1.2.4 Шоковий метаморфізм

Чисельні хімічні аналізи найрізноманітніших метеоритів показали, що метеорити складаються із тих же хімічних елементів, які відомі і на Землі. Ніяких нових елементів, які не були б відкриті на Землі, в метеоритах не виявлено. Це ще раз доводить, що всі небесні тіла складаються з одних і тих же хімічних елементів. А з другого боку - метеорити мають ряд особливостей в мінералогічному складі, головним чином у внутрішній структурі. Вони вказують на інші умови утворення метеоритів, порівняно із земними гірськими породами.

В наступній таблиці (табл. 1.1) наведений середній хімічний склад метеоритів різних класів. В таблиці вказані лише ті елементи, які зустрічаються в метеоритах в значній кількості.

Таблиця 1.1

Кларки найпоширеніших хімічних елементів у метеоритах

З таблиці видно, що найбільше в метеоритах поширені слідуючі вісім хімічних елементів: залізо, кисень, магній, кремній, нікель, сірка, кальцій і кобальт. Кисень в метеоритах знаходиться в хімічному звязку з іншими елементами. Одна з найхарактерніших особливостей метеоритів в тому, що хоча і кисень має найбільшу частку в їх хімічному складі, порівняно з земними гірськими породами, метеорити є бідними на кисень.

Метеоритний удар руйнує породи земної кори і створює нові породи і мінерали, фізико-хімічні параметри формування яких принципово відрізняються від умов утворення осадових порід. Породи метеоритних кратерів утворюють особливу групу, або формацію, яка була названа В.ФЕнгельгардтом імпактною.

Породи метеоритних структур поділяються на ряд структурно-літологічних комплексів: 1) цокольний - не переміщені породи; 2) коптогенний (імпактний) - кратерні брекчії і переплавлені породи; 3) заповнюючий - постударні осадочні відклади в кратерній заглибині; 4) перекриваючий - пізніше регіонально виниклі породи; 5) інєкційний - вторгнення магматичних розплавів.

Магматичні прояви можуть бути поділені на тригерний магматизм, тобто вторгнення магми одразу після удару (при цьому метеоритний удар послужив ніби спусковим гачком) та пізніше проникнення магми, яка використала систему імпактних розломів в ролі підвідних каналів.

Імпактні породи, тобто породи, які виникають в результаті метеоритного вибуху, поділяють на дві групи: переміщенні в результаті вибуху і ті, що залишились на місці - непереміщені. Непереміщені породи залягають на дні кратера і утворюють ауті генні брекчії, які місцями подрібнені до стану гірської муки. Породи ауті генних брекчій дуже порушені тріщинами і деформовані: розліновані, ускладнені конусами руйнування, інтенсивно зігнуті і викручені.. для ауті генних брекчій характерними є текстури конусів руйнування і особливо текстури гріс. Конічна структура утворюється конічними поверхнями, по яким розколюється порода. Текстура гріс (або цементна) - це текстура, в якій гострокутні та овальні уламки порід зцементовані дрібно перетертою масою того ж матеріалу. Породи з текстурою гріс дуже міцні, щільно зцементовані, їх важко розбити геологічним молотком.

До переміщених порід належать аллогенні і «строкаті» брекчії, зювіти і тагаміти (рис.1.7.).

Рис.1.7. Замальовка ударних зколів на уламках аллогенних брекчій

Аллогенні, або літоїдні, брекчії - це подрібнені породи, перенесені повітряним шляхом або ковзання по дну під час вибуху з наступним відкладанням. При всій різноманітності аллогенні брекчії мають ряд ознак, які дають можливість відрізнити їх від звичайних брекчій. Крім великих розмірів уламків і відсутності сортування, для аллогенних брекчій характерна гострокутність всього дрібного уламкового матеріалу, часті пірамідальні форми уламків, і характерний рельєф сколів. В них зустрічаються уламки з гострими, гачкуватими виступами, які не могли зберегтися ні при якому перенесенні. Деякі уламки розбиті рваними тріщинами, в які ніби вторглася матриця, що зцементувала породу. Л.П.Хряніна (за [2]) описує декілька різновидностей аллогенних брекчій:

1. Кліппенові брекчії і мегабрекчії зустрічаються у великих структурах (діаметром більше 20км). Кліппенові брекчії утворюють перервні зони біля внутрішніх бортів кратерних лійок і складені блоками порід від сотень метрів до 1-3 км включно, між якими розміщується дрібноуламковий матеріал. Мегабрекчії зазвичай знаходяться всередині лійки, вистилаючи дно кратерів. Великі брили в них мають розмір до десятків метрів.

2. Брилові, щебенисті, жорствяні брекчії поширені у верхніх горизонтах імпактних товщ і мають розміри уламків від метрів до міліметрів.

3. Псаміто-алевролітові (піщані) брекчії, або контокластити - дрібно уламкові породи типу пісковиків і пісків з окремими уламками або брилами порід.

За кратерні або «строкаті» брекчії були відкриті і детально вивчені навколо кратера Ріс (ФРН). Основну масу їх обєму складають місцеві. За кратерні породи, які зазнали «бульдозерного ефекту» на глибину 50м (при діаметрі кратера 25км), а потім перенесені на 20-30км від кратера. Уламки в «строкатих брекчіях» мають розміри від сантиметра до півкілометра. Оскільки «строкаті брекчії» складені в основному осадочними породами, що залягали поза кратером, ознаки шок-метаморфізму в них знайти дуже важко: породи з кратера складають незначну частину їх обєму. Тому їх діагностика в більшій мірі проводиться за їх геологічним положенням.

Які ж існують можливості в польових умовах встановити генезис брекчій? Перш за все від земних звичайних порід ці імпактні утворення відрізняються наявністю ознак шок-метаморфізму, який може виникнути лише під час миттєвої і різкої зміни температурних умов і тиску, обумовлених вибухом. Природно, що різка зміна температури і тиску , викликаних вибухом, повинна призвести до появи новоутворень серед гірських порід. Такими новоутвореними породами є зювіти і тагаміти.

Зювіти - імпактні брекчії з несортованими за розмірами і необкатаними уламками, з вмістом скла плавлення більше 10-15%. За структурою вони подібні до вулканічних туфів і так як туфи, поділяються за складом уламків і вмістом скла на вітро-, кристало- і літокластичні. Розмір бомб і уламків скла - від часток міміметра до 20-30см, вміст їх в породі коливається від 10 до 50-80%. Крім того, розрізняють зювіти зі слідами спікання і без них. Під час вивчення кратера Ріс вони були названі високо- і низькотемпературними (за [2]). Високотемпературні зювіти звичайно переважають в придонних частинах розрізу імпактів. Низькотемпературні - без слідів стікання - перекривають аллогенні брекчії. Цементуюча маса зювітів аналогічна цементу аллогенних брекчій, але іноді ущільнена і збагачена склом. Зювітовий пісок у великих структурах утворює лінзи і поля на поверхні зювітової товщі і має місцями лінзоподібну шаруватість. В оголеному вигляді зювіти являють собою бурі, зеленуваті, сірі брекчії (схожі на туфи), в яких кількісно переважає цементуюча дрібно уламкова маса, що містить уламки гірських порід, а також бомби і ущільнені скляні уламки зі слідами аеродинамічної обробки. Іноді зювіти нагадують ігнімбрити з характерними лінзоподібними уламками скла, що схожі на фямме. Колір уламків скла від фіолетового до темно-сірого. Видозмінені уламки скла іноді мають вигляд білих каолінових уламків. За розмірами уламків зювіти поділяють на: брилові (уламки більше 20см), агломератні (3-20см), лапілієві (1-3см), дрібноуламкові (менше 0,25см)

Тагаміти - це застигші ударні розплави,по суті, це імпактні лави. Вони утворюють дайки, пластоподібні тіла, складчасто-лінзовидні, трубоподібні і неправильної формив аллогенних брекчіях і зювітах. Їх товщі у великих структурах - від часток сантиметра до 100м і більше. Вони схожі із земними магматичними проявами. Крім того зустрічаються тіла тагамітів не схожі з вулканічними товщами, деревоподібні або амебоподібні безкореневі тіла в аллогенних брекчіях і зювітах, а також тонкі, іноді волосковидні прожилки скла товщиною від см до десятих часток міліметра. Тагаміти схожі із лавами або інтрузивними породами, але відрізняються від них неоднорідністю розчинених уламків порід. Під мікроскопом видно, що тагаміти складені склом і уламками гірських порід і мінералів, які мають ознаки шок-метаморфізму.

Оскільки в тагамітах розплавлюються такі тугоплавкі мінерали, як циркон, зрозуміло, що температурарозплавів була не менше 1700-1800єС. Петрографічний вигляд і текстура тагамітів залежать перш за все від ступеня неоднорідності скла (часто змішане скло різного кольору), кількості і ступеня розчинення уламків, а також від ступеня розкристалізації скла. Хімічний склад тагамітів різко відрізняється від лав, схожих з ними за вмістом кремнезему.

Як видно із опису, породи метеоритних кратерів мають риси схожості з рядом земних утворень. Аллогенні брекчії, зювіти, „строкаті брекчії”, схожі на осадочні брекчії, туфобрекчії, вулканогенно-осадові породи, олістостроми, відклади грязьових потоків, льодовикові моренні відклади. Але між ними є суттєві відмінності.

Тагаміти за зовнішнім виглядом схожі на лави, або інтрузивні породи, але відрізняються неоднорідністю будови, плямистим забарвленням і присутністю частково розплалених уламків порід. Під мікроскопом в земних лавах пррисутні мінерали тонкозернистої основної маси. В тагамітах немає ідіоморфних вкраплень, а є лише уламки кристалічних зерен і зазвичай видні в різній ступені переплавлені уламки порід.

Головною відмінністю імпактних порід від земних є наявність ознак шок-метаморфізму, який обумовлений високим тиском і температурою, нехарактерними для земних процесів. Ознаки шок-метаморфізму, отримані експериментально при лабораторних вибухах і ударах з точно відомим піковим тиском і шляхом вивчення зональності шок-метаморфізму в місцях ядерних вибухів, де точно відомі тиск і температури на різній відстані від точки вибуху. Утворення вибухових кратерів характеризується величезним тиском, який досягає мільйонів мегапаскалів, що значно більше не тільки звичайних тектолітних напружень порядку (0,5-1)·102 МПа, але і потужності вибухових вулканічних вивержень, які не перевищують (3-6)·102 МПа. При цьому характерно, що тиск, який виникає під час контакту метеоритного тіла і земних порід, встановлюється на дуже короткий час не тільки в геологічному, але в звичайному людському розумінні, тобто секунди або навіть частки секунди, значно рідше хвилини, наприклад, під час метеоритного дощу. Потім відбувається різке падіння тиску майже до вакууму, але температура підвищується при цьому до 5000єС, а іноді і значно вище.

Спад температури відбувається повільніше, ніж падіння тиску, але швидше, ніж при звичайних геологічних процесах. Вчені не виключають, що речовина при тиску вище 105 Мпа в такому процесі перетворюється в іонну плазму. Згідно погляда М.Денса при тиску вище 2·105 Мпа відбувається повне плавлення порід, а згідно даних Шубера, в зонах атомних вибухів і в метеоритних кратерах під впливом великих енергій відбувається трансмутація елементів і відповідно змінюються їх кількісні співвідношення в новоутвореному склі.

Енергія, яка виділяється при утворенні великих метеоритних кратерів типу Попігайського (1030 ерг) і навіть при утворенні таких невеликих, як Арізонський (1028 ерг), на декілька порядків перевищує енергію найбільших атомних вибухів (1023 ерг).

Таким чином, процеси, які відбуваються в земних гірських породах, при ударному контакті з метеоритним тілом різко відрізняються від звичайних тектонічних процесів короткочасністю, якщо не сказати миттєвістю, протікання, різкими стрибкоподібними перепадами тиску, високотемпературним режимом, високою швидкістю ударних деформацій, що в 1020 перевищує швидкість звичайних тектонічних деформацій. Поряд з цим вони де в чому схожі до вулканічних і, особливо, до сейсмічних процесів. Схожість зі звичайними тектонічними процесами спостерігається в утворенні залишкових деформацій, що виникають після зняття ударних напруг у вигляді розтікання і подрібнення гірських порід.

При проходження фронту ударної хвилі щільність і обєм мінералів змінюються спочатку поступово, а потім стрибками. Останні обумовленні утворенням більш щільних різновидів мінералів. Виникнення нових різновидів повязано з межею тиску, при якому одноосьове пружнє стискання в мінералах переходить у всестороннє гідростатичне. Для кварцу, калієвого шпату, гранату, екстатіту, жадеїту і олівіну ця межа в експериментах починається при 4-8 ГПа. Утворення більш щільних модифікацій більшості мінералів починається при тиску 12-20 ГПа і закінчується при 35-40 ГПа.

Найзручнішим мінералом для спостереження ефектів ударного метаморфізму є кварц, оскільки він не має і в ньому особливо добре видно ударні тріщини. Крім того кварц практично не зазнає вторинних змін. При незначних ударних навантаженнях в кварці зявляється паркетовидне згасання і подрібнення по тріщинах неправильної форми, а потім ударний кліваж, схожий на спайність за двома напрямками. При тиску приблизно до 10ГПа виникають планарні тріщини - тонкі паралельні тріщини з відстанню між ними біля 20мкм, зазвичай відкриті і не завжди рівні. При тиску 10-15ГПа ці тріщини розвиваються в системи закритих планарних елементів. Вони схожі на спайність, але розвиваються в різних напрямках, вони більше зближені ніж спайність. В одній зернині кварцу може бути до 7-9 систем планарних елементів. При збільшенні ударного навантаження від 10-15 до 250 ГПа, кут між полюсами систем планарних елементів і оптичними осями кварцу послідовно зростає. При тиску 12-45 ГПа атоми в решітці кварцу зближуються і він переходить в іншу кристалічну фазу - стішовіт. Це мінерал тетрагональної сингонії, його щільність 4,35г/см3, показники заломлення 1,845-1,799. в хвилі розряження утворюється інша модифікація кварцу - коесіт зі щільністю 2,92-3,01г/см3, показники заломлення 1,60-1,599.

Крім метеоритних структур, коесіт зустрічається у вигляді включень в алмазах і уламках мантійних порід, тобто є глибинним, можливо мантійним мінералом. В приповерхневих умовах коесіт не утворюється, лише в кавернах, які утворюються при ядерних вибухах.