地球上的陨石坑只有200多个，而在月球上却多达30万个，为什么？ | 陈鸣
2022/8/15 17:00:00 中国科普博览
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如果找不到这些诊断性证据，
即使有很漂亮的陨石坑形态，或即使找到了陨石，也还得要论证。
陈鸣 · 中国科学院广州地球化学研究所研究员格致论道·湾区第17期 | 2022年5月28日 广州大家好!我是陈鸣，来自于中国科学院广州地球化学研究所，从事行星地质学研究。今天在这里，我想与大家分享一些和地球陨石坑相关的话题。
Part.1
中国陨石坑为什么这么少？
我们的地球自形成以来，受过无数地外小天体的撞击，当这些地外小天体穿过大气层，以超高速撞击到地表的时候，它就可以引发爆炸，最终形成陨石坑。
▲ 左：地外小天体中：星球撞击右：爆炸成坑如果小天体进入大气层后严重减速，最后掉落到地球上，即使它撞出了小坑洞，一般也不称其为陨石坑。所以陨石坑一定是爆炸形成的。
▲ Moon Apollo AS16 (1972)说起陨石坑，大家更熟悉的可能是月球陨石坑。月球表面的陨石坑密密麻麻、层层叠叠，不同大小的陨石坑遍布月球整个表面。
地球和月球构成一个地月体系，也就是说，它俩在空间上的位置是接近的。按理说，地球上陨石坑的密度应该与月球比较接近，但是目前观测到的地球上的陨石坑只有200多个，而在月球上观测到的、直径超过1000米的陨石坑多达30万个。那么造成这种明显差异的原因是什么呢？现在科学家已经很明确了，就是由于地球和月球的地质历史和演化情况不一样。早在30亿年前，月球强烈的地质活动就基本停止了。我们可以把它称之为一个“死去”的星球。
而我们的地球就不一样了，地球从形成以来到现在，强烈的地质活动就没有停止过，这与它的内部构造有关。我们知道地球有地核、地幔还有地壳，它们都在不停地运动。
强烈的地质活动使得地球表面发生板块构造运动、造山运动、火山喷发、冰川运动等；此外，还有我们常见的风化剥蚀现象、洼地的沉积掩埋，这些都可以让地球表面形成的陨石坑受到破坏、侵蚀，甚至被掩埋。正因为如此，目前在地球表面保留下来的陨石坑数量比较稀少。
▲ 毛里塔尼亚 Tenourmer 1.9km, 1.57Ma塔吉克斯坦 Kara-Kul 52km, 5Ma澳大利亚 Gosses Bluff 22km, 142Ma南非 Vredefort 160 km, 2000Ma我们可以看看目前在地球上发现的陨石坑的情况。有些陨石坑的形态是比较完美的，比较圆，具有环形的构造。但是这种陨石坑往往都是由很小的陨石撞击形成的。所谓“很小”是多小呢？比如直径小于几公里。并且这些陨石坑很年轻，好比“昨天”才撞击形成的。
地球上很多陨石坑的形成历史非常悠久，现在发现最老的有26亿年。而我们地球上的陨石坑在历经岁月之后，大部分都受到了强烈的侵蚀和破坏。从上图中可以看到，有些陨石坑看上去好像是圆的，但是隐隐约约、不太明显，毕竟受到了强烈的破坏，这就是我们地球陨石坑的基本状态。所以说，绝大部分的陨石坑看起来并不像坑。
▲ 地球上陨石坑分布这张图中的红点展现了现在地球上被证实的陨石坑的分布情况。地球的陨石坑比较密集地分布在哪里？北美、南美、北欧、非洲，还有澳洲。这些陨石坑所在的地区都是地壳活动相对比较平稳的地方，即地壳的稳定区。在这张分布图上也可以看到，亚洲地区的陨石坑相对较少。亚洲地区的地质活动相对比较剧烈，这与我们找到的陨石坑情况有着密切联系。如果再看看中国区域，在我们的版图上只有两个陨石坑。
▲ 造山带面积占全国陆地总面积 3/5我们可以从两方面来分析。第一，是因为中国有造山带，喜马拉雅和青藏高原就是造山带，东南沿海是造山带，天山一直到大兴安岭也是造山带，还有华中地区那边，从秦岭、祁连山到大别山也是造山带。我们中国造山带的面积将近占据了全国陆地面积的60%，也就是说，即使这些地区形成了陨石坑，也很容易受到侵蚀或剥蚀。所以导致原有的陨石坑基本被侵蚀掉了，或者说很难将它辨别出来。
▲ 地表出露的前寒武系岩层面积仅占7.8 %第二，中国地域的岩层总体来说是比较年轻的，90%以上的中国国土都是显生宙以后形成的岩层，显生宙就是距今5.4亿年以内的这个地质阶段。这说明什么问题？在地球漫长的历史过程中形成的陨石坑，基本上都受到了强烈的破坏或者被掩埋了。比如中国最年轻的第四纪的沙漠地区、黄土地区面积达到数十万平方千米。所以，中国的地理和地质情况不利于陨石坑的保存，当然也不利于陨石坑的发现，因此在中国发现陨石坑的难度是比较大的。这就是中国至今只有两个陨石坑得到国际认证的自然条件方面的原因。
Part.2
判别陨石坑的5项证据
受到地质作用的影响，地球表面产生了很多地质现象，如火山口、塌陷、背斜、向斜等，这些复杂的地质现象都有可能造成环状地形。怎样在这种复杂的地球地质里找出陨石坑？这给科学家提出了一个很重要的难题。经过100多年的研究，目前已经有了比较明确的答案：科学家主要根据以下五个方面的标志去判别它是不是陨石坑。
▲ 环形地质构造第一，是不是环形结构。陨石坑刚刚形成的时候，肯定是一个环状的结构。但是地球上环形的东西也很多，火山口、塌陷等都是圆的，这些情况都可能模糊我们的视线。同时，地球表面会受到强烈的侵蚀和剥蚀作用，即使有些陨石坑刚开始是存在环形构造的，被剥蚀了以后也很难找出来。但是环形构造依然是一个很重要的判别依据。
▲ 角砾岩和熔岩第二，有没有角砾岩和熔岩。我们知道，陨石坑是地外天体超高速撞击到地表上形成的坑，这个地方的岩石受到强烈的打击以后会发生破碎，所以我们会去找破碎石块形成的角砾岩。但是在地球本身的地质作用下，也可以形成大量的角砾岩。所以不能看到一堆角砾岩，就认为这里是陨石坑，它也有别的成因。
▲ 陨石残留体第三，有没有陨石。有人问，没有陨石怎么叫陨石坑？实际上这是我们中文用法的一个问题，陨石坑在学术上一般称为“撞击坑”，其实陨石坑里不一定是有陨石的。
我们在一个地方找到陨石，首先要判别它究竟是撞击之前产生的，是撞击期间到来的，还是撞击之后或者有了坑之后再掉下来的？实际上由于地球大气层的作用，小陨石掉下来后也可能有所残留，但是通过与地表的撞击，它会产生剧烈的爆炸。比如一个直径6米的陨石坑，爆炸产生的能量等于一个原子弹；一个1.2公里的陨石坑，爆炸当量等于数百个原子弹的能量。在这种能量下，你要把陨石找出来很难，绝大部分已经气化掉了。所以一般情况下，对于大部分直径1.2公里以上的陨石坑，没必要专门去找陨石。
第四，陨石元素和同位素的地球化学异常。陨石可以带来一些特殊的元素，但我们也注意到，地球上一些化学元素也会产生类似的现象。有些元素和同位素地球化学异常会导致我们在分辨上产生错误。
第五，冲击变质。什么叫做冲击变质？小天体撞击地表带来的压力可以达到上百万大气压，撞击产生的高温高压，可以使得很大一个区域的岩石发生物理和化学变化。这个变化会在岩石和矿物里面造成损伤。即使陨石坑形态不存在了，这些损伤都有可能保留下来。实际上在这五类标准中，前四类标准一般会存在成因的多解性，所以不能够看到这些东西就判定为陨石坑。但是第五类冲击变质现象只有在陨石坑中才有可能出现，所以它是陨石坑判别的“DNA证据”，我们找到它就可以判定是不是陨石坑。
Part.3
找到中国的陨石坑
那么我们怎么找？下面以中国的两个陨石坑为例，给大家介绍一下。
这是岫岩陨石坑，位于中国辽宁，这是一个直径1.8公里的陨石坑，形成在距今5.3万年前。
大家看，这个陨石坑形态圆不圆？圆，但是它的形态在航空照片上看更像五角形，也就是说它已经受到强烈的侵蚀，尽管它只有5万年多一点的历史。所以根据形态来判别，它给了我们一个形似陨石坑的印象。曾经我们也努力去找陨石，但是基本找不到。
那么怎么去判别呢？我们只有唯一的途径，就是漫山遍野找石头，找那些受过强烈撞击的石头。由于地表受过强烈风化，我们需要打钻到地表下面提取石头，最终我们还是发现了一些强烈冲击变质岩石。
▲ 撞击角砾岩这张照片展现的就是通过钻探，从地表以下四五百米处提取出来的一块撞击角砾岩。通过现代的微束分析技术，比如电子显微镜等，我们在里面找到了一些由冲击波作用造成的矿物物理和化学变化的证据。
▲ 超高压矿物第一个叫超高压矿物。什么叫超高压矿物？在特定的温度压力条件下，地表的矿物都是稳定的；如果压力和温度的条件变化了，它会变成另一种高密度的矿物。比如二氧化硅在超高压下，会形成一种叫柯石英的矿物。这种矿物只有在地球深部数百公里以上才可能出现。现在它在地表出现，说明地表受过高压作用。所以超高压矿物是很重要的陨石坑判别依据。
▲ 矿物击变面状变形页理第二，在冲击波的强烈作用下，矿物会发生特殊的变形，比如产生面状的变形页理。这个页理很特殊，像刀切一样，这种现象在一般地球岩石上找不到，只有冲击波才能造成这种现象。
▲ 矿物击变玻璃第三个是矿物晶体的玻璃化。冲击波作用可以使晶体里的原子点阵在瞬间被打乱，矿物的外形能保存，但是内里已经不是晶体结构，变成玻璃体了，我们叫击变玻璃。
以上三个标准就是国际科学界判别陨石坑的三类诊断性证据，只要能找到其中之一，就可以肯定它就是陨石坑。如果找不到这些诊断性证据，即使有很漂亮的陨石坑形态，或即使找到了陨石，也还得要论证。这就是学术规则。
依兰陨石坑也是同样的情况，它是我们2021年刚证实的一个陨石坑。这个陨石坑在中国小兴安岭东南部，位于一个森林覆盖区。它的直径为1.85千米，比岫岩陨石坑略大一点，在这个陨石坑中目前也没有找到陨石。
这个地区的基岩是花岗岩。我们还是通过在地表收集、钻探，提取到了一些冲击变质花岗岩的证据。
▲ 左：超高压矿物右上：矿物击变面右中：状变形页理右下：矿物击变玻璃左图呈现的是花岗岩在几十万大气压和数千度的温度压力作用下发生的变化情况。我们在冲击变质花岗岩里面发现了超高压矿物、矿物击变面状变形页理和矿物击变玻璃，找到了国际要求的几套陨石坑诊断性证据，得到了国际上的确认。
Part.3
为什么要研究陨石坑？最后，我们来谈一下陨石坑的研究意义。陨石坑是一种宇宙地质奇观，而地球上的陨石坑与火星、月球上的陨石坑，有着相同的地质现象、形成机理和特征。那么我们就可以站在地球看其他星球，可以身临其境去体验它。
所以，陨石坑是一个非常好的科学和科普教育基地。实际上国外的很多陨石坑都被开发成了博物馆。根据国际同行的评估，我们中国这两个陨石坑也是天然博物馆非常理想的选址。另外，陨石坑是星球撞击的遗迹，可为我们研究宇宙地质特征、研究地球演化等提供重要的信息。
撞击会产生特殊的环境效应，如果是巨大撞击，有可能与某些生物的绝灭有联系，比如恐龙绝灭。上图展示的是6500万年前发生在墨西哥湾的一个直径10千米的小行星撞击事件，这个事件使得当时全球气候环境发生剧变，最终导致了恐龙绝灭。地球上还有别的生物绝灭事件，相关分析认为也有可能与星球巨大撞击引起的环境效应有关。
此外还有矿产资源问题，某些陨石坑有很重要的经济价值，比如黄金、金刚石、镍矿等重要的经济矿产资源，它们很多都产自于陨石坑。我今天的报告就到这里，感谢大家的倾听!谢谢!
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