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“神秘”的陨石坑

2017-2-10 16:04:45 来源:中国矿业报 作者:杨弦章 秦昭 王申娜 宫下哲人 赵耀

陨石撞击坑形成模拟图。

自古以来,陨石就被视作预兆凶吉的天象。在不少影视作品中,流星划破天际或是陨石坠落地面的瞬间,都会发生一些不寻常的事情——“主人公开启时空穿越之旅”、“非凡之人呱呱坠地”、“一代枭雄黯然离世”……

就连去年12月热映的一部电影《你的名字》,其故事架构也源于一次彗星造访。

那么,陨石在亲吻大地的瞬间究竟发生了什么?地球上都有哪些著名的陨石坑?那些神秘的陨石坑长啥样?

小行星撞击地球导致生物大灭绝?

在墨西哥尤卡坦半岛北部有一个直径达到180千米的巨大陨石坑,被称作希克苏鲁伯(Chicxulub)。它被认为是小行星撞击地球导致恐龙大灭绝的最直接、最有力的证据。“希克苏鲁伯”在当地玛雅语中的意思是“魔鬼的尾巴”,因此国内也有人将它译为“魔鬼角”。

撞击不但在转瞬间制造出一个直径80千米的巨大撞击坑,还把超过10亿吨的岩石击飞。这些碎屑和烟尘中的一部分飘散进平流层,并在短时间内给地球蒙上了一层“面纱”。阳光无法到达地面,地表温度迅速下降,无尽的冬日袭来。依靠光合作用合成养分的植物最先死亡,紧接着是植食性动物和肉食性动物。大部分生物没能度过这个黑暗寒冷的“撞击冬天”,走向了消亡。

在接下来的漫长地质时期内,陨石坑底下的高密度物质由于失去了上覆地层的压力不断抬升,形成了一个高大的山状突起。经过长期的风化侵蚀和重力平衡作用,突起部分逐渐缩小了与周边地区的海拔高差,而最初的陨石坑也被厚达1000米的泥灰和石灰岩所掩埋。因此,在今日的希克苏鲁伯已经完全看不到陨石坑曾经的模样。

所谓陨石坑,用科学术语来说就是小行星、彗星和流星体等小天体超高速撞击行星及其卫星表面形成的凹坑或环状地质构造。据研究者估计,在40亿年前太阳系形成的早期,宇宙间的陨星撞击频率可能比现在要高出1000倍,并对太阳系行星的形成和演化起到了重要作用。

由于大气层的保护,和外星球相比,裹着厚厚防护层的地球遭到陨石撞击的可能性不及其它星球的万分之一。可即便这样,据陨击构造学家估计,在地球演化史中出现的直径大于10千米的陨石冲击构造不少于1500个,小陨石坑的数量就更多了。不过,由于地质作用的改造以及表面的侵蚀破坏,直径20千米的撞击坑在6亿年后仍可辨识,而直径仅1000米左右的小撞击坑在百万年后即面目全非。在漫长的地球岁月里,只有少数古老的陨石坑幸运儿能被保存下来,与人类相遇。

想要一睹陨石坑?也不是什么难事

在辽宁岫岩,坐落着中国第一号陨石坑(图一)。越过陨石坑的“坑缘”——一道高约150米的环形山脊,一只静卧在群山之中的巨大“海碗”便呈现在眼前。“碗”的直径有一两千米,收纳着几十户人家,田园牧歌,鸡犬相闻。

图一

图二

图三

因为奇特的地貌特征,当地人把它叫做“圈里”,“碗”之外的世界则叫“圈外”。这里的居民祖祖辈辈生活在“大海碗”里,以种植玉米和大豆为主。“碗”很慷慨,他们的收成一直不错。长久以来,淳朴的“圈里人”一直以为自己生活在一个小盆地中。一些“怪事”偶尔困扰着他们——如果往地下深挖,就能挖出一种可以当肥料的黑土,晒干之后还可以烧。此外,“圈里”的水质不太好,口感有些涩。

实际上,学者们早就注意到了这一奇特的地貌,并进行了一系列细致的研究。从地面向下,先是107米厚的湖泊相沉积物,再往下则是厚度为188米的冲击角砾岩,然后才是碎裂的基岩。

通过放射性同位素定年分析,这一撞击事件约发生在距今5万年前,击中岫岩的陨石直径不超过100米,却爆发出数百颗原子弹的威力。这巨大的能量不仅让陨石在天际大冲撞一刻化为无数碎片和气化,还撞出一个直径1800米、深近500米的大坑。在漫长的岁月里,这个大坑曾发育成为湖泊。3.9万年前,坑缘出现了缺口,遂逐渐演变为今天的碗形凹地。这也解释了“圈里”的种种怪现象——大坑里水源丰富,植被茂盛,使土壤变成了含碳量较高的黑色泥炭土。泥炭土层中的水不流动,所以水质不好,所谓的浮油则可能是腐殖质。

一颗陨石一个坑?那可不一定

陨石和陨石坑是一对有趣的搭档,它们往往并不同时出现。很多大型陨石坑中都是典型的“有坑无石”,即撞击能量较大,陨石气化,消失无踪。

世界上最重的陨石——荷巴陨石重量接近66吨,体积庞大,它在8万多年前降落在地球上,却没有留下陨石坑,这便是典型的“有石无坑”。有研究称,它可能是以一个非常长和浅的角度进入地球大气层的。

陨石若能以每秒十几千米到几十千米的“宇宙速度”撞击到地表上,其强大的冲击波引起爆炸成坑才能“轰”出真正的陨石坑。如果因为种种原因,如因大气的阻止而不断减速,最后只是“降落”或“飘落”到地面上的话,就不会产生冲击波和引起“爆炸”成坑,就算砸出一点凹陷,也算不上是学术意义上的陨石撞击坑。

想要成为陨石坑?基因得纯正

在国际科学界,陨石坑要获得认证,可并不是件容易的事情。对于陨石坑来说,最关键的“DNA”有三类——矿物击变面状页理、矿物击变玻璃、冲击形成的高压多形(柯石英、斯石英等)。尽管找到其中一类即可“验明正身”,但是许多大型陨击构造的确定都经历过数十年的反复探索。例如:美国巴林杰陨石坑和德国里斯陨石坑曾在相当长的时间里被认为是火山活动的结果,而南非Vredefort陨石坑在被提出陨击成因后过了30年才得以确认。

判断一个地表环形结构是不是陨石坑,需要经历一个综合、复杂的过程。宏观证据包括外形是否为环形、碗状,坑内有无砾石层等,微观则是需要找到岩石和矿物冲击变质的证据。其它,如地层层序相反、陨石碎片、特殊元素地球化学异常等也可以作为判定参考。而在所有的证据中,被撞击靶岩发生的冲击变质结果才是核心的诊断性证据,其它的都是附加判别依据。

这样严苛的判断标准是有原因的,在地球环境中,环形构造的形成原因很多,好似悬疑案件中巨大的干扰信息——地壳地质构造变动、喀斯特天坑、盆地、冰斗、火山口、地表岩石的风化剥蚀等都能形成环形构造。它们的形貌看起来和陨石坑十分相似,“基因”却是大相径庭。以中国来说,曾被疑似为陨石坑的贵州息烽环形构造,后被学者证实为古老的盆状向斜在构造作用下形成的涡旋构造,而粤北始兴县的“龙斗攀”环形坑则是山间河谷型侵蚀盆地。而在所有的干扰中,微观的冲击变质证据有着独特的优势——以矿物击变面状页理为例,在地球上除了陨石撞击和核爆炸,任何其它地质作用包括火山喷发、构造运动和地球深部高温高压等都不可能在矿物中产生这种特殊的矿物变形特征。

那些真假难辨的“大坑”

从表面上来看,图二和图三的环形构造十分相似,但是形成原因却大相径庭——图二是帕米尔高原的一个火山口,图三则是加拿大魁北克的平考努特(pingualuit)陨石坑湖。其实,地球上诸如此类的环形构造还有很多,除了火山口之外,还有小盆地、天坑、冰斗等,它们在外表上和陨石坑十分类似,但“身世”截然不同。

海南白沙黎族自治县有一处疑似陨石坑,这里茶园青葱、土地肥沃,但“血统”未明。在这片大地上还有一种争议颇多的“宝贝”——雷公墨。关于它更是众说纷纭,不少研究者认为,雷公墨是陨击形成的,但反对者则称它很可能是火山的产物。

东北以陨石雨著称,吉林陨石博物馆吸引了众多爱好者,而在距离沈阳不远处,还有一处被称为“陨石山”的地方。当地人认为,山上的诸多巨石也是天外来客。不过,这座所谓的“陨石山”并未获得科学界的公认。一位资深学者称,中国目前对陨石和陨石坑的研究和命名还有诸多不科学、不严谨之处。可见,科普工作仍任重道远。△

编辑:宫莉

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