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第78章 火山与星体撞击混杂堆积(附人工混杂堆积)(3)

根据以上沉积特征,可以确定萧家窑头火山系经湖水改造而成的火山碎屑岩,如剖面(3)、(4)、(5)所示。以上内容,基本反映一种特殊的原生火山碎屑和次生火山碎屑岩,团块状构造并夹有黄土状物质。这有助于对火山混杂堆积的认识和综合理解。

(第三节)星际撞击(变质)混杂堆积

从图1221可以看出陨石撞击的能量及撞击的形象,撞击靶岩接触地面时,在瞬间(秒或微秒)可形成熔融体。其下部由上而下(或由内往外)可分为粉碎带(这一部分可以被溅射到四周),再往下往外是碎裂带和破裂带,由靶岩岩石形成的熔融体和角砾岩(玻质)在溅射升空后,既有重新落回地面也可以贯入此二带的放射形裂隙中。

据游振东(2011)指出,撞击变质效应体现在压力和温度两方面,此种效应只能由外星体超高速所引起,具有特殊性,是任何人工爆炸都不可能比拟的。简言之,冲击波中心瞬时高压可达10—40GPa(>30GPa石英可变质为柯石英),最高可达60—100GPa(熔融或气化),较低的瞬时高压>2—10GPa(坑缘部分)。与此同时45—50GPa冲击温度≥1000℃,产生矿物熔融,冲击中心达10000℃(气化)。

一、地球上的外星体撞击地貌与混杂堆积综合体

据欧阳自远等报道(1995,1997,2002,2010),南非弗里德曼撞击坑是20亿年前小行星撞击地球的遗迹。大量被撞击的靶岩熔体胶结和已破碎的靶岩角砾,穿插在撞击坑所在的各时代岩层中。在撞击熔融角砾岩中,熔体呈黑色,玻璃质作为基质,而靶岩角砾充填其间。此种撞击熔融角砾岩呈脉状(宽几厘米到几米不等)充填于靶岩的各种裂隙与断裂中。在撞击熔融角砾岩中的石英形成柯石英和斯石英,呈现明显的冲击变质效应。从宏观上撞击坑中地层翻转,老地层翻到新地层之上。在撞击坑边缘的石英岩、白云岩发育有辐射状撞击裂隙,断裂等。中国东北地区的岫岩陨石坑是一个很好的实例。

据陈鸣等报道(2009),我国辽东半岛北部低山丘陵区发现了一个直径1.8km岫岩陨石坑(图1222)。通过钻探,查明上部107m是湖相沉积,下部188m为透镜状角砾岩堆积体。而坑内填充的则是不同程度冲击变质的混杂堆积物(图1225)。从坑内填充角砾岩中发现石英击变面状页理(planardeformationfeatures即PDFs),以及冲击熔融岩等特征,证实陨石坑的存在(照片126)。

陨石坑平面呈碗形(图1223),从坑底到唇边环形山山峰高差200m。山坡及坡脚覆盖风化残积土、坡积物及泥石流堆积,坑底为湖相层。钻探查明湖相层以下是由碎屑和岩块组成的角砾岩,最大块径30cm,构成两个整体厚达188m的角砾岩透镜体。在107—149m,角砾岩由原地岩石之线粒岩、片麻岩、角闪岩和少量玄武岩及大理岩块组成,未见或轻微受到冲击变质,但收集到岩石熔体玻璃和多相混杂角砾岩(polymictbreccia),系弱冲击和强冲击变质岩石混合组成。127—133m为粗岩屑砂层;149—204m为角闪岩碎屑组成,最大粒径10cm,它们均未被冲击变质。204—260m由弱冲击变质线粒岩、片麻岩和少量角闪岩等混杂碎屑组成。260—295m含大量石质角砾岩(lithicbreccia)和熔融体多相石质角砾岩(图1226),含大量熔体玻璃碎片,显示强烈冲击变质特征。在钻孔295—307m看到的是透闪岩碎石,可能代表陨石坑底部粗大岩石角砾或底部破碎基岩。充填陨石坑的是大量冲击抛射回落的岩屑和从坑缘山地滑落的岩块和岩屑共同组成了坑内角砾岩混杂透镜体,总厚度188m。其中冲击时瞬间形成的坑壁滑落的碎屑岩块,(角砾岩)冲击变质程度较高。对照图1231、图1232,其他陨石坑内(如1.2km直径的陨石坑)同样的混杂透镜体厚200m,甚至235m(直径1.8km的陨石坑)。作为专业的陨石坑研究者,当然还可以通过其他一系列证据来确定陨石坑的存在。如震裂锥(shattercone)、柯石英、斯石英以及石英的面状显微构造等(陈鸣等,2009;游振东,2011)。

人们认为,由于强烈熔融和震动变质作用、破碎作用以及粉碎或熔化而造成的岩石混杂现象,不易被认识。但其中震裂锥是一个标志,是锥形岩石碎片,还有柯石英和超石英也是强烈震动变质作用的产物。可能是在40万个大气压的震动之下形成的,同时还有冲击变质作用。陨石坑中央的角砾岩和破碎岩石均表现出冲击变质作用,无论石英、云母、长石均发生扭结、破碎化以致最后完全熔解(French,1966;转引自陈鸣等,2009)。

陨石坑中除所见到的各种冲击角砾岩和多相熔体角砾岩外还会看到原地的花岗岩和灰岩、砂岩等残片,国内外所见概莫能外(图1227,图1228)。

地球上的陨石坑有简单和复杂两种类型(图1228),但所造成的变质混杂堆积大同小异。

再把视界扩大一点。地盾和地台区的陨石撞击坑也会有不同的混杂堆积结构和岩性组成(图1229)。

从以上报道(陈鸣等,2009;游振东,2011)可知,若不尽力去寻找只有陨击才能产生的熔体玻璃和透过镜下去发现冲击变质石英等,就很可能错以为是一个一般的混杂堆积体,而不知道这是一个由外星体冲击和地球外力共同造成的有变质作用的混杂堆积综合体(表126)。

据吴思本(1996)研究,多伦陨石坑是一个多环状的复式陨石坑,其内环、中环、外环直径分别为8km、82km和170km。中环在地貌上表现为有太古宙花岗岩、变质岩和冲击熔融岩组成的环形残丘。外环还有同成分由冲击波引起的基岩碎裂产物——巨块碎裂岩。在坑内还保留有冲击玻璃弹回落角砾岩等,以及由多种玻璃岩组成的呈放射状的溅射覆盖层。由冲击熔融形成大面积片状(席状)覆盖,面积达100—1100km2,厚300m,最远的距陨击中心达200km(图1231,图1232,图1234)。

冲击熔融体是一种特殊地质过程造成的,它不属于我们常说的外动力或内动力,是来自外星体,是瞬时高温高压的产物。它不像火山熔岩流是层状的,而是一种块状体,有时也发育冷却造成的柱状体,多伦陨石坑有柱高达40m,直径1m的六方柱体。其底部有厚达10m的黑色玻璃岩,以前曾有人称之为“石英斑岩”和“碎斑熔岩”,斑晶仅由长石、石英组成,缺黑云母、角闪石等。但岩石中可见碰撞碎裂现象,这一现象足以说明它不是正常岩浆喷出产物,因为没有任何一种外力能透过岩浆使其中晶体矿物相撞。同时在一种白色冲击熔融岩质的碎裂岩的裂隙中可发现大量外来石英碎屑。上述冲击玻璃弹回落角砾岩中还混有多种角砾,包括花岗岩、粉砂岩和冲击熔融岩。通过化学方法检出了柯石英—高温高压相矿物,是陨石冲击的重要证据(吴思本,1996)。

反应时间慢,矿物组合近平衡快,大量淬火矿物,保存准稳定矿物和玻璃冲击波的压力不同于常规地质作用,时间非常短,一个每秒若干千米的冲击波,几微秒内即可透入矿物颗粒或岩石样品。压力从施加到释放都极为短暂,冲击变形效应即是此种瞬时应力状态的反映(吴思本,1996)。

另据报道(罗千淘,2011),20世纪60年代,在美国亚利桑拿陨石坑,发现了3个直径不到1mm的细小钻石。经分析,其中1/3具有地球钻石从未见过的六边形原子结构,被称为“六方碳”。并认为是在陨石撞击地球时,陨石上的碳原子在特殊高温下形成的。俄罗斯西伯利亚通古斯大陨石坑也有类似现象。

此外,体积较大的陨石撞击地球还会产生大量粉尘、微波陨石(microtektite)。新生代以来,地球共经历过6次明显的陨石撞击事件(尹延鸿,2006),其中0.8MaBP澳大利亚陨石事件影响地球面积1/10(AMIE),可以导致太阳辐射量下降,全球降温,导致植被种类变化等。这些玻璃陨粒多半只能在液相中寻找(李文宝等,2011;尹延鸿,2006)。

鉴于撞击作用造成混杂堆积的复杂程度,揭示一个更为复杂的综合体的存在。正如岫岩等陨石坑堆积物所表现的,除了撞击形成的混杂堆积外,陨石坑在后期又经历了一系列外动力过程如坡积、崩塌、泥石流等作用,在高纬区甚至冰川、冻土作用最终会形成一套变质混杂堆积和上述外动力过程形成的混杂堆积的双重混杂堆积综合体,进一步彰显了自然界的多姿多彩,当然也带来了野外和室内工作的难度。

二、闪电熔岩与硇砂

据悉现存于中国地质大学宇光研究所的奇石“龙根”(图1230)就是一块闪电击打的熔岩。1995年6月2日,北京市顺义马坡村发生雷电时,潮白河河滩附近的铝质高压线被雷电击断。后人们发现,被截短了的2m高压线与河滩上的砂层被熔结在一起,形成一奇怪形状的深灰色混杂岩石,经确认这是由雷电落地形成的闪电熔岩。有玻璃质和重结晶矿物(长石、石英)和排列有序的扁平气孔和脊、槽相间的条纹。其结构是由核心部位的玻璃质残留岩屑(砂)熔融物,残留铝等组成的另一类变质混杂岩。

但也有人提出质疑,一般雷电达不到熔融的温度。

自然界还有一些少见的带有变质作用的烧结混杂堆积物。据报道(魏军,2012),有一些煤田的自燃,可能始自几十万年前,煤田自燃的特有产物叫“硇砂”(naosha,矿物名),估计是烧结剩余物。从《水经注》中已知新疆煤田大火的这种自燃至少已有两千年历史了。世界上类似现象也很多,闪电雷击也是煤田自燃的原因之一。美国西部发现的史前岩渣块石就是史前煤田大火的残迹。这些岩渣块比母岩抗风化更强,故而成为露出地表的小尖山和平顶山。

据推测,核弹爆炸也可以形成高温熔结碎屑,但报道不多。

三、外星体上的星际撞击与混杂堆积

星体撞击作用是太阳系行星演化的重要营力。

陨石不但时时撞击地球并造成已知的160多个陨石坑,它们同时也撞击月球、火星、金星、水星等,形成无数的陨石坑。地球陨石坑之所以远少于月球、火星是由于地球表面众多的外动力所造成的风化、搬运、堆积,使陨石坑不能全部保留下来(陈鸣,2007)。迄今我们并不知道其他星体上陨石撞击是否也像地球上一样,形成一系列冲击变质混杂岩类。但月球、火星表面布满大大小小碎屑,确实显示了混杂堆积的特点(照片128,照片129)。据报道(木石,1993),阿波罗计划得到的月球影像表明,撞击坑这种灾变事件已成为月球地质史中一种主要过程。似乎也可以推测撞击也应是地球地质历史的一种重要动力,特别是在地球形成的初期历史中。38亿aBP前地球上有许多直径900km的盆形地形。一次火星级物体撞击所喷射的物质可以形成月球,而后来则持续有较小物体的撞击,导致恐龙灭绝的那次撞击是能量超过通古斯陨石约1000万倍,而造成月球西翼直径900km的东海盆地撞击事件,其动能又比恐龙灭绝事件大1万倍(木石,1993)。

地外撞击可以影响大陆漂移和地球气候变化。据计算(木石,1993),在过去20亿a,地球表面的4/10应当为厚度等于或大于10m的撞击混杂沉积所覆盖。1/10应当为厚度等于或大于100m的其他沉积物所覆盖。甚至有人认为,撞击沉积与冰川沉积相似。因为二者都具备挖掘作用,都造成无序混杂沉积,都是无分选碎屑,且都能在地面留下刻痕。更有人认为德国里斯撞击坑的沉积,细粒基质中混有大小不一的巨砾,很像冰碛物。在海洋沉积中,撞击和冰川都可以产生外来落石(dropstone)。故人们甚至认为,过去某些被认为是冰碛物的混杂沉积或浊积岩,可能是撞击混杂岩。并强调撞击作用所带来的灾变应当作重要的地质过程进行研究(木石,1993)。地球是宇宙一员,我们应当注意这一群真正的“天外来客”及其扮演的重要的地质、地貌角色。

根据对我国登月计划嫦娥一号所获得的最新的高质量的影像资料,平劲松等(2008)、李春来等(2010)、何姝臖等(2012)、周增坡等(2011,2012)均首次对地球表面形貌及堆积特征做了相应的描述。

月球撞击坑的形态特征与坡积的一般特征。

周增坡(2012)(1)认为月球上的撞击坑是其最明显且广布的形态特征(2),它们是由宇宙内的小行星、彗星和流星体撞上无大气层保护的月球形成。这些撞击坑的规模差别很大,数量以万计从肉眼很难分辨的撞击坑到直径达数千千米的撞击盆地。由于月球上的侵蚀和剥蚀作用很弱,这些撞击坑得以长时间保留并完整地记录了月球撞击的历史。

故月表的撞击坑是月球科学研究的窗口和着力点。目前,围绕月球撞击坑开展的研究主要包括撞击过程模拟、撞击坑形态分类、撞击坑相对测年、撞击坑的空间分异等,而对撞击坑形态及堆积特征进行系统和详尽的研究还十分有限。

据研究月球表面的撞击坑按照复杂程度也分为简单撞击坑、复合撞击坑和撞击盆地等(图1228)。简单撞击坑是月球表面分布最广、数量最大、结构最简单的撞击坑,它们的直径一般在20km以下,坑体的对称性较好。随着撞击坑直径的增大,撞击坑的形态也变得更为复杂,直径在15—20km以上时撞击坑会出现梯壁(阶梯状崖壁)(图1236,图1237)中央峰、坑底崩塌等地貌地质形态及坑底裂隙等,这类结构复杂的撞击坑称之为复合撞击坑。直径超过300km的撞击坑一般称之为撞击盆地,它们是月球上最宏伟的形态,对月貌的整体结构起到控制作用。撞击盆地是月海形成的基础,它们常具有多环结构,多环的直径成等比数列(周增坡,2012)。

1.撞击坑的坡度差异及坡地地貌与堆积

坡度的整体差异体现在月陆与月海上岩岩浆的填充,表面较平缓,平均坡度较小。

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