Введение

Доисторический кратер в Мексике

Кратер Чикшулуб (англ. Chicxulub crater, cheekshooLOOB) — кратер, погребенный под полуостровом Юкатан в Мексике. Его центр находится в открытом море, но кратер назван в честь прибрежного поселка Чиксулуб-Пуэбло. Уровень иридия в этом слое был в 160 раз выше фонового. В то время не было единого мнения о причине вымирания в конце мелового и начале палеогенового периодов и о природе пограничного слоя, выдвигались теории о близкой сверхновой, изменении климата или геомагнитном перевороте. Гипотеза о столкновении, предложенная Альварезами, была отвергнута многими палеонтологами, которые считали, что отсутствие окаменелостей вблизи границы K–Pg — так называемая «проблема трех метров» — указывает на более постепенное вымирание видов. Считается, что последствия столкновения с астероидом, произошедшего около 66 миллионов лет назад, привели к массовому вымиранию нептичьих динозавров и многих других видов на Земле. Десять лет назад та же карта указывала на кратер подрядчику Роберту Балтоссеру, но корпоративная политика Pemex помешала ему опубликовать свои выводы. Хильдебранд связался с Пенфилдом, и вскоре они получили два образца керна из скважин Pemex, которые десятилетиями хранились в Новом Орлеане. Более поздние данные свидетельствуют о том, что кратер имеет диаметр км, а кольцо является его внутренней стенкой. Хильдебранд, Пенфилд, Бойнтон, Камарго и другие опубликовали свою статью, идентифицирующую кратер, в 1991 году. Противники этой теории, в частности Герта Келлер из Принстонского университета, предложили альтернативную причину: извержение Деканских траппов на территории современного Индийского субконтинента. Этот период интенсивного вулканизма происходил до и после удара в Чикшулубе; сторонники альтернативной точки зрения утверждают, что пик вулканической активности пришелся на период до удара, а Деканские траппы сыграли роль в формировании эволюции выживших видов после столкновения. Исследование 2013 года сравнили изотопы в ударном стекле из Чикшулуба с изотопами в пепле с границы K–Pg, и пришли к выводу, что их возраст практически совпадает в пределах экспериментальной погрешности. Исследование 2018 года, основанное на аргон-аргоновом датировании сферул с острова Горгонилья (Колумбия), дало несколько иной результат: 66 051 000 ± 31 000 лет назад. Предполагается, что удар произошел весной в Северном полушарии, основываясь на годовых изотопных кривых в костях осетровых и веслоносых рыб, найденных в осадочном слое с выбросами на участке Танис на юго-западе Северной Дакоты. Считается, что этот осадочный слой сформировался в течение нескольких часов после удара. Исследование 2020 года показало, что кратер Чикшулуб образовался в результате наклонного (под углом 45–60° к горизонту) удара с северо-востока. В момент удара местоположение кратера представляло собой морскую карбонатную платформу. Глубина воды в месте удара варьировалась от м на западном крае кратера до более чем м на северо-восточном крае, при этом предполагаемая глубина в центре удара составляла около м. Морские породы состояли из последовательности юрских и меловых морских отложений толщиной . Они преимущественно состояли из карбонатных пород, включая доломит (35–40% от общей толщины) и известняк (25–30%), а также испарений (ангидрит 25–30%) и незначительного количества сланцев и песчаника (3–4%), подстилаемых примерно континентальной коры, состоящей из магматического кристаллического фундамента, включая гранит. Существует широкий консенсус, что объект, вызвавший удар в Чикшулубе, был астероидом типа C с составом, близким к углеродистому хондриту, а не кометой. В 1998 году был описан метеорит диаметром около км из керна глубоководных отложений из Северной части Тихого океана, из последовательности отложений, охватывающей границу мелового и палеогенового периодов (когда это место находилось в центральной части Тихого океана), при этом метеорит был найден в основании аномалии по содержанию иридия на границе K–Pg. Предполагалось, что метеорит является фрагментом ударного объекта Чикшулуба. Анализ показал, что он лучше всего соответствует критериям групп CV, CO и CR углеродистых хондритов. В статье 2021 года, основанной на геохимических данных, включая избыток изотопа хрома 54Cr и соотношение платиновых металлов, обнаруженных в морских слоях, связанных с ударом, было предположено, что объект-ударник соответствовал характеристикам углеродистых хондритов CM или CR.

Эффекты

Скорость удара была оценена в. Кинетическая энергия удара была оценена в. Удар вызвал ветры, превышающие вблизи центра взрыва, и создал временную полость шириной и глубиной, которая позже рухнула. Это сформировало кратер, в основном под морем и покрытый осадков к 21 веку. Удар, расширение воды после заполнения кратера и связанная сейсмическая активность породили мегацунами высотой более , причем одно моделирование предполагает, что непосредственные волны от удара могли достигать высоты . Волны прочесывали морское дно, оставляя рябь под территорией, которая сейчас является Луизианой, со средней длиной волны и средней высотой волны , самые крупные из задокументированных рябей. Материал, перемещенный последующими землетрясениями и волнами, достиг того, что сейчас является Техасом и Флоридой, и мог нарушить осадочные отложения на расстоянии до от места удара. Удар вызвал сейсмическое событие с оценочной магнитудой 9–11.

Облако горячей пыли, пепла и пара распространилось бы из кратера, при этом взрывом в атмосферу было выброшено до 25 триллионов метрических тонн извлеченного материала. Часть этого материала покинула орбиту, рассеявшись по всей Солнечной системе.

Из-за относительно небольшой глубины воды, испарившиеся породы включали богатый серой гипс из нижней части мелового периода, который был выброшен в атмосферу. Исследователи, использовавшие сейсмические изображения кратера в 2008 году, определили, что ударный объект упал в более глубокую воду, чем предполагалось ранее, что могло привести к увеличению концентрации сульфатных аэрозолей в атмосфере из-за большего количества водяного пара, доступного для реакции с испарившимся ангидритом. Это могло сделать удар еще более смертоносным, вызвав охлаждение климата и кислотные дожди. Выброс пыли и частиц мог покрыть всю поверхность Земли на несколько лет, возможно, до десятилетия, создав суровые условия для жизни. Выделение углекислого газа в результате разрушения карбонатных пород привело бы к внезапному парниковому эффекту. Модель события, разработанная Lomax et al. (2001), предполагает, что чистая первичная продуктивность могла увеличиться до уровней выше, чем до удара, в долгосрочной перспективе из-за высоких концентраций углекислого газа. Долгосрочным локальным эффектом удара стало создание Юкатанской осадочной котловины, которая "в конечном итоге создала благоприятные условия для заселения человека в регионе, где поверхностные воды мало".

Геофизические данные

С момента открытия кратера над его морскими участками были получены два набора данных сейсмических отражений. Также использовались более ранние 2D сейсмические данные, изначально приобретенные для поиска углеводородов. В октябре 1996 года группой BIRPS был получен набор из трех длинных 2D профилей общей протяженностью в . Самый длинный профиль, Chicx A, был выполнен параллельно побережью, а Chicx B и Chicx C – соответственно в направлениях северо-запад – юго-восток и юг-юго-запад – север-северо-восток. Помимо стандартной сейсмической обработки отражений, данные были записаны на суше для проведения широкоугольной рефракционной съемки. В 2005 году был получен еще один набор профилей, увеличив общую протяженность 2D сейсмических данных глубокого проникновения до . В ходе этой съемки также использовались океанические сейсмометры и наземные станции для 3D инверсии времени в пути, что позволило улучшить понимание скоростной структуры кратера. Данные были сосредоточены в районе предполагаемого внешнего кольца пиков, чтобы определить потенциальные точки для бурения. Одновременно с этим были получены данные гравиметрической съемки вдоль профилей. Финансирование проекта осуществлялось Национальным научным фондом (NSF) и Советом по исследованию окружающей среды (NERC) при логистической поддержке Национального автономного университета Мексики (UNAM) и Центра научных исследований Юкатана (CICY – Юкатанский центр научных исследований).

Бурение скважин

Перерывные образцы керна из разведочных скважин на углеводороды, пробуренных Pemex на полуострове Юкатан, предоставили некоторые полезные данные. В 1995 году UNAM пробурил серию из восьми полностью отобранных керном скважин, три из которых достигли достаточной глубины, чтобы проникнуть в отложения выброса за пределами основного вала кратера – UNAM 5, 6 и 7. В 2001–2002 годах в рамках Международной континентальной программы научных бурений была пробурена научная скважина вблизи Hacienda Yaxcopoil, известная как Yaxcopoil 1 (или чаще Yax 1), до глубины ниже поверхности. Керн отбирался непрерывно, проходя через слои импактитов. Три полностью отобранных керном скважины были также пробурены Comisión Federal de Electricidad (Федеральная комиссия по электроэнергии) совместно с UNAM. Одна из них (BEV 4) достигла отложений выброса. В 2016 году совместная британо-американская команда получила первые образцы керна с пикового кольца в центральной части кратера при бурении скважины M0077A, в рамках экспедиции 364 Международной программы изучения океана. Скважина достигла глубины ниже дна моря.

Морфология

Форма и структура (морфология) кратера Чиксулуб известны главным образом по геофизическим данным. Он имеет чётко выраженную концентрическую многокольцевую структуру. Внешнее кольцо было идентифицировано с использованием данных сейсмической отражённой волны. Оно находится на расстоянии до от центра кратера и представляет собой кольцо нормальных разломов, опускающихся к центру кратера, отмечающее внешнюю границу значительной деформации коры. Это делает его одним из трёх крупнейших ударных структур на Земле. Радиус кольцевых структур варьируется между .

Кольцевые структуры лучше всего развиты на юге, западе и северо-западе, становясь более размытыми к северу и северо-востоку от структуры. Это интерпретируется как результат переменной глубины воды в момент удара, при этом менее чётко выраженные кольца формируются в областях с глубиной воды значительно более чем . Красные отложения переменной толщины, до , перекрывают гранитный фундамент, особенно в южной части области. Считается, что эти континентальные обломочные породы относятся к триасовому и юрскому периодам, хотя они могут простираться и в нижний мел. Нижняя часть нижнемеловой последовательности состоит из доломита с прослоями ангидрита и гипса, а верхняя часть – из известняка, частично с доломитом и ангидритом. Толщина нижнего мела варьируется от до в скважинах. Верхнемеловая последовательность состоит в основном из известняка платформы с мергелем и прослоями ангидрита. Её толщина варьируется от до . Имеются свидетельства существования мелового бассейна в районе Юкатана, названного Юкатанской впадиной, простирающейся приблизительно с юга на север и расширяющейся к северу, что объясняет наблюдаемые изменения толщины.

Ударные породы

Наиболее распространенными наблюдаемыми ударными породами являются суэвиты, обнаруженные во многих скважинах, пробуренных вокруг кратера Чиксулуб. Большинство суэвитов были переотложены вскоре после удара в результате подъема океанических вод в кратер. Это привело к образованию слоя суевита, простирающегося от внутренней части кратера до внешнего края. Считается, что центральная часть кратера заполнена породами ударного расплава, максимальная толщина которых достигает 400 м. Изученные образцы пород ударного расплава имеют общий состав, аналогичный составу пород фундамента, с некоторыми признаками примеси карбонатного компонента, предположительно происходящего из карбонатов мелового периода. Анализ пород расплава, отобранных скважиной M0077A, выявил два типа пород расплава: верхний ударный расплав (UIM), характеризующийся отчетливым карбонатным компонентом, что подтверждается его общим химическим составом и наличием редких известняковых обломков, и нижний блок пород ударного расплава (LIMB), не содержащий карбонатного компонента. Различие между этими двумя типами пород расплава интерпретируется как результат смешения верхней части исходного ударного расплава, представленного LIMB в скважине, с материалами из верхних слоев коры, либо обрушившимися обратно в кратер, либо поднятыми повторным подъемом вод, образовавшим UIM. "Розовый гранит" – гранитоид, богатый щелочным полевым шпатом, обнаруженный в скважине, проходящей через пиковое кольцо, демонстрирует многочисленные признаки деформации, отражающие экстремальные напряжения, связанные с образованием кратера и последующим развитием пикового кольца. Этот гранитоид имеет необычно низкую плотность и скорость продольных волн по сравнению с типичными гранитами фундамента. Изучение керна, полученного из скважины M0077A, выявило следующие деформационные особенности в предполагаемой последовательности развития: повсеместное трещиноватость вдоль и через границы зерен, высокая плотность сдвиговых разломов, полосы катаклазита и ультракатаклазита, а также отдельные структуры пластичной деформации. Эта последовательность деформаций интерпретируется как результат первоначального образования кратера, включавшего акустическую флюидизацию, за которой последовало сдвиговое разрушение с образованием катаклазитов и зон разломов, содержащих породы ударного расплава. Бурение в пиковом кольце ниже морского дна также обнаружило признаки массивной гидротермальной системы, которая изменила приблизительно 1,4 × 105 км3 земной коры и существовала на протяжении сотен тысяч лет. Эти гидротермальные системы могут служить подтверждением гипотезы о возникновении жизни в эоне Гадея, когда вся поверхность Земли подвергалась воздействию ударных тел, значительно превосходящих по размеру тело, вызвавшее удар в Чиксулубе.

Геология после удара

После того, как непосредственные последствия удара прекратились, в районе Чиксулуба возобновилось осадконакопление в карбонатной отложной среде мелководной платформы, характерной для этой области до удара. Последовательность, датируемая палеоценом, состоит из мергеля и известняка, достигающих толщины около, которые являются поверхностным проявлением зоны преимущественного потока подземных вод, перемещающих воду из зоны питания на юге к побережью через карстовый водоносный горизонт. Расположение сенотов четко указывает на связь карстового водоносного горизонта с лежащим в основании кратером, возможно, из-за повышенной трещиноватости, вызванной дифференциальной компактией.

Астрономическое происхождение ударного элемента

В сентябре 2007 года в отчете, опубликованном в журнале Nature, было предложено происхождение астероида, создавшего кратер Чиксулуб. Впоследствии семейство Баптистина считалось маловероятным источником астероида Чиксулуб, поскольку спектрографический анализ, опубликованный в 2009 году, показал, что 298 Баптистина имеет состав, отличный от состава, более типичного для астероида типа S, чем предполагаемый углеродистый хондрит, из которого состоял объект, вызвавший удар в Чиксулубе. В 2011 году данные, полученные в ходе широкополого инфракрасного обследования Explorer, пересмотрели дату столкновения, в результате которого образовалось семейство Баптистина, приблизительно до 80 миллионов лет назад. Это сделало крайне маловероятным, что астероид из этого семейства был астероидом, создавшим кратер Чиксулуб, так как обычно процесс резонанса и столкновения астероида занимает десятки миллионов лет. В 2010 году другая гипотеза предположила, что недавно обнаруженный астероид 354P/LINEAR, принадлежащий к семейству астероидов Флора, может быть возможным остатком популяции ударника K–Pg. В июле 2021 года исследование сообщило, что объект, вызвавший удар, вероятно, возник во внешней основной части пояса астероидов, основываясь на численных симуляциях. Оригинальная статья 1980 года, описывающая кратер, предполагала, что он был создан астероидом диаметром около 10 километров. В двух статьях, опубликованных в 1984 году, предполагалось, что ударным телом была комета, пришедшая из облака Оорта, а в 1992 году было предложено, что приливное разрушение комет потенциально может увеличить частоту ударов. В том же месяце Ави Лоэб и его коллега опубликовали исследование в Scientific Reports, предполагая, что объект, вызвавший удар, был фрагментом разрушенной кометы, а не астероидом – долгое время являвшимся основным кандидатом среди ученых. За этим последовало опровержение, опубликованное в Astronomy & Geophysics в июне, в котором утверждалось, что в статье не учтен тот факт, что масса иридия, обнаруженного по всему земному шару в результате удара (оценочная величина которой составляет примерно 100 тонн), была слишком велика, чтобы быть результатом столкновения с кометой, размер которой необходим для образования кратера, и что Лоэб и его коллеги переоценили вероятность столкновения с кометой. Они пришли к выводу, что все имеющиеся доказательства убедительно свидетельствуют в пользу астероидной природы ударного тела, и что столкновение с кометой можно практически исключить.