遥感教程第18-2页

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In many respects, impact craters form in a similar manner to explosion craters where explosives are buried at some depth and then ignited. But, the energy needed to form an impact crater begins to act at the point of contact at the surface. As it burrows into the target (rock or water), it has an effective (not real) center of energy release. An impact crater involves energies on the order of thousands to millions of megatons (equivalent nuclear detonation energy). A series of panel cartoons, and accompanying descriptions, shows the sequence of formation of an impact crater (and is also described in the text). The final result is shown as a cross-section.

弹坑力学


没有其他自然事件比冲击更强大、更具破坏性或更具灾难性。假设有一个能够产生50公里（31英里）宽的弹坑，挖掘深度为5公里（3英里）：所消耗的能量是迄今为止制造的所有核爆炸装置（炸弹的委婉说法）的一点同时爆炸的数千倍。我们从这个以焦耳表示的撞击（或爆炸）能量的对数（对数）图中，得到了这些量级的一些概念。

|弹坑频率（以年计）或撞击事件的可能性（到下一次发生给定尺寸撞击之前的平均年数）与撞击过程中释放的能量（焦耳）。|

下面是一个类似的图表，其中包含一些附加信息。在上图中，“西伯利亚”一词等同于“通古斯卡”。

image1

为了了解大型撞击事件的规模，请记住，在广岛爆炸的12.5千吨重的装置相当于大约10个14 J（焦耳），圣海伦斯火山爆发，6×1016 最大的地震释放多达10次18 j（注：能量的焦耳和千吨之间的关系 [kt] 炸药的tnt等于1 kt=4.186 x 10。12 J）。在这种情况下，产生萨德伯里结构（215 km）的影响 [134密] 初始直径）在加拿大发布约1023 j，大约是里氏震级9.0级地震的100000倍（那么，萨德伯里可能会产生类似于14级地震的反应）。稍大一点的是墨西哥尤卡坦的奇克苏鲁布火山口，它被认为是加速残存恐龙死亡的灾难性影响事件的证据（许多家族和类型在这一事件之前已经减少或灭绝）。通常，地震和冲击都是已知的最快的大型地质现象，每一种都会引起地面扰动，在地震发生后最多只能持续几分钟。

（注：弹坑尺寸之间也存在对数线性关系） [直径] 能量释放，如上图所示。为了近似一个有效的图表，只需考虑两点：0.8英里处的陨石坑和134英里处的萨德伯里。能量与直径的比例公式可近似为d=0.1乘以能量e的立方根（单位：千吨）。

` <>`__18-3: The Zhamanshin crater, in Asia, is 13.5 km (8.3 miles) in diameter. From the above graph, are there enough nuclear warheads in the arsenals of all nations combined to make a crater of this size if they are exploded simultaneously underground at one place? Are there enough atomic bombs to bring about nuclear winter? Roughly, what is the time likelihood of an impact of the size needed to have something like a nuclear winter forced on the Earth? (And, did you see "Armageddon" or "Deep Impact" in 1998? Does this potentiality for an impact catastrophe worry you?) `ANSWER <Sect18_answers.html#18-3>`__

这种巨大冲击能量的来源是高速运动的巨大固体质量的直接后果。 Remember from physics that kinetic energy (K.E.) = 1/2 mv:sup:`2`, where m is the moving body's mass, and v is its velocity. 要了解所涉及的数量级，请考虑此计算。让一个直径为30米（98英尺）的铁体（实际上是一颗巨大的陨石）以每秒30公里（19英里）的空间速度（而不是小时）撞击地球，重达20万公吨（约4.4亿磅）。–20 mps相当于72000 mph）。这一影响将产生约2000万吨（相当于TNT）的能量（约10吨）。17 焦耳）它会切割出一个大约一公里半（几乎一英里）宽，185米（607英尺）深的陨石坑。这是陨石坑的大小，我们稍后会检查。喷射过程会将大部分开挖岩石分散到至少10公里的半径。

现在让我们一个接一个地跟踪一个大的或复杂的陨石坑的形成（一个大于5公里 [3 mi] 宽，有一个中心尖顶和同心坍落度壁）。我们使用爱荷华州地质调查局的Raymond Anderson博士创建的一系列侧视图面板（在获得他的许可后在这里使用）来展示开发Manson结构的步骤。作者在20世纪60年代主要研究撞击结构时，被公认为“证明”了这个非常大的陨石坑的撞击起源，有一段时间，许多人认为是“吸烟枪”杀死了恐龙，直到我们发现了它的年龄并取消了它的资格。这座7400万年前、35公里（22英里）宽的陨石坑，其中心点位于爱荷华州得梅因西北约130公里（81英里）处，基本上完好无损，但现在埋在30米（98英尺）的冰川碎片下。

|以下示意图中的每一个都代表了一个大型（复杂）陨石坑形成力学序列中的一个阶段；阅读文本进行描述；右上角圆圈中的数字表示进入玻利德之间的初始接触时刻后的秒或分钟数。E（例如小行星）和地表。虽然这些图表（由R.Anderson编制）专门适用于曼森结构，但它们一般适用于板条箱的形成过程。|

撞击瞬间（0.0秒），目标包括平均90米（295英尺）的中生代沉积岩（主要是白垩纪）（绿色），覆盖高达52米（171英尺）的年轻冰川沉积岩，并下覆495米（1624英尺）的古生代沉积岩（浅蓝色）。这些岩石不整合地位于元古界砂岩和其他红色碎屑岩（黄色）的顶部，其厚度在西南方向增加到近3公里（1.9英里）。整个剖面位于前寒武纪结晶（花岗岩和变质岩）岩石（红色）顶部，埋藏深度约4600 m（15088 ft）。


|Panel 2 - Sequence of steps involved in the development of the Manson structure.|

当撞击器（或玻璃）撞击到这个白垩纪晚期的表面时，0.15秒，它完全破碎并蒸发。当它穿透岩石时，它传递能量（大约2×1023 j）以超音速冲击波的形式产生的压缩压力高达1兆巴（1000000个大气压）。我们通常只能在地球深处（100秒公里）发现这种压力。撞击点附近的岩石蒸发了。由气体和熔化的岩石组成的最初的喷射幕，以一个陡峭的圆锥体向上流动，在这个圆锥体内由射弹通道引起的瞬间局部真空。释放的能量也产生电磁波，电磁波延伸到大气中。

|专题3-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

在0.6秒时，冲击波沿着一个扩大的半球形前沿井向目标推进，在600千巴（kb）左右（或60吉帕）的压力下，岩石发生严重变形。 [Ga] 一种新型压力装置），靠近贯穿件。一小部分目标（高达撞击器最终位移总量的10%）熔化。一些熔融的岩石随着现在被压缩和移动的岩石一起向下移动，经历了破碎。其中一些从陨石坑中推出，落回附近，一些从字面上喷出来的微小气泡，可能已经离开大气层数百英里，然后返回地球的泰克石（玻璃“鹅卵石”）。一种火球开始形成，类似于化学爆炸或核爆炸的地面大气燃烧引起的火球。几秒钟之内，火山口的挖掘阶段开始了，在那里冲击波首先压缩岩石，然后一个尾随波（稀疏波）通过，造成碎片张力。随着波的向外和向下传播，强度降低，峰值压力下降到几千巴的几十秒。


|专题4-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

到6.9秒，由于蒸发、熔化和直接喷射以及目标物质在压缩下离心“推挤”而产生的初始或瞬态弹坑已达到其最大深度。在曼森，这个快速增长的火山口前缘切断了中生代、古生代和元古代沉积覆盖层，很好地进入前寒武纪结晶岩。大部分土料受到不同程度的冲击，这些压力波的影响永久地施加在岩石上。拖曳张力（稀疏）波继续将这些岩石减压，并将其破碎成碎片，从微观尺寸到比房屋更大的物体，这些物体最终以角砾岩的形式沉积下来。

|专题5-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

到了11.0秒，随着挖掘的继续，波前的峰值冲击压力已经下降到20kb（2ga）以下。当压力波从地面零点（撞击点）向外推进时，它们不断地将岩石碎裂成碎片和石块，将它们发射到弹道轨道上，这些弹道轨道使粒子向下运动，然后向上摆动，在仍在增长的火山口上方沿着弧形路径移动。大部分材料沿低到中等角度离开现场。一般来说，粒子从撞击中心越深越远，越晚离开，通常落在较早离开并留在表面附近的粒子上。喷射层倾向于按初始位置的相反顺序沉积，而目标中较低的喷射层则落在上部喷射层的顶部（尽管发生了一些混合）。在火山口壁边缘之外，岩石单元经历了断裂和褶皱。尤其是沿着上墙，沉积岩（层状）向后坍塌，使岩层甚至可能倾覆。

|专题6-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

对于曼森来说，随着最后一次大喷发的出现，火山口在25秒左右达到了最大挖掘直径。其上壁尤其不稳定，并开始沿陡峭的同心裂缝和断层破裂。在火山口的中央底部，下面的岩石开始向上反弹。

|专题7-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

在26秒的过渡标记处，最后一个弹射很好地飞行了。穿过墙壁的岩石片现在开始沿着断层向内滑动。火山口底部开始向上移动，很快就形成了一个中心山峰。这种岩石材料可能是塑性的，因为它几乎向上流动（一个很好的类比是内部的一团水，通过把一块石头投进池塘，射进一个瞬间形成的“火山口”）。上墙的倒塌可能有助于这种效果，因为它朝着中心向下推。

|展板8-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

到了35秒，中心峰达到了它的最大高度（超调），开始在崩塌中形成。

|展板9-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

大约在撞击开始后一分钟，中心的山峰开始下沉到它的最终位置，墙壁滑动并向内倾斜，形成嵌套的或阶梯状的环（见 Tycho image 这些条件的俯视图）。到了这个时候，一些在火山口正上方以高角度留下的物质开始下降。更重、更大的粒子首先沉降，因为由于它们的动量，它们通过大气层的速度更快。

|专题10-曼森结构开发中涉及的步骤顺序。|

在接下来的30分钟左右的时间里，这些沉降物在火山口内外堆积成一个连续的覆盖物。其他以较低角度排出的物质形成了更宽的喷出物围裙，这些后来的沉积物覆盖了这个围裙。这次事件中产生的小颗粒和尘埃绵延数百英里。在南达科他州，人们在500公里（311英里）外的一些地点发现了曼森物质的薄层，而在平流层中旅行的最佳尺寸可能远远超过北美（可能是全球范围）。

` <>`__18-4: To recapitulate, specify the time or time interval at which each of these stages in the Manson crater formation was important: a) Maximum melting of rock; b) Maximum depth of transient crater; c) Moment when shock wave had decayed to about 20 kilobars (roughly the lower limit at which signficant shock features are produced in the rocks; d) Maximum excavation of fragmented rocks; e) Inward failure of crater walls; f) Start of central peak rise; g) Collapse of central peak; h) Deposition of fallout. `ANSWER <Sect18_answers.html#18-4>`__

在撞击发生时，7400万年前，曼森地区几乎肯定是在水下，因为该地区位于一个浅海中。这种冲击应该会产生类似海啸的扰动（以高于800公里/小时（约500英里/小时）的速度行进的陡波前波）。大型物体撞击公海可能会产生巨大的波浪，其初始高度可能超过325米（1066英尺）。如果是这样的话，各种喷射沉积物就不会形成通常意义上的沉积物，因为它们会进入受干扰的水域，并且会不规则地沉积或被返回火山口区域的波浪所搅动。几百万年后，海水退却，使土地遭受侵蚀。大约10%的火山口上部结构和沉积物被侵蚀。现在，更新世时期的冰川沉积物覆盖了火山口，而火山口表面完全没有表现出来。我们展示了曼森陨石坑的横截面（侧视图），因为它今天仍然存在（冰川覆盖层是一条灰色的细线）：

|穿过爱荷华州32公里宽的曼森结构的横截面。|

黄色虚线标出了最后一个瞬变陨石坑的边界，由其表面沿中心峰上升而向上修正。弯曲的同心黑线是断层面，包围着向下倾斜的基岩滑动，以帮助形成阶地。它们的外部极限定义了最大（表面）弹坑直径。

` <>`__18-5: Drillers at the surface above Manson cannot see what they are "aiming" for because of the glacial cover. But, suppose geophysical surveys have outlined the main elements of the crater, so the drill team knows where the center and the rim are located underneath. What would they encounter, as evident in the recovered drill core, if they drilled a) at the center; b) half way out (in the "moat"); and c) into the rim? `ANSWER <Sect18_answers.html#18-5>`__

在上面的小组动画片中，在撞击坑形成过程中遵循事件顺序的大部分内容都可以在实验室尺度上重现。下一组连续的面板是由一个高速摄影机拍摄的照片，照片上的喷射幕是由一个小的（厘米大小的）抛射物从一把气枪射入松散的沙子中的冲击而形成的，气枪将抛射物加速到高速。

在上面的实验中，垂直的黑漆沙被插入到目标材料中作为柱状物（使用薄的赛璐珞管来容纳沙）。冲击后，用液体胶密封目标砂，然后进行切片，其中一个如下所示：

火山口底部下方的黑色沙粒标志显示出向两侧边缘的突然弯曲。这证实了冲击波在沙中引起的运动大致平行于正在形成的陨石坑的生长表面。因此，喷出的沙粒以一定角度向外输送；在最终的火山口底部下方，变形大致遵循这一运动。

主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@nationi.net