曜岩一般比典型的撞击岩石要干。撞击後溶化的岩石类似火山岩,但是它们包含有没有溶化的岩层的碎片,组成不寻常的、大面积的覆盖面,它们的化学成分也比从地球深处喷出来的火山岩要复杂。此外它们往往含有在陨石中比较多的微量元素如镍、铂、铱、钴等。

  ·矿物中的微压力变形。这包括石英和长石中晶体破裂、高压物质如金刚石的形成、冲击石英的变形如重矽石和斜矽石。

  除火山外地下核爆炸也会造成类似于陨石坑的坑。事实上世界上坑最密集的地区是美国的内华达测试基地。

判定标志

  根据对陨石坑现场的实际调查和对主要造岩矿物冲击效应的研究,结合核爆炸和人工冲击模拟试验研究的结果。判定陨石坑的主要标志有:

  ①陨石坑一般为圆形构造。目前对地表数十个陨石坑探测的结果表明,它们多为圆形构造,较古老的坑由于受构造运动的影响也有呈椭圆形或腰子形的。

  ②大多数陨石坑都保存有较好的坑唇,即环形山坑缘。它是由抛射物沿坑的边缘堆积而形成的。有一些陨石坑由于形成年代老,坑唇多被侵蚀掉,有时冲击坑本身也被剥蚀,因而不易被识别,但残留的强形变和震裂岩石为一圆形区域这一特点仍可被辨认。

  ③坑底结构较复杂。坑底的岩石在受到巨大陨石轰击后,由于应力释放而产生一定程度的回弹,故在一些大的陨石坑底部常出现中央隆起的状况;由于坑底岩石遭到破坏,使人工地震波的反射极不规则;重力法的测定结果表明,陨石坑为重力负异常,而火山喷发为正异常。此外,一个巨大陨石的轰击,有可能触发或控制深部岩浆的侵入,如加拿大著名的镍矿床所在地──萨德伯里构造已被证实为一个复合构造,其深部升上来的含矿岩浆重叠在大的陨石轰击构造之上。陨石轰击,触发深部岩浆上升并溢出地表充填于坑内的现象,在月球表面较常见,在地球表面亦有所见。

  ④常有陨石碎片或铁-镍珠球等残留物存在于冲击产物中。迄今为止,还从未在任何一个地表陨石坑中挖掘出陨石冲击体本身,然而在质量较小的陨石所轰击形成的坑内大都能找到它的残留物。如目前地表已找到陨石碎片的10多个冲击坑的直径都较小,一般只有几十到上百米,最大的亚利桑那陨石坑直径为1200米。质量大的陨石,由于它高速撞击地表后容易爆散和蒸发,极难在坑中找到其残片。如在直径为24公里的里斯坑(爆炸能量大于10(焦耳)中至今仍未找到陨石的残留物。但不久前在坑底岩石的粒间裂隙内发现了铁-铬-镍(含少量硅和钙)的微细粒子及细脉,认为是由气化了的陨石冲击体经凝聚而形成的,这也是识别陨石坑的重要标志。

  ⑤角砾岩和震裂锥的存在大量的角砾岩,大都是杂乱无章地与不同的岩性碎屑混合在一起。这些角砾岩含有大量熔融的或部分熔融的玻璃质击变岩。冲击波通过某些岩石类型时,就产生震裂锥,单个锥体的大小,从小于1厘米到15厘米或更大,顶端稍钝,锥体项角一般为90°,表面有很多沟槽,呈马尾构造,锥体的顶端都有指向该冲击构造中心的趋势。在石灰岩、白云岩、石英岩、片麻岩和页岩等许多岩石类型中都观察到有震裂锥。目前在地表冲击位置上,包括萨德伯里构造、里斯和施泰因海姆盆地、弗林克里克等数十个冲击构造中都发现了震裂锥。现已证明,震裂锥本身已能作为陨石轰击的独特标志。

  ⑥矿物的冲击效应标志。造岩矿物均显示冲击效应。与陨石坑有关的矿物冲击效应为:第一,在非常高的应变率下,矿物发育有特征的微观和亚微观结构,如石英、长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石的形变、微裂隙、微页理和扭折条带等构造,其中石英的和等多方向的微页理是冲击成因的独特标志。第二,在固态下的相转变,如石英转变为柯石英和超石英,以及转变为继形硅氧玻璃,石墨转变为金刚石等。第三,矿物的热分解、熔融以及出现流动构造,特别是在同一岩石中结晶体的玻璃体并存,如石英、长石已转变为玻璃相,而深色矿物仍保留晶质相。在强冲击情况下,玻璃体内的难熔矿物亦发生分解,如有的坑内钛铁矿、金刚石、铁板钛矿和斜锆石等已熔成液滴状。

研究意义

  ①为地球月球、水星火星及其卫星表面圆形坑和环形山构造的陨石轰击成因假说找到依据,从而确定陨石坑的存在时间和分布情况。同时为研究巨大陨石的撞击,对地球和其他星球的形成,原始热和自转轴变迁的影响,以及为研究岩浆活动,突变事件和星球演化提供宝贵的资料。

  ②对矿物和岩石冲击变质的研究,将进一步丰富岩石学、矿物学、结晶学和高温高压地质学的内容,并为了解地幔物质性状和物理化学特点,即为地球深部的研究提供参考依据。也可以从冲击效应特征推定岩石受轰击时的温度和压力历史,从而对于了解地面及地下核试验和人工爆破的威力,破坏半径,以及对工程防护和对金刚石等矿物的合成具有一定实用意义。

  ③由于巨大陨石轰击能引起地下岩浆上升、侵入和成矿,因而出现了把外来作用和地球深部作用联系起来的新成岩成矿理论。

  ④研究地表陨石坑的分布形态、锥度,特别是受轰击后的变质作用,可直接推断陨石下降时的方向、速度、质量、以及烧蚀破裂情况,为宇宙飞船软着陆提供依据。

相关资料

  地球上所发现的陨石坑比较稀少,这是由于侵蚀作用以及古老地貌被较年轻沉积物充填,使古老陨石坑不易辨认或已消失,如加拿大地盾上的陨石坑。

  地球上已被确认的大陨石坑中,以美国的亚利桑那巴林杰坑(过去曾称坎扬迪亚布罗坑)最有名。坑的直径约1240米,深170多米,坑的周围比附近地面高出约40米。根据考察,这一陨石坑是2万年前,由一直径约60米、重约10万吨的陨石体以约20千米/秒的速度撞击地面形成的,地球上最大的陨石坑是俄罗斯西伯利亚的波皮盖坑,直径约100千米。

世界上所有的陨石坑

1.法国西南部的两个陨石坑

  西南部的两个陨石坑的直径都在200~300千米之间,彼此之间的距离只有140千米。这两个陨石坑可能是2亿年以前同一颗小行星撞击的产物。这可能是迄今为止撞击地球的最大的小行星。

2.美国亚利桑那的陨石坑

  美国内华达州亚利桑那陨石坑。这个陨石坑是5万年前,一颗直径约为30~50米的铁质流星撞击地面的结果。这颗流星重约50万千克、速度达到20千米/秒,爆炸力相当于2000万千克梯恩梯(TNT),超过美国轰炸日本广岛那颗原子弹的一千倍。爆炸在地面上产生了一个直径约1245米,平均深度达180米的大坑。据说,坑中可以安放下20个足球场,四周的看台则能容纳200多万观众。

3.墨西哥尤卡坦陨石坑

  墨西哥尤卡坦半岛契克苏勒伯陨石坑,直径有198千米。肇事者是6500万年前一颗直径为10到13千米的小天体。陨石坑被埋藏在1100米厚的石灰岩底下,先被石油勘探工作者发现,随即又被“奋进号”航天飞机通过遥感技术证实了它的存在。

4.俄罗斯通古拉斯陨石坑

  俄罗斯西伯利亚通古斯地区有陨石痕迹。1908年6月30日,目击者看见一个火球从南到北划过天空,消失在地平线外,地平线上随即升腾起火焰,响起巨大的爆炸声。爆炸之后的几天里,通古斯地区的天空被阴森的橘黄色笼罩,大片地区连续出现了白夜现象。调查者相信这是一颗陨石撞击到西伯利亚所引起的爆炸。据推测,这颗直径小于60米的小行星或者彗星碎块闯入大气层,在距地面8千米的上空发生了爆炸。1947年2月12日,俄罗斯远东城市锡霍特发生与通古拉斯相似的大爆炸,发现了100多个陨石坑,收集到8000多块镍铁陨石,总重量28吨多。

5.中国陨石与陨石坑

  1490年,我国就有陨石雨砸死上万人的记载。北京以北约200千米冀蒙交界的内蒙多伦地区,有一个超大规模的坑状地形,极有可能就是陨石坑。这个坑具有同心环状的“波脊丘”,一个直径为170千米的外环和一个直径为70千米的内环,大约形成于一亿三千万年前。1976年3月8日,我国吉林省吉林市近郊发生了大规模的陨石雨,陨落区直径70多千米,面积在400~500平方千米之间,共收集到陨石100多块,总重2616千克,其中“吉林1号”陨石重1770千克,是世界上最大的石陨石。

6.戈斯峭壁(Gosses Bluff)

  澳大利亚探险家戈斯于一八七三年发现了戈斯峭壁。最早光顾这个陨石坑的是生活在澳大利亚荒漠中的土著,坑中的营地遗址留下了他们当年活动的痕迹。像大多数类似的陨石坑一样,戈斯峭壁也有从中心向四周辐射的地质裂缝。根据科学家对该坑形成的研究,证实它是在一亿三千万年前,遭受来自太空的撞击形成的,撞击物体速度极快,但密度相对较低,因而推测是彗星(由固体二氧化碳、冰块和尘埃组成)而非小行星陨石。

  最初的陨石坑直径大约二十千米,而现在由戈斯峭壁围合的坑径只有4千米,是中心坑,外围的在亿年漫长的岁月里早已被侵蚀掉了。在坑的外边缘有两道坚硬的砂岩峭壁,高出平原地面一百八十米,它也是在那次彗星撞击中形成的。地下探测表明,与之相同的岩层在地下二千米的深处,可想而知当年的撞击有多么强烈。

7.南极

  有科学家提出,南极大陆极点附近的冰下有一个直径240千米,深800米的陨石坑。六、七十万年前,一颗小天体从这里击中地球,地轴方向和地球自转速度因此发生了改变。研究者已在南极冰盖上发现和回收到2.3万块陨石样品。

8.塔吉克斯坦Kara Kul陨石坑

  这个临近阿富汗边界,在帕米尔高原上的陨石坑大约在1千万年前形成,直径45千米。

9.加拿大的Clearwater Lakes陨石坑

  这是一对孪生陨石坑,形成在2亿9千万年以前,可能是由分裂成两块的小行星同时撞击而成。陨石坑西面的那个直径32千米,东面的那个直径22千米。

10.加拿大的Manicouagan陨石坑

  陨石坑有明显的被冰面覆盖的环状湖。这个陨石坑有100千米直径,形成在2亿1千万年前。

11.澳大利亚的Walf Creek陨石坑

  位于北部沙漠中心。直径875米,形成于30万年以前,是一个比较年轻的陨石坑。坑边高度位25米,坑的中心深度为50米。陨石坑里至今还有铁陨石氧化后的残余物质,以及高温下沙粒熔化形成的玻璃物。

12.非洲乍得湖的Aorounga陨石坑

  直径17千米,形成于2亿年前。

13.纳米比亚的Roter Kamm陨石坑

  直径2.5千米,形成于500万年以前。

14.德国的陨石坑ries

  有1500万年历史,现在已是一片茂盛的农田 。

15.南非的vredefort陨石坑

  其直径达到了3万多米,其年代约为20亿年。

恐龙陨石坑

  恐龙是地球上出现过的最大的陆地脊椎动物。它们突然灭绝的谜团看来已经被慢慢地揭开。原因可能是因为6500万年前有一颗小行星撞到了墨西哥尤卡坦半岛上。美国最近的计算机模拟也表明了这一点。直到12年前,这个巨大的陨石坑才被发现。从2001年12月起,德国波茨坦地理研究中心开始了这方面的研究。这个天体可能以相当于100亿颗原子弹的冲击力在地球表面撞出了几公里深的裂缝。撞击的碎片纷纷散落,引起了强烈地震、海啸、大洪水和大火灾。这次碰撞产生的大量灰尘和气体混合到大气中,遮天蔽日,使气候出现反常。先是大火,再是冰川期,接下来又是难以忍受的炎热。这场生态灾难造成了植物群和动物群的灭绝,其中包括恐龙。

  
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