MoneyMan

В течение миллиона лет после падения астероида под Чиксулубским кратером работала гидротермальная система

Рис. 1. Слева: марсианский кратер Лоуэлл (Lowell crater) — характерный пример кратера с кольцевым поднятием, морфологический аналог кратера Чиксулуб. Снимок сделан в 2000 году космическим аппаратом Mars Global Surveyor. Фото с сайта photojournal.jpl.nasa.gov. Справа: гравитационные аномалии полуострова Юкатан (затененная нижняя часть карты) и прибрежной части Мексиканского залива, подчеркивающие внутреннюю структуру кратера Чиксулуб. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

В конце мелового периода в районе мексиканского полуострова Юкатан упал крупный астероид, — это особытие стало главной причиной вымирания динозавров. Образовавшийся в результате кратер Чиксулуб — крупнейший кратер на Земле с практически ненарушенной внутренней структурой. Его активно исследуют в том числе и в рамках программ наземного и подводного бурения. Новые данные, полученные в ходе изучения керна из скважины, пробуренной в районе кольцевого поднятия этого кратера, свидетельствуют о том, что после ударного события под ним образовалась мощная гидротермальная система. Это первая гидротермальная система, функционирование которой связано с метеоритным кратером. За сотни тысяч лет своего существования она изменила химический и минералогический состав огромного блока земной коры на глубину сотни метров от поверхности.

Кратер Чиксулуб расположен в Мексике. Примерно половина его находится на суше полуострова Юкатан, а остальная часть — на дне Мексиканского залива. Кратер образовался примерно 66,5 млн лет назад в результате падения астероида диаметром не меньше 10 км, ставшего причиной массового вымирания и ознаменовавшего окончание мелового периода (см. новости Жизнь вернулась в кратер Чиксулуб почти сразу после падения астероида, «Элементы», 08.06.2018 и Основная причина мел-палеогенового вымирания — падение астероида, а не формирование Деканских траппов, «Элементы», 05.03.2020). Чиксулуб относится к так называемым кратерам с кольцевым поднятием (или пиковым кольцом, см. peak ring, рис. 1). Общий его диаметр составляет 180 км, диаметр пикового кольца — 70–80 км.

Считается, что образование кратера произошло в течение нескольких минут — твердые породы расплавились и затем быстро затвердели (U. Riller et al., 2018. Rock fluidization during peak-ring formation of large impact structures). Моделирование показало, что кольцевое поднятие при этом было сложено завернутыми вверх наиболее горячими породами подошвы земной коры (рис. 2).

В течение миллиона лет после падения астероида под Чиксулубским кратером работала гидротермальная система

Рис. 2. Этапы образования кольцевого поднятия кратера Чиксулуб: А — момент удара; В — через 130 секунд после удара; С — через 220 секунд после удара. По вертикали — глубина, в км (Moho — граница Мохоровичича между земной корой и мантией). По горизонтали — расстояние от центра кратера, в км. Rim — край первичного кратера, Crater rim — внешний край кратера, Peak ring — кольцевое поднятие. Рисунок с сайта publications.iodp.org

Ранее в керне из скважин, пробуренных с целью разведки нефтяных месторождений в 1970-х годах, были обнаружены гидротермальные химические и минеральные изменения, а также последовательность импактитов мощностью около 100 м в кольцевом желобе кратера между пиковым кольцом и краем кратера.

Тогда возникло предположение, что образование циркулирующих в импактитах и подстилающих их породах горячих газово-жидких растворов (гидротермальной системы), вызвавших эти изменения, было связано с самим ударным событием, образовавшим кратер. Ранее считалось, что гидротермальные системы возникают только над магматическими интрузиями, либо над зонами глубинных разломов (характерный пример — гидротермальные системы срединно-океанических хребтов).

В 2016 году в рамках 364 экспедиции Международной программы изучения океанов (IODP — International Ocean Discovery Program) и Международной программы континентального научного бурения (ICDP — International Continental Scientific Drilling Program) в кольцевом поднятии кратера с борта морской платформы L/B Myrtle была пробурена скважина M0077A глубиной 1335 м ниже уровня морского дна. Международная команда ученых под руководством Косеи Ямагучи (Kosei Yamaguchi) из японского Университета Тохо изучила керн из этой скважины на предмет гидротермальных изменений и на основе полученных данных определила пространственные, временные и температурные параметры гидротермальной системы.

Место для бурения было выбрано не случайно. Именно в кольцевом поднятии, по мнению ученых, сразу после импактного события были максимальные температуры пород, а также в результате их заворачивания (см. рис. 2) могли быть захвачены большие объемы морской воды.

В скважине на глубине от 617 до 1335 м под морским дном были обнаружены гидротермально измененные импактиты: сначала шло 130 м ударно-расплавленных пород (зювитов и импактных брекчий, затем — 588 м гранитоидных и других пород со следами ударного воздействия и гидротермальных изменений, а также отдельные горизонты расплавленных пород. Ученые обнаружили в керне минералы, которые являются индикаторами гидротермальных изменений: цеолиты (Na-дакиардит, гейландит и анальцим), кальцит и других (рис. 3).

В течение миллиона лет после падения астероида под Чиксулубским кратером работала гидротермальная система

Рис. 3. Низкотемпературные гидротермальные минералы анальцим (светло-розовый) и дакиардит (оранжевый) в открытых полостях импактных брекчий, заполняющих кратер. Фото с сайта phys.org

Также авторы установили, что гидротермальные изменения в зювитах и подстилающих их гранитоидах прослеживаются вдоль трещин и гидротермальных каналов — трещин, разломов и зон повышенной проницаемости и пористости в породах — на глубину до 700 м (рис. 4).

В течение миллиона лет после падения астероида под Чиксулубским кратером работала гидротермальная система

Рис. 4. Признаки гидротермальных изменений ударных брекчий и гранитов: А — вторичный карбонат, заполнивший гидротермальный канал в зювите (643 м скважины); В, С — красно-оранжевая полоса анальцима, Na-дакиардита и кальцита фиксирует гидротермальный канал (эти срезы соответствуют глубинам 658 и 660 м); D — сильно деформированные и нарушенные трещинами гранитоиды с жилками измененного полевого шпата, кварца и эпидота (832 м); Е — гранитная порода с полостями растворения кварца (1248 м). Фото из обсуждаемой статьи в Science Advances

Низкотемпературные гидротермальные минералы из группы цеолитов сосредоточены в самой верхней части разреза, состоящей из импактных брекчий. Известно, что анальцим образуется из альбита в присутствии воды при температурах ниже 200°C, а дакиардит — при 250°C. Пустоты в брекчиях и импактных расплавленных породах (зювитах) заполнены вторичным кремнеземом, кальцитом, баритом, пиритом, частично обогащенным Со и Ni (бравоит), халькопиритом и агрегатом анальцима и Na-дакиардита, иногда с гейландитом. Все эти минералы соответствуют цеолитовой, самой низкотемпературной фации гидротермального метасоматоза.

Ниже, в импактитах и гранитоидах авторы нашли минералы зеленосланцевой фации — эпидот, мусковит, кальцит и гидротермальный гранат андрадит, для которых характерны температуры образования от 300 до 400°C, а также полости растворения кварца, что говорит о ненасыщенности газово-жидких растворов кремнием. В зонах гидротермальных изменений фиксируется привнос кальция, натрия и калия.

Характерные структуры деформации в кварце гранитов (конусы разрушения (см. Shatter cone), плоские и перьевидные трещины), а также минералогические превращения (переход рутила TiO2 в высокобарическую полиморфную разновидность диоксида титана TiO2-II) свидетельствуют о том, что породы подверглись удару, эквивалентному давлению 15–20 ГПа.

При таком воздействии в зоне удара был возможен кратковременный перегрев до 1700 и более градусов с образованием импактного расплава, а в целом толща пород могла прогреться до 300–400°C на глубину до 3 км. Хорошим индикатором температур служит в данном случае экзотический минерал — диоксид титана TiO2-II, который стабилен только при высоких давлениях и температурах до 340°C. При более высокой температуре и сравнительно небольшом давлении он становится нестабильным и начинает переходить в рутил. Например, при 440°C он переходит в рутил за неделю.

Объем пород, затронутых изменениями, по подсчетам авторов, составляет около 1,4×105 км3 земной коры. Это значит, что гидротермальная система кратера Чиксулуб была примерно в 9 раз крупнее той, которая существует сегодня в Йеллоустонской кальдере. При этом система была долгоживущей — ударное воздействие привело к деформации, которая создала пористую и проницаемую среду под всем бассейном, — идеальное место для длительного циркулирования горячих газово-жидких растворов.

Для оценки длительности функционирования системы, ученые использовали данные нескольких независимых методов. Согласно тепловой модели, упомянутой выше, для того, чтобы гидротермальная система такого масштаба, разогретая до 300°C, охладилась до 90°C, требуется около 2 млн лет. Результаты изучения геомагнитной полярности дают разброс времени полного охлаждения системы от 1,5 до 2,3 млн лет. При этом продолжительность высоко- и среднетемпературной стадии, на которой образовывался титаномагнетит (температура выше 250°C), — около 200 тыс. лет. А присутствие гидротермальных окислов марганца в шестиметровой толще карбонатных отложений, перекрывающих импактиты, говорит о том, что система функционировала примерно 2,1 млн лет. Исследователи отмечают, что в морских условиях марганец окисляется дольше других элементов, поэтому оценку по марганцу, видимо, следует считать максимальной.

Данные, полученные авторами обсуждаемой работы, в целом хорошо согласуются с построенной ранее тепловой моделью импактной системы кратера Чиксулуб (O. Abramov, D. A. Kring, 2010. Numerical modeling of impact‐induced hydrothermal activity at the Chicxulub crater) (рис. 5).

В течение миллиона лет после падения астероида под Чиксулубским кратером работала гидротермальная система

Рис. 5. Модель гидротермальной эволюции импактной системы кратера Чиксулуб (показано состояние через 4000 лет после удара): А — изотермы в °C, синий столбик — скважина М0077А, Crater center — центр кратера, Peak ring — кольцевое поднятие; В — потоки воды (синие стрелки) и водяного пара (красные стрелки). Вертикальная зона максимального прогрева находится непосредственно под кольцевым поднятием. По вертикали — глубина в км; по горизонтали — расстояние от центра кратера в км. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

По уточненным данным, представленным в обсуждаемой статье, гидротермальная система под кольцевым поднятием изначально имела температуры 300–400°C. Затем она постепенно охлаждалась, и из растворов осаждались все более низкотемпературные минералы. Сначала растворы были ненасыщенные кремнием (ранняя щелочная стадия), затем, по мере охлаждения условия в них стали близки к нейтральным — в это время происходило совместное осаждение кварца и пирита. На поздней стадии эволюции системы щелочность растворов снова стала нарастать, и началось осаждение глинистых минералов и других листовых силикатов, а также кальцита, широко распространенного во всех фациях. При температурах от 100 до 75°C кальцит повторно переотлагался в виде вторичных кристаллов исландского шпата.

Авторы предполагают, что подобные гидротермальные системы существовали и в других крупных импактных кратерах, таких как Вредефорт или Садбери, которые образовались в палеопротерозое — 2,5–1,6 млрд лет назад, а возможно, и в более древних, архейских кратерах, от которых на сегодняшний день не осталось и следа. По их мнению в те давние времена, когда на Земле только зарождалась жизнь, именно пористые проницаемые системы кратеров, по которым циркулировали горячие растворы, могли стать идеальной средой для развития ранней жизни — гидротермальные глины катализировали синтез РНК, а первичные «кирпичики жизни» — сложные органические соединения, могли попасть на Землю вместе с метеоритами, образовавшими кратеры.

Источник: elementy.ru

Fozzy

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

19 − восемь =