430 тысяч лет назад в Антарктиде упал крупный метеорит

Оплавленные частицы внеземного вещества, собранные учеными в Восточной Антарктиде, указывают на то, что примерно 430 тысяч лет назад здесь произошло падение крупного метеорита или астероида, который не оставил после себя кратера, потому что превратился в поток расплавленного материала еще на подлете к земной поверхности. Несмотря на то, что импактное тело перестало существовать еще в атмосфере, сила ударного события, по оценкам авторов, превосходила падение Тунгусского метеорита. Есть все основания полагать, что такого рода «промежуточные» импактные события (в которых ударное тело не успевает полностью сгореть в атмосфере, но и не достигает поверхности в «твердой» форме) происходят по геологическим меркам достаточно часто (раз в несколько тысяч лет), а ущерб от них, попади импакт в густонаселенное место, будет колоссальным. Описанная находка дает ученым явное указание на то, как искать следы таких «бесследных» падений космических тел.

Крупные импактные события — столкновения с Землей астероидов или больших метеоритов — оставляют после себя свидетельства в виде ударных кратеров и сопровождаются появлением характерных структур — конусов дробления и выброса, формированием особых ударно-метаморфических пород (импактитов), минералов высокого давления, например, ударных алмазов или высокобарических модификаций кремнезема — коэсита и стишовита, а также тектитов и микротектитов — кусочков оплавленного минерального стекла, образующихся при переплавлении выброшенного в атмосферу материала земных пород, выбитого из воронки кратера (подробнее о тектитах см. новость Найден источник австралийских тектитов — крупнейший за последний миллион лет метеоритный кратер, «Элементы», 20.01.2020).

Намного сложнее выявить в геологической летописи более мелкие события. Дело в том, что метеориты размером от нескольких десятков до 150 метров, как правило, полностью разрушаются при входе в атмосферу, а их фрагменты испаряются. Часто этот процесс происходит очень быстро, что приводит к воздушному взрыву на малой высоте, обычно сопровождаемому ударной волной, как это было в случае Тунгусского метеорита в 1908 году и Челябинского метеорита в 2013 году.

Несмотря на то, что по оценкам ученых крупные воздушные взрывы происходят гораздо чаще, чем образующие кратеры удары метеоритов, — примерно раз в 100–10 000 лет — найти их свидетельства очень трудно, ведь от них остаются только мельчайшие оплавленные частицы внеземного вещества микронного размера, рассеянные в почвенном покрове и земных породах. Одно из немногих мест, где такие микрочастицы сохраняются и могут быть извлечены для последующего изучения, — ледниковый щит Антарктиды.

Недавно международная группа геологов и планетологов под руководством доктора Матиаса ван Гиннекена (Matthias van Ginneken) из Центра астрофизики и планетологии Кентского университета в Великобритании сообщила о том, что они обнаружили в Восточной Антарктиде свидетельства того, что 430 тыс. лет назад здесь произошло мощное ударное событие — падение астероида или крупного метеорита размером от 100 до 150 м. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Речь идет о 17 черных сферических частицах — сферулах — размером от 100 до 300 мкм, найденных на вершине Валнумфьеллет в горах Сёр-Рондане (Sør Rondane Mountains), Земля Королевы Мод. Сферулы представляют собой округлые частицы неправильной формы (рис. 1), состоящие в основном из оливина и Fe-шпинели с незначительными включениями стекла.

По своему составу собранные исследователями сферулы относятся к хондритам, а соотношение микроэлементов и высокое содержание никеля указывают на их первично внеземную природу. В полированных шлифах частиц с помощью сканирующей электронной микроскопии авторы исследования выявили скелетные формы кристаллов оливина и структуры закалки, характерные для микрометеоритов (рис. 2, А, С).

Однако по своей морфологии сферулы существенно отличаются от микрометеоритов. Среди последних практически никогда нет сростков, так как вероятность того, что нерасплавленные космические частицы сольются во время полета, ничтожно мала, а большинство сферул представлены сростками двух и более округлых частиц (см. рис. 1 и 2). При этом в полированных шлифах видны структуры перекристаллизации, образовавшиеся уже после того, как несколько частиц соединились в единый агрегат (рис. 2, D).

Все это позволило авторам предположить, что найденные ими сферулы сформировались в процессе частичного плавления, испарения и последующей конденсации вещества — процессов, имевших место в результате взрыва метеорита недалеко от Земли. Исследователи относят это событие к переходному типу между взрывами внеземных тел высоко в атмосфере и импактными событиями, в результате которых образуются метеоритные кратеры, а сами сферулы — к промежуточным образованиям между микрометеоритами и импактитами или тектитами.

На то, что кристаллизация сферул происходила непосредственно над поверхностью, указывают и геохимические индикаторы присутствия в составе переплавленных частиц следов земного вещества. В частности, анализ изотопных отношений кислорода δ¹⁷O/δ¹⁸O выявил в сферулах признаки смешения кислорода хондритового ударного элемента, антарктического льда и атмосферного воздуха. Еще одно свидетельство — представленность железистой фазы в Fe-шпинели в основном магнезиоферритом (Mg(Fe³⁺)₂O₄), образующимся в более окислительных условиях по сравнению с магнетитом (Fe²⁺Fe³⁺₂O₄) — традиционным минералом железа микрометеоритов.

Авторы предполагают, что меторитное тело было достаточно большим, чтобы достичь нижних слоев атмосферы, где оно распалось с образованием ударной взрывной волны, которая направила вниз фронт хондритового газа с микрочастицами расплавленного материала. В процессе соприкосновения этой волны с поверхностью ледников произошло частичное плавление верхнего слоя льда, охлаждение хондритового газа и образование шариков-сферул — процесс, называемый метеоритной абляцией.

По составу сферулы представлены в основном материалом ударника, и этим они коренным образом отличаются от тектитов, которые представляют собой продукты расплава пород основания. К тому же тектиты обычно имеют форму гантелей или баллистических капель, а частицы, найденные исследователями, — сферические или субсферические и в них отсутствуют пузырьки. По мнению авторов, это подтверждает то, что сферулы образовались путем конденсации в насыщенном паром ударном шлейфе.

Так как сферулы были собраны на склоне горы, свободном ото льда, определить их абсолютный возраст не удалось. Авторы сравнили характеристики обнаруженных частиц, полученные методами микроскопии и лазерного анализа, с данными по метеоритной пыли из датированных горизонтов антарктического льда, и оказалось, что по петрологическим, химическим и изотопным характеристикам они аналогичны частицам из керна скважин, пробуренных в рамках Европейского проекта по исследованию антарктического льда EPICA на куполе «С» (см. Dome C), и куполе Фудзи. Возраст этой пыли составляет 430 тысяч лет (рис. 3).

Оценив площадь рассеяния частиц с помощью численного моделирования, авторы пришли к выводу, что по своему масштабу это было событие более крупное, чем падение Тунгусского метеорита в 1908 году или Челябинского — в 2013-м. По мнению ученых, это был каменный метеорит диаметром от 100 до 150 м, вошедший в атмосферу Земли со скоростью около 20 км/с под углом от 15 до 90 градусов к поверхности. Результаты моделирования показывают, что при таких исходных параметрах ударное тело полностью испаряется при температуре около 30 000 К на подлете к Земле. При этом конусообразная струя пара достигает поверхности со скоростью от 6 до 10 км/с, а плотность хондритового вещества в ней составляет от 0,01 до 0,1 г/см³. Эта плотность слишком мала, чтобы образовался ударный кратер. Вместо этого основным эффектом приземления является взаимодействие струи перегретого пара с породами и льдом на поверхности.

Плавление льда приводит к образованию противонаправленной струи водяного пара, которая поднимается вверх, запуская на своем пути процесс охлаждения (рис. 4). По расчетам авторов, в течение 3–4 минут шлейф, который теперь представляет собой смесь материала ударника, воды и атмосферного воздуха, достигает максимальной высоты около 400 км, после чего в нем начинается конденсация. Опускаясь вниз, шлейф образует в нижних плотных слоях атмосферы богатое сферулами облако радиусом в тысячи километров.

Авторы считают, что подобные крупные импактные события, не оставляющие после себя кратеров, были достаточно частыми в геологической истории, но, чтобы выявить их, нужны тщательные и детальные исследования. В частности, ученые призывают уделять больше внимания поиску частиц космического происхождения в морских осадочных отложениях и кернах глубоководного бурения, так как подобные испарительные процессы с образованием микросферул могли иметь место и во время воздушных взрывов метеоритов над поверхностью океана.

Источник: M. van Ginneken, S. Goderis, N. Artemieva, V. Debaille, S. Decrée, R. P. Harvey, K. A. Huwig, L. Hecht, S. Yang, F. E. D. Kaufmann, B. Soens, M. Humayun, F. van Maldeghem, M. J. Genge, P. Claeys. A large meteoritic event over Antarctica ca. 430 ka ago inferred from chondritic spherules from the Sør Rondane Mountains // Science Advances. 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abc1008.

Владислав Стрекопытов