© Copyright - Karim A. Khaidarov, December 30, 2008
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ДИНАМИКА УДАРНОГО МЕТАМОРФИЗМА
Светлой памяти моей дочери Анастасии посвящаю
Динамика ударного метаморфизма горных пород
Как установил в 1924 году новозеландский геофизик Джиффорд, при столкновении малых небесных тел с поверхностью планеты выделяется так много энергии, что небесное тело мгновенно нагревается до высоких температур и взрывается [12, 13]. Позже к такому же выводу пришли Э. Эпик [21] и К.П. Станюкович [22]. Джиффорд объясняет этим круглую кольцевую форму кратеров вне зависимости от угла падения небесного тела.
Джиффордом использовалась формула Максвелла для газов
T = mv2/K
где m - молекулярный вес газа, v - скорость молекул газа, K - постоянная Больцмана,
а также закон сохранения энергии при переходе кинетической энергии удара Eimp в тепловую энергию газа Egas
Egas = Eimp - Emelt - Eevap; Eimp = MV2/2;
где Emelt - энергия плавления; Eevap - энергия испарения; M - масса ударника; V - скорость ударника.
Энергия плавления и испарения имеет значение только для низких температур и тугоплавких веществ. Поэтому для летучей компоненты ударника (льда, воды и газов) можно считать, что v = V. Тогда для наиболее распространенных молекул мы получим диаграмму соответствия температуры испаренного столкновением ударника от его скорости, изображенную на рис. 9.
Рис. 9. Зависимость температуры молекул от скорости ударника.
Из этой диаграммы видно, что для Луны возможно падение ударника на малых скоростях с температурой испаренной массы 500 - 5000°K, то есть возможно невзрывное касание с образованием рвов (rima, vallis).
Для предела планетарных скоростей в 72 км/с температура газа может достигать 10 миллионов градусов, а для галактической скорости 170 - 230 км/с - до 100 млн. градусов, что может вызвать не только ударную волну, но и плавление поверхности планеты в радиусе многих километров.
Однако на самом деле имеет место образование, как минимум, двух различных типов структур: кратеров и цирков. В чем дело?
Анализируя состав и физико-механические свойства кометного вещества, автор пришел к выводу о том, что имеет место два взрыва, соответственно двум фракциям комет.
Первый
"накладной" взрыв происходит практически мгновенно при касании кометного тела поверхности безатмосферной планеты. Это взрыв абсорбированных кометных газов, воды, снега и льда. В данном случае кинетическая энергия вещества кометы практически мгновенно преобразуется в тепловую энергию хаотического движения молекул.Второй "фугасный" взрыв происходит с задержкой на время, необходимое для нагрева и разрушения скальной породы, имеющейся в кометном теле.
Задержка этого взрыва объясняется следующими причинами.
Действие первой причины вполне ясно. На нагрев тела до высокой температуры необходимо время.
Действие второй причины объясняется тем, что типичная горная порода имеет высокую механическую добротность, определяемую кристаллической микроструктурой, то есть эффективный "молекулярный" вес кристаллических составляющих в тепловом взаимодействии очень высок. Каждое зерно породы до разрушения взаимодействует в тепловом процессе как одна молекула очень большой молекулярной массы, а значит, практически не нагреваясь от взаимодействия с молекулами газа, но лишь упруго реагируя на внешние удары. Это может продолжаться до ~100 миллисекунд. Однако если предел прочности породы превышается, происходит взрыв с задержкой на эти миллисекунды. В это время тугоплавкая компонента ударника превращается в своеобразную картечь из реголита и газы, оказывающие фугасное действие на окружающие породы, в которые успел погрузиться ударник. Красивыми иллюстрациями являются Аризонский кратер в США и Патомский кратер в Сибири (см. рис. 10).
Рис. 10. Аризонский кратер в США и Патомский кратер в Сибири
(Отличие в форме кратеров объясняется разным составом и скоростью ударника. В случае Аризонского кратера ударник в основном состоял из консолидированного реголита, насыщенного газами, а в случае Патомского кратера ударник, по всей видимости, имел большую скорость (~50-70 km/s), позволившую ему уйти на большую глубину, и состоял из скального или железо-никелевого монолита. )
Действие третьей причины имеет место только при определенных условиях, а именно, при превышении ударного давления 1,5 мегабар. При этом вещество переходит в особое фазовое состояние, аналогичное тому, которое имеется в ядре Земли. При этом плотность вещества скачком возрастает вдвое, и оно переходит в жидкое сверхсжатое состояние, не взрываясь [11].
Такое состояние вещества дает возможность ударнику преодолеть большую толщу планеты, иногда пробивая ее насквозь. В последнем случае из сквозного отверстия с большой скоростью вылетает расплав в виде жидких струй на тысячи километров (см. рис 11).
Для реализации третьей причины необходима высокая кинетическая энергия ударника, которую имеют только кометы, входящие в Солнечную систему с галактической скоростью порядка 200 км/с, хотя в случае Патомского кратера критическое давление было достигнуто, и с 1770 по 1842 год метажидкое сверхсжатое вещество ударника находилось в скальной ловушке. Затем произошел фазовый переход в обычное состояние с увеличением вдвое объема, вызвавший разрыв скальных пород трубки взрыва и образование вторичного конуса выноса лишнего объема на поверхность [20].
Рис. 11. Выбросы расплава из недр Луны через жерла кратера Тихо, диаметром 88 км, и кратера Коперник, диаметром 94 км, вызванные сквозным пробоем тела Луны.
|
|
 |
