遥感教程第18-4页

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在人们对撞击坑及其形成机制知之甚少之前，大多数地质学家认为地球上的撞击坑是由火山或其他纯粹的地球起源造成的。但是，在地壳上部发生的任何已知的内生过程中所涉及的压力都很低。通过计算和直接测量确定的地下核爆炸（或通过向岩石发射高速导弹在实验室中产生）产生的压力比火山作用、山区建筑等相关的压力高得多。受这些影响的岩石爆炸或燃烧对矿物有独特的影响。在撞击结构中发现的岩石具有相同的作用，在任何其他类型的陨石坑中都没有观察到许多特性。结论是，撞击和爆炸改变了它们所作用的岩石，现在被称为冲击变质作用。这是本页的主题。


注：作者（NMS）是第一批从事和发展 冲击变质作用 . 这是偶然发生的。1960年，当我在劳伦斯利弗莫尔实验室（加利福尼亚）为原子能委员会工作时，我开始好奇核爆炸对周围岩石的影响。我发现了许多文学中没有描述的现象。然后，我参加了在纽约科学院召开的一个关于陨石坑的会议，听到/看到了几篇描述在假定的撞击坑中发现的岩石影响的论文。这些和我在核爆炸岩石中发现的一样。这些爆炸产生的巨大压力与撞击时计算的相同。因此，我对该领域的贡献是证明，自冲击岩石受到的冲击变质作用与在核爆炸岩石中观察到的冲击变质作用相一致以来，冲击地点所经历的压力超过了任何其他陆上近地表过程所知道的水平，在该岩石上通过仪器直接测量了吸声压力（数百千巴）。QED。

冲击变质作用

到目前为止，我们发现撞击事件的最佳指标出现在离地面足够近的岩石中，以承受20至500 kB的冲击压力。千巴（kb）是由一千个大气压的重量产生的压力，大约是最深海底水的两倍。它也相当于约3公里（2英里）上覆岩石的重量效应。这些压力通常是静态的，而冲击压力是动态的，随着冲击波的传播，其上升速度很快，几乎是瞬间的。这些压力大大超过了由内部力引起的常规变质作用在上部地壳岩石中产生的压力。岩石经历了独特的变化或变化，如 冲击变质作用 . 这些变化可分为激波变质作用增加的阶段，如图所示：

随着压力的增加（以及与压缩有关的岩石中的“能量沉积”导致的相应温度升高），单个矿物的倾向是经历相变（变成更高密度的形式），然后融化，其中一部分岩石经历了e蒸发的最高压力。注意，静止固体岩石的冲击后密度向右减小。

此处显示了冲击现象作为特定温度（t）和压力（p）函数的一般图：

|冲击变质的压力/温度条件和常规地壳变质图。|

` <>`__18-9: What is the lower limit of shock pressures at which some physical change of state (including phase transformation of one mineral to another) defining a stage of shock metamorphism occurs; the upper limit(s)? `ANSWER <Sect18_answers.html#18-9>`__

我们显示了P-T图（作为相 [阶段] 字段）用于左下角的常规变质作用。冲击波产生的压力和热量以惊人的方式改变了单个矿物的晶体结构。普通矿物石英在高压下转变成一种称为 柯石英 . 在更高的压力下，另一种形式的硅，SiO2 ，被称为 辉锑铅矿 发生，尽管在高温下可能不稳定。 平面变形特征 （见下文）在各种压力下发展。

在更高的压力下，晶体可能会发生原子结构位移，在不经过熔融阶段的情况下将其转变为玻璃。这些 偏斜的 眼镜通常保持原来的形状（例如，颗粒），从而形成被称为 形态化石 . 下面的照片显示了作者（NMS）从内华达试验场冲积层中的核弹坑爆炸（100千吨装置）中抛出的喷射物中收集的花岗岩的一个小的手工样本。该样本仅包含玻璃晶体，其中单个晶体（包括较大的长石六面斑晶）保持完整，没有任何熔融状内部流动。
冲击变质作用是渐进的，也就是说，随着冲击压力的增加，其作用形式也会增加或改变。这种类型的变化在这一系列的X射线光谱仪衍射图中很明显，这些衍射图是由粉末状材料上的铜K-α辐射制成的，从八个石英岩样品中提取出来，作者收集这些样品作为轿车核弹坑爆炸的喷射物。

|轿车石英岩的X射线衍射图。|

作用在每个样品上的峰值压力未知。我根据其他标准，按照冲击损伤增加的顺序，从左到右排列显示的顺序，重新绘制每个样品的条形图记录。近20°、27°、36°和39°的峰值代表石英反射面（晶体指数在右侧）。接近28°、29°和31°的峰值与长石有关。27°处（101平面）的峰值对晶体结构完整性的程度特别敏感。随着冲击损伤程度的增加，峰高会随着该结构的逐步无序化而降低，从石英开始，随着微裂缝（样品A-2和767-1）的发展，并进入到底辟玻璃阶段（样品A-8和A-6），在该阶段，晶体结构会发生明显的破坏。结构变得异常紊乱。

在岩石学显微镜下，我们发现冲击变质效应在薄片（厚度为0.03 mm的岩石地面薄片）中效果最好。在接下来的11幅插图中，我们以显微照片的形式呈现这些特征。当在平面偏振光（pp）下观察样品时，我们在括号中包含符号pp；否则，如果没有符号，我们在横偏振光下观察截面。

一个独特的变化是由产生平面变形特征（PDF）的亚微观破裂和沿晶面滑动引起的。在岩石学显微镜下，我们在石英和长石（两种非常常见的造岩矿物）的薄片上显示了这些特征的很好例子。图中顶部（pp）是由石英中的pdfs装饰（被微小气泡变暗）而成，位于花岗岩中，是作者1993年研究的曼森结构的核心。冲击损伤可能是如此强烈，以致于引起一种褐色变色，称为“烘烤”，如图中所示（底部图像，pp），在这组石英晶体中（作者解释为曼森花岗岩碎屑中单个晶体破碎所致）。

` <>`__18-10: How many different sets of PDFs (i.e., different orientations) can you discern in the top photomicrograph above? `ANSWER <Sect18_answers.html#18-10>`__

在一块砂岩（上图，pp）中，石英中有多组未经修饰的pdf，参与了轿车核弹坑事件。当氢氟酸（HF）腐蚀一片冲击岩石时，它会选择性地去除PDF中无序的硅酸盐材料，留下一个缺口。在底部图像中是一个来自轿车砂岩的石英颗粒，在电子显微镜下的高倍放大下进行了检查，这证实了这种去除，表明PDF是由无序SiO组成的。2 转换成更容易被蚀刻的玻璃。请注意，PDF确实是非常平面的。

在下一对显微照片中，顶部图像是一组单独的PDF，呈阶梯状（倾斜）排列在交替孪晶中，位于曼森花岗岩中的钠长石晶体中。在底部图像中，在Carswell Lake（Canada）冲击结构处的花岗岩中的长石呈现出强烈的“扭结”（我们也将其称为变形片层）：

云母矿物黑云母，由非常薄的劈理组成，像书中的书页一样堆叠，也很容易扭结，如下图（pp）所示，对于遭受核爆炸的花岗岩样品。当压力进入400千巴范围时，曼森花岗岩中的长石开始融化，如底部照片所示，呈暗灰色流动带，但岩石仍然完好无损（石英仍然是结晶的）。

` <>`__18-11: Visually, what do the biotite kinks remind you of that you have seen before in this Tutorial? `ANSWER <Sect18_answers.html#18-11>`__

在更极端的压力下，矿物颗粒可以转化为玻璃，而不会改变其原始形状，即，质地保持不变，而成分则从结晶变为玻璃状。我们用显微镜（pp）观察了内华达州试验场的轿车核弹坑周围的砂岩中石英颗粒的形貌。SiO 2 似乎经历了初期的蒸发，如偶尔的圆形囊泡所示。
在400-500千巴的压力范围内，岩石融化，就像严重加热一样（超过大约半兆巴，岩石开始蒸发）。熔化过程很快会骤冷为玻璃，并可能成为混合在角砾岩中的奇异质量，或是最终火山口底部附近的离散层。顶部是角砾岩（称为 苏维埃岩 局部）来自巴伐利亚州的Ries火山口，该火山口含有冲击熔融岩石（棕色流带）和带有PDF的石英堵塞碎片。在底部的照片中是来自马尼卡干火山口（魁北克）的熔融物，其成分接近长石，其中长石晶体在熔融物淬火后迅速生长到位。

上面所示的多形性和类型的偏微分方程仅出现在涉及结构的岩石中，这些结构至少具有一些撞击坑的特征。它们也很容易形成在核爆炸周围的岩石中，在那里仪器可以直接测量数百千巴的压力。而且，我们可以在实验室里用控制爆炸来制造这些压力范围，比如作者发明的内爆管法。它们不存在于与火山爆发有关的角砾岩岩石中，那里的压力很少超过10 kb。它们的存在是撞击事件导致结构变形的决定性证据。

作者在劳伦斯利弗莫尔实验室时，利用现有的设备对材料进行冲击实验。一个是从退役战舰上获得的16英寸炮管和装弹室。有几次，我向岩石目标发射了平头炮弹（在封闭的房屋内），回收了样本，研究了冲击效应（主要是压裂）。这是大炮。

16-inch cannon facility for sending projectiles against targets enclosed in rigid containers and held in sand within the housing on the left.

这时，作者发明了一种新的方法来震动岩石。利用原子装置引爆的一些原理，他设计了爆管法，如图所示。

右图所示的小管由黄铜或钢制成。它的中心被挖空了。其中包括有芯岩石或矿物样品，或由此类样品组成的松散砂。管子是焊接的。然后用定位器沿着一个大的、直径4英寸的铝管（左）的中心轴放置，铝管内充满液体炸药。爆炸后，气缸被炸开，但冲击波也向内移动，挤压（内爆）回收的样品容器。内部样品在最高500千巴的峰值压力范围内受到冲击。通过在车床上锯切或切割将样品从管子中取出，然后在岩石学显微镜下作为薄片进行检查。下一张图片是一张平面特征的显微照片，该平面特征是在内华达试验场地内爆的未封闭砂岩样品上，以约200千克的速度形成的。

在一年的时间里（1963-64年），作者用这项新技术冲击了30多种岩石类型、25种不同的矿物和几种砂的混合物。在撞击结构岩石中发现的大多数现象都是通过这种技术重现的（包括唯一已知的方解石玻璃例子）。

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