撞击坑

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月球上的第谷坑环形山,NASA照片

撞击坑(又称陨石坑环形山)為行星卫星小行星或其它類地天体表面通过陨石撞击而形成的环形的凹坑。撞击坑的中心往往会有一座小山,在地球上撞击坑内常常会積水,形成撞击湖,湖心则有一座小岛。

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撞击坑会逐渐被磨灭。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撞击坑。比如木卫四的表面是,随着时间的流易,冰会慢慢流动,使得这颗卫星表面的撞击坑消失。

在地球上约有150个大的依然可以辨认出来的撞击坑,其中直徑大於100公里的僅有5個,通过对这些撞击坑的研究地质学家还发现了许多已经无法辨认出来的撞击坑。几乎所有具有固体表面的行星和卫星均带有撞击坑。在有些天体上撞击坑的密度可以被用来确定相应的表面地区的形成年代。

历史[编辑]

丹尼尔·巴林杰是第一位将一个地球上的地质形态确认为撞击坑的人:他指出美国亞利桑那州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撞击坑。

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·舒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多个撞击坑。

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撞击坑的数据。月球上的风化极小,因此其表面的撞击坑几乎可以无限长地保留着。由于地球与月球上的撞击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撞击坑。

地球上已知的撞击坑的形成时间从在约1000年前到20亿年以前。不过二亿年以前的撞击坑很少找到,因为地质过程将大多数老的撞击坑磨灭了。大多数已知的撞击坑位于大陆内部比较稳定的地区。水面以下海底的撞击坑很少被找到。首先因为水下勘探依然比较困难,其次因为海底的撞击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公里的撞击坑。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。

形成和结构[编辑]

撞擊坑形成過程,說明文字為西班牙文

在地球上撞击坑形成的条件是一个物体以11.6km/s以上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。陨石表面的温度和压力会非常高。球粒陨石碳质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。这个等离子体向外快速扩张,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向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黑曜岩,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在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撞击坑。撞击坑有两种形式:“简单”的和“复杂”的。巴林杰陨石坑是一个典型的简单撞击坑,它就是地面上的一个坑。简单的撞击坑直径一般都小于四千米。

复杂的撞击坑一般比较大,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。这样的撞击坑有点像冻结在地面上的滴入水池里的水滴。

土卫一上的大撞击坑

不论是简单的还是复杂的撞击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撞击坑比比较脆的物质所形成的撞击坑要小。撞击坑的大小和形状随时间变化。刚刚形成的撞击坑由于散热而收缩。在地球表面随时间的延续风化以及其它地质过程将撞击坑掩藏起来了。巴林杰陨石坑是地球上保存最好的撞击坑之一,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撞击坑,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。只有金星上的撞击坑也有融化的物质流淌。

撞击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撞击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。

可以用来辨认撞击坑的特征有:

  • 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后形成的玻璃。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。撞击后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斜矽石

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

参见[编辑]