643 (Астропроблема Янисъярви), страница 2

Эта энергия тратится , во-первых, на разрушение, дробление и минеральные изменения горных пород в объеме кратера и на разрушение(вплоть до испарения) самого метеорита, Сразу нужно отметить, что при сверхзвуковом ударе размер кратера окажется значительно большим, чем размер самого метеорита, поэтому затраты энергии будут связаны с образованием кратера, а не с изменением самого метеорита. Во-вторых, часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию выбрасываемых из кратера горных пород. В-третьих, есть еще расход на энергию звуковых волн, уходящих в глубь Земли и в атмосферу. Есть, наконец, тепловая энергия, т.е. энергия, уходящая на нагревание, а при мощных взрывах- на частичное плавление и даже испарение горных пород. Однако учитывать её как независимое слагаемое при подсчёте баланса первичной энергии было бы неверным. Ведь вся (практически вся) энергия метеорита уходит в конечном счёте именно на нагревание горных пород, пройдя перед этим через другие механические формы. Оговорка «практически» связана с изменением в результате столкновения с метеоритом скорости движения всей Земли и скорости её вращения. Они ничтожны даже при столкновении Земли с большим астероидом.

Расход энергии Е1 на разрушение пород пропорционален объёму кратера. Будем считать объём равным примерно R. На что следует его умножить, чтобы получить работу разрушения? Энергия разрушения есть объём, умноженный на

предел прочности горных пород åm, то есть Е1÷åmR³. При оценках размеров кратеров будем считать åm равным пределу прочности осадочных пород åm =10000000 Н/м². В качестве порядка величины плотности примем: r=3x 10³ кг/см³.

Второй возможный расход энергии Е2 идёт на выброс горных пород из кратера. Перемещение большей части массы при образовании кратера происходит на расстоянии порядка его радиуса R. Для такого перемещения масс в поле тяжести начальная скорость разлёта U0 должна по порядку величины быть равной U0 ÷ ûgR. Полная масса выброшенных из кратера пород есть mk = rR³. Поэтому затраты на кинетическую энергию горных пород, или, другими словами, затраты на выброс, есть E2 ÷ mk x U²о ÷rg(R²)².

Энергетические расходы на звуковые волны E3 всегда бывают малы по сравнению с E1 и E2. Физическая причина этого состоит в том, что при любом сверхзвуковом столкновении сначала возникает ударная волна. Что это такое? Это сильное сжатие, перепад плотности, распространяющееся в материалах со скоростью, большей скорости звука и тем большей, чем сильнее это сжатие. Именно ударная волна на своём пути производит все описанные явления: и разрушения, и ускорение вещества. Интересно, что даже при наклонном падении метеорита образуется почти симметричный кратер-все кратеры одного размера схожи между собой. Это происходит потому, что ударная волна распространяется от точки удара практически одинаково, независимо от его направления. Только тогда, когда основная энергия ударной волны окажется израсходованной, когда сжатие в волне станет слабым, а скорость- равной скорости звука, она переходит в обычную акустическую, звуковую волну. Волна является ударной примерно в объёме кратера, а звук убегает с малым затуханием на большие расстояния (по всей планете).

Итак, главные первичные энергетические затраты есть Е1 и Е2. Теперь напишем приближённое уравнение энергетического баланса при падении метеорита. Оно позволит определить порядок величины радиуса кратера: Е » åmR³+rg (R²)².

Два слагаемых уравнения по-разному зависят от радиуса кратера R. Поэтому при малых энергиях для малых кратеров главным оказывается первый член, а для больших -второй. Кратеры первого типа называют ПРОЧНОСТНЫМИ , а второго- ГРАВИТАЦИОННЫМИ. Критическим радиусом разделяющим те и другие, будет R0= 3 x 10² м, а масса метеорита, образующего кратер критического радиуса, по порядку величины есть mo = 3000000 кг.

Падение таких и больших метеоритов- достаточно редкое событие, но поскольку след его остается на земной поверхности на времена геологических масштабов, то общее число обнаруженных на сегодня гравитационных кратеров около ста³.

Теперь рассмотрим, как разогреваются горные породы при образовании кратеров. Надо иметь в виду, что этот разогрев происходит крайне неравномерно, и мы сможем оценить лишь среднее повышение температуры. Вся начальная

энергия метеорита Е в конечном счете переходит в тепловую энергию. Без учета частичного плавления и испарения горных пород, она равна Е=Ет = сrR³DT. Здесь с приблизительно равно 1000дж/кг/К. есть характерная величина теплоёмкости горных пород, а DT - среднее возрастание температуры горных пород. Для не слишком больших метеоритов средний нагрев по объему кратера, как можно отметить, не зависит от массы и энергии метеорита. Он равен всего DT=3К. Поскольку средний разогрев так мал, то ясно, что доля расплавленного и тем более испаренного вещества окажется ничтожной при образовании любых малых кратеров.

При падении метеоритов с размерами, большими критического R0, температура разогрева горных пород растет пропорционально радиусу кратера: DT=gR/c. Доля расплавленного материала растет с ростом R. Когда средний разогрев достигает характерной температуры размягчения горных пород Т=300К, это доля станет подавляющей. Явление массового проплавления происходит при образовании кратеров с размерами, превышающими 30 км на земной поверхности.

Соответственно, масса метеорита для образования кратера с массовым выплавлением пород по порядку величины должна превышать 30000 кг. Такие кратеры- следы редчайших событий. Их размытые следы сохраняются в течение почти всей геологической истории Земли, однако на всей планете пока обнаружено только несколько кратеров с радиусом, большим 30 км.

Начиная примерно с этого размера, формула R~E¼ становится неприменимой, поскольку учёт теплоты плавления делает более сложным баланс энергий метеорита. Кратеры с массовым размягчением пород и внешне выглядит иначе. С ростом размера становится всё более заметной новая особенность- застывшие концентрические волны. Уже у кратеров с радиусом более 1 км есть отчётливое поднятие, а отпечатки катастрофических столкновений с радиусами большими 30 км, имеют 3-4 гребня и впадины. Отчётливо видны не размытые эрозией и не скрытые осадочными породами многокольцевые структуры гигантских кратеров на Луне.

На нашей планете кратеров намного меньше, чем на Луне. При дрейфе континентальных плит поверхность Земли довольно быстро обновляется, а подвижные атмосфера и океан размывают очертания кратеров. Лишь с помощью контрастных фотографий из космоса удалось обнаружить около сотни сильно искаженных временем кольцевых структур диаметром до сотни километров. Оказалось, например, что г. Калуга расположена в древнем кратере диаметром 15 км. Несколько менее уверенно можно утверждать космическое происхождение формации диаметром 440 км на восточном берегу Гудзонова залива (её половина видна на географической карте в очертаниях побережья).

Наибольший отчётливый кратер находится в Аризоне, США. Он имеет диаметр 1265 м и глубину 175 м., а образовался всего 25-30 тысяч лет назад при падении тела массой около 10 млн. тонн.

Даже при образовании малых кратеров часть горной породы и самого метеорита разлетаются в виде расплавленной массы веществ. Такие застывшие в

полёте каменные капли называются тектитами. О величине максимальных скоростей выброса вещества при образовании кратеров можно судить по неожиданным находкам на земле нескольких метеоритов, уверенно отождествлённым с лунными породами. Их лунное происхождение означает, что они были выброшены с Луны при образовании кратера со скоростью, большей второй космической скорости Луны 2,4 км/с, а затем, может быть, через большое время упали на Землю.

При образовании больших кратеров тектиты разлетаются на сотни и тысячи километров, образуя вокруг кратеров тектитные поля. Особенно чётко очерчиваются границы тектитных полей там, где осадочный слой нарастает достаточно медленно. Так, например, от кратера Босумтви (радиус 5 км), образовавшегося чуть более миллиона лет назад в Гане, на берегу Атлантики, простирается в океан тектитное поле в форме овала 2000 х 1000 км. Есть на земле тектитное поле, которое занимает весь Индийский океан! Однако следы его кратера (подводного?) пока не обнаружены.

В настоящее время на Земле известно около 100 структур, которые можно с достаточной достоверностью считать астроблемами⁴. В наиболее полном каталоге, включающем и достоверные, и предполагаемые метеоритные кратеры отражены данные на 230 астроблем⁵.

Признаки ударного метаморфизма.

Не смотря на малую изученность процесса ударного метаморфизма в целом, в настоящее время имеются твёрдо установленные специфические признаки, которые позволяют отличать продукты дробления и плавления, образующиеся при соударении метеоритов с земной поверхностью, от горных пород, вырывающихся при иных геологических процессах. Наиболее яркие из них:

• образование конусов разрушения;

• диаплектовые преобразования в минералах;

• появление высокобарных фаз.

Высокобарные фазы.

К высокобарным фазам выявленным в астроблемах, относятся полиморфные модификации кремнезёма (коэсит и стишовит).

Коэсит известен и в других типах пород и типоморфным для метеоритных структур являются не они сами, а определённые парагенезисы, в которых они наблюдаются. Стишовит, напротив, в земляной коре и верхней мантии образовываться не может и сам факт их находки указывает на ударный метаморфизм вмещающих их пород.

Коэсит и стишовит принадлежат к моноклитной и тетрагональной сингониям и отличаются от тригонального кварца более высокой плотностью.

Кварц: плотность = 2,63-2,67 г/см³

SiO2 Коэсит: плотность= 2,85- 3,0 г/см³

Стишовит: плотность= 4,28- 4,35 г/см³

В Республике Карелия, в её юго-западной части тоже есть астроблема - озеро Янисъярви.

Географическое положение озера Янисъярви.

Озеро Большое Янисъярви расположено в юго-западной части Карелии. Географические координаты центра озера -61°59' с.ш., 30°57' в.д. Относится к бассейну Ладожского озера.

Физико-географическая характеристика.

Площадь водной поверхности равна 174,9 км², общая площадь (с островами) составляет 176,4 км². Наибольшая длина-18,2 км, наибольшая ширина -15 км. Число островов -43. Площадь островов -1,5 км². Береговая линия малоизвилиста, её длина по материку 98 км, с островами -123 км. Объём водной массы-2038 млн.м³. Высота над уровнем моря -66,4 м.

Озеро имеет овальную форму несколько вытянутую с севера на юг. Острова расположены вдоль берегов, кроме трех обособленных, находящихся в центральной части Большого Янисъярви. Берега озера преимущественно каменистые, возвышенные, большей частью покрыты лесом, местами встречаются скалистые берега (т.н. «бараньи лбы»).

Водосборная площадь озера =3650 км². В Большое .Янисъярви поступают воды из расположенного севернее озера Малое Янисъярви через короткий и неширокий пролив Луопауссалми с глубинами не более 2 м. Кроме того, в озеро впадают не менее 20 речек и ручьёв, вытекающих из болот и озёр. Из южного конца озера вытекает порожистая река Янисъёки (Ляскелянъёки), впадающая в Ладожское озеро.

Озёрная котловина Б. Янисъярви состоит из двух основных впадин, расположенных в северной и южной частях озера. Впадины разделяются довольно узкими подводным кряжем с находящимися на нём в центральной части водоёма островами: Исо-селькясаари, Пиени-Селькасаари, Хопеасаари. Глубины на кряже менее 10 метров. Впадины вытянуты с С-З на Ю-В. Наиболее глубокая -южная впадина имеет глубины до 50 и 57 метров. В северной впадине глубины достигают 37 м. Кроме того, в озере имеются отдельные понижения дна (до 13 м), а также луды, особенно многочисленные в С-З части водоёма. Подводные склоны большей частью пологие.

Дно озера в прибрежной части главным образом сложено каменистыми грунтами, ниже расположены каменисто-песчаные и песчаные отложения с включениями черной руды и рудными спайками (на каменисто-песчаных грунтах).

Прозрачность воды колеблется пределах от 2,4 до 3 метров (в августе). Цвет воды- тёмно-жёлтый со слабым красноватым оттенком.

Гидрохимический режим озера, в частности по содержанию кислорода, является удовлетворительным. Активная реакция воды слабо кислая ( pH 6,7-6,5)⁶.

Возраст Большого Янисъярви, как астроблемы, по K-Ar методу составляет 770±10 млн.лет⁷.

Геология этого района хорошо изучена и описана во многих работах, однако, на наш взгляд недостаточно уделено внимания весьма необычным для региона породам, которые при геологосъёмочных работах картировались как породы вулканического образования, без детального изучения. Первая работа, в которой высказана новая точка зрения, принадлежит Пентти Эскола, который отметил, что «изверженные породы Янисъярви имеют состав глинистых осадков» (Escola.1921) и особенности химического состава дацитов Янисъярви являются следствием “ассимиляции больших количеств вмещающих пород, средний состав которых почти точно соответствует составу излившихся пород”.

Используя данные Эскола и сходство пород Янисъярви с импактитами астроблем Лаппаярви (Финляндия), Мин и Деллен (Швеция), М.Р.Денс предположил, что Янисъярви также является астроблемой (Dence. 1971). Эта гипотеза была подтверждена В.Л.Массайтиса (1973) и В.П.Белова (1976,1977), показавшими, что структура Янисъярви имеет все характерные признаки сильно эродированного метеоритного кратера.

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НА ОСТРОВАХ ЯНИСЪЯРВИ