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).

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).

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).

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).

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: David A. Kring, Sonia M. Tikoo, Martin Schmieder, Ulrich Riller, Mario Rebolledo-Vieyra, Sarah L. Simpson, Gordon R. Osinski, Jérôme Gattacceca, Axel Wittmann, Christina M. Verhagen, Charles S. Cockell, Marco J. L. Coolen, Fred J. Longstaffe, Sean P. S. Gulick, Joanna V. Morgan, Timothy J. Bralower, Elise Chenot, Gail L. Christeson, Philippe Claeys, Ludovic Ferrière, Catalina Gebhardt, Kazuhisa Goto, Sophie L. Green, Heather Jones, Johanna Lofi, Christopher M. Lowery, Rubén Ocampo-Torres, Ligia Perez-Cruz, Annemarie E. Pickersgill, Michael H. Poelchau, Auriol S. P. Rae, Cornelia Rasmussen, Honami Sato, Jan Smit, Naotaka Tomioka, Jaime Urrutia-Fucugauchi, Michael T. Whalen, Long Xiao, Kosei E. Yamaguchi. Probing the hydrothermal system of the Chicxulub impact crater // Science Advances. 2020. eaaz3053. DOI: 10.1126/sciadv.aaz3053.

Владислав Стрекопытов