Как найти упавшие на Землю АСТЕРОИДЫ?

На открытие этой темы меня подвинуло (можно сказать вдохновило) обсуждение "Происхождение суши на Земле" а также замечательное сообщение "Верблюды с метеоритными подковами" (milanovsky). Здорово, что метеоритика перенимает методы геологов в поисках объектов своих исследований - выявлены чуть ли не "месторождения" метеоритов - в ледниках антарктиды и афро-аравийских пустынях. Следующим логическим шагом исследователей будет желание копнуть поглубже - в буквальном и переносном смыслах.

И тут дело чести нас, астрономов-любителей, Следопытов Истины, морально подготовить профессионалов к подвигам новых открытий (во загнул), и может быть, помочь взглянуть на проблему со стороны, взглядом не из под забрала профессиональных парадигм. Итак, существо вопроса.

Ожидаемая революция ХХI века в исследовании астероидно-кометного вещества будет связана не столько с космическими экспедициями к кометам и астероидам, сколько с тем, что лежит у нас под ногами - древними упавшими астероидами ждущими часа своего открытия в глубинах земной коры. Поскольку земная кора сформировалась не менее миллиарда лет назад , в нее за это время врезалось по крайней мере несколько астероидов размером не меньше КИЛОМЕТРА , которые не могли пробить кору и утонуть в мантии. Это очевидные предположения и вряд ли кто будет с ними спорить. Вопрос в том где и по каким признакам искать места падений.
На какой глубине они могут залегать?
Не могут ли места падений проявляться как месторождения полезных ископаемых?
Как это доказать? Полагаю, что это не безнадежное предприятие.

Сначала цитата из одной замечательной книжки (№ 5 стр.137 из "101 наиполезнейшая книга..."- форум Книги, статьи...)
"Хондриты отличаются от горных пород Земли удивительной особенностью: все элементы, за исключением самых летучих (водород, гелий, кислород) находятся в них в тех же пропорциях, что и на Солнце. На Земле же под влиянием магматической дифференциации, и под действием других причин получились породы, обедненные одними и обогащенные другими элемнтами.

Вместе с основными элементами произошло разделение и примесных элементов. Так называемые ЛИТОФИЛЬНЫЕ элементы (Se, Sr, Rb, Ba, Ce, Cs, Th, U) обнаруживают сродство с минералами, богатыми кислородом,
ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ (Cu, Zn, Sn, Pb, Ag, Hg, Cd, In) - с минералами, богатыми серой, а СИДЕРОФИЛЬНЫЕ (Ga, Ge, Ru, Pt, Pd, Os, Ir, Rh) - с минераламиб богатыми железом. Их и находят в соответствующих минералах. Горные породы земной коры состоят ПОЧТИ ЦЕЛИКОМ ИЗ ЛИТОФИЛЬНЫХ элементов. Халькофильные элементы концентрируются в небольших областях рудных месторождений, а СИДЕРОФИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В КОРЕ ПРАКТИЧЕСКИ ОТСУТСТВУЮТ. В хондритах же наблюдаются лишь слабые вариации их содержаний. Это и означает, что хондриты образовались из вещества солнечного состава. Ни существенного обогащения, ни обеднения элементами этого вещества не происходило, а следовательнот не было процессов, которые ведут к этому."

А теперь выписка из лекции геолога-практика студентам-геологам.
Несколько пояснений к нижеприведенному тексту.
1) В тексте речь идет о железистых кварцитах, на самом деле это всего лишь сопутствующий минерал, на самом деле сейчас добывают гематит, мартит и магнетит - это на >50% порода состоящая из чистого (неокисленного) железа слоистой структуры с прослойками силикатов толщина слоев 0.3-0.7 мм.
2) Руда не лежит на гранитах и гнейсах разведочные шурфы под ее пластами натыкаются на тот же известняк.
3) Оседание коллоидных растворов окиси железа никак не может дать 30-70% концентрации чистого железа, если имел место восстановительный процесс то его следы не могут не присутствовать в минералах - чего нет.
4) В вулканических извержениях содержание чистого железа ничтожно. К тому же месторождение находится на мощной платформе, где видимо 500 миллионов лет не было никаких извержений, а если предположить, что перенос соединений железа происходил из района подводных вулканов средиземноморья, то должны быть следы в виде отложений по пути подводных течений - через всю южную Европу, этого , кажется нет.
5) И самый главный аргумент против геологического происхождения - в самой руде и сопутствующих породах присутствуют редкоземельные элементы вплодь до урана, и продуктов его распада, пропорции которых исключают какую-либо магматическую или осадочную дифференциацию вещества. Очевидно, что уран не может осаждаться в колоидных растворах так же как железо. Обращаю на это особое внимание, ведь то же самое характерно и для метеоритов.

"В сложении этой обширной территории(геологичес-
коом строении) принимают участие и осадочно-рыхлые
породы, и кристаллические, сильно измельченные горные
породы, представленные различными сланцами, гнейса-
ми, изверженными породами и железистыми кварцитами.

Если мысленно убрать со всей этой огромной
территории КМА (Курская магнитная аномалия)
наружную толщу осадочных пород, то перед
нашим взором предстанет поверхность огромного кристал-
лического фундамента Русской платформы. Возраст этих
кристаллических пород определяется огромной цифрой
в 2,5-3 миллиарда лет. Среди кристаллических сланцев,
гнейсов, гранитов и других изверженных пород можно
было бы увидеть две гитантские полосы железистых
кварцитов. Железистые кварциты составляют богатство
нашей страны. Запасы бедных руд - железистых квар-
цитав неограниченны, их хватит на многие сотни лет все-
му человечеству.

Железистые кварциты являются продуктом глубоко-
го метаморфизма (изменения) первичных кремнисто-же-
лезистых осадков, отлагавшихся на дне древнего докем-
брийского моря 2-2,5 миллиарда лет тому назад. До
метаморфизма (изменения) железистые кварциты пред-
ставляли собой тонкослоистые плотные кремнисто-желе-
зистые осадочные породы. Они образовались путем осе-
дания на дне морей коллоидных веществ: водного
кремнезема, водных окислов железа и некоторой приме
си глинистых веществ.

Встает вопрос: откуда приносилось железо для
образования гидроокислов железа?

Многими учеными-геологами высказываются два
предложения.(1) Одни утверждают, что в далекие геологи-
ческие эпохи атмосфера Земли резко отличалась по сво-
ему составу от современной атмосферы и что она была
сильно обогащена углекислотой. Воздух, обогащенный
углекислотой, является хорошим физическим агентом
разрушения (выветривааня) окружающих древних пород,
содержащих в своем составе много силикатного железа.

(2) Другие утверждают, что источником железа, иду-
щего на образование железисто-кремнистого осадка
являются вулканические породы. При подводных вулка-
ничеоких извержениях вместе с вулканическим газом и
лавой в воду, океанов могло поступать большое кол-
чество железа.
Окиси железа, полученные или в резул-
тате выветривания древних пород, или за счет вулкани-
ческой деятельности, потом потоками рек сносились в
виде коллоидных растворов в океаны, где влиянием
морских солей коагулировались (свертывались) и осаж-
дались в виде студневидных гидроокислов железа.

Осаждение окиси железа и окиси кремния на дно
моря проходило на обширной территории. Железисто-
кремнистый осадок после уплотнения подвергался глу-
бокому изменению в результате влияния на него высоко-
го давления и температуры. Таким образом, перво-
начально рыхлые породы, состоящие из переметаемых сло-
ев гидроокисдов железа, гидроокислов кремния глини-
стых тонкообломочных материалов, превращались в кри-
сталлические сланцы, в железистые кварциты, в безруд-
ные кварциты и другие скальные горные породы.

В последующие геологические эпохи вся обширная
территория КМА медленно понижалась, превращаясь
в окаеничеокие впадины, или возвышалась, превраща-
ясь в материки и большие острова. В местах, залитых
морем, океаном, начали откладываться рыхлые обломоч-
ные материалы, приносимые потоками рек. Так посте-
пенно за очень длительный срок, исчисляемый сотнями
миллионов лет, вся территория Центральной части Ев-
ропы была покрыта мощным слоем осадочных пород
Мощность осадочного чехла на территори КМА раз-
лична и колеблется в пределах от 30 до 700 метров."

Особенно мне интересно мнение на эту тему milanovsky и Александра П.

[milanovsky]

Дорогой Валерий!
Ваше предположение "об астероидном происхождении железорудных
месторождений Курской магнитной аномалии (КМА)", на мой взгляд, увы, неверно. Однако, Ваше письмо заставило меня всерьез задуматься над простой (т.е. понятной для не-геолога) и, вместе с тем, убедительной аргументацией. Такая аргументация у меня после некоторых раздумий родилась, тем более,что я был предупрежден Вашим т.с. предварительным "заходом" на эту тему. Только, умоляю, не надо ставить Ваше предположение в один ряд с идеями о космическом происхождении гранитов! И то и другое вроде бы одинаково неверно - но Ваше можно спокойно обсуждать, а в "гранитном" случае все время рискуешь сорваться на грубую брань, что совершенно недопустимо на данном форуме.
Итак, приступим. Я буду выдавать по одному аргументу в день пока не иссякну.

Аргумент 1. (Формально-логический, типа "бритвы Оккама")
Стоит ли предполагать космическое происхождение земного железа, имея свое собственное, многотысячекилометровое, роскошное железо-никелевое земное ядро?

Ваш А.М.

Да но дифференциация давно завершилась кора сформировалась и как объяснить ракушечник под рудными слоям?

Александр, возможно неделю-другую от меня не будет сообщений - командировка. Буду заглядавать на обсуждение по возможности. После все аргументы обсудим.

И еще мысль - пусть бльшинство месторождений естественные, но железные астероиды за миллиард лет падали и они должны бать в коре и не глубоко под поверхность. А нетривиальная гипотеза происхождения гранитов - для меня всего лишь пример гибкого мышления.
С уважением.

[milanovsky]

Аргумент 2. Метеориты массой б. 200 тонн достигают Земли с космической скоростью
В результате происходит взрыв , в процессе которого полностью испаряется сам ударник
и, в среднем, 30-50 кратная масса пород мишени (Некоторые сведения о
высокоскоростном ударе. В кн. Очерки сравнительной планетологии.,М.Наука,1981).
В случае железного астероида
максимальнаное содержание железа в конденсате будет не более 1-2 %. На месторождение не наскребешь...

Ваш А.М.

Прочитал статью "Астроблемы - звездные раны Земли" на вашем сайте.
Скажу прямо - не внушает. Однако позабавило упоминание железного метеорита (Хоба) в Намибии массой 60 тонн упавшего без образования кратера "скорость соударения была почти нулевой". При вертикальном падении такого не может быть: фронт уплотнения существует только при сверхзвуковой скорости, как скорость становится меньше - тело падает как обычный камень. Зануление вертикальной составляющей скорости возможно при пологой траектории, как следствие случайно образовавшейся подъемной силы, если в этот момент метеорит коснется поверхности, то вертикальная скорость действительно будет нулевой, но горизонтальная составляющая будет не меньше 250 м/c. Такой сценарий вполне возможен, но бороздообразная воронка и отколовшиеся части все же должны быть на некотором оттдалении от метеорита. Если, конечно, местное народонаселение не прикатило его из более отдаленных мест.

Вернемся к болееи крупным телам.
Пусть средний астероид входит в атмосферу Земли с минимально возможной скоростью около 11000 м/c, тогда на каждый его килограмм будет приходиться кинетическая энергия (11000^2)/2 = 60 000 000 = 60 000 кДж. С другой стороны средняя теплоемкость железа в интервале от 300К до темп. плавления (1811К) около 0.7 кДж/(кг*К), итого энергия на плавление 1500*0.7=1050 кДж. Средняя теплоемкость расплава 0.6, температура кипения 3145К, получаем ок. 1300*0.6=780 кДж; добавим теплоту плавления и кипния всего 364 кДж и сложим все энергии: получится ок. 2200 кДж энергии требуемой на испарение 1 кг железа в сравнении с 60 000 исходной кинетической.
С учетом того, что теплоемкость при большом давлении увеличивается, а половина кинетики тратится на испарение пород мишени, получаем окончательный баланс 30 000 и 4 000 кДж. То есть даже при минимальной скорости входа астероида в атмосферу его энергии достаточно для семикратного испарения самого себя.

А теперь возьму на себя смелость доказать, что этих обстоятельств недостаточно, чтобы вещество астероида не было бы сконцентрировано в одном месте, более того, часть астероида даже не расплавится.

[ 04-09-2001: Сообщение редактировал: Valeriy B ]

[milanovsky]

Дорогой Валерий!
Вы пишете: <BLOCKQUOTE><font size="1" face="tahoma, verdana, helvetica, arial cyr">quote:</font><HR>
А теперь возьму на себя смелость доказать, что этих обстоятельств недостаточно,
чтобы вещество астероида не было бы сконцентрировано в одном месте, более того,
часть астероида даже не расплавится.
<HR></BLOCKQUOTE>
Это будет новое слово в науке! Ведь согласно существующим оценкам при высокоскоротном ударе сохранится в нерасплавленном состоянии может только около 0.01% вещества крупного ударника. И еще от 0.1 до 0.5% - в переплавленном состоянии. Данные иследований Аризонского кратера и нескольких, почти свежих австралийских, показывают, что если эти оценки и завышены, то всего лиш в несколько раз.

Та что, как всегда, жду с нетерпением.

Ваш А.М.

Прежде чем продолжить, небольшое лирическое отступление на тему почему большие метеориты почти не тормозятся земной атмосферой. Никаких громоздких вычислений - буквально на пальцах.
Для определенности возьмем астероид в форме цилиндра с основанием диаметром 1200 метров и высотой 1000 метров, железный с примесями плотностью около 7 гр на куб см. Он входит в атмосферу вертикально днищем вперед со скоростью 11000 м/сек.

Поскольку его скорость в тридцать раз превышает скорость звука, и примерно в 20 скорость распространения ударной волны, то уплотняющийся воздух не успевает вытекать из под его днища, и в первом приближении движение такого астероида сопоставимо с поршнем окруженном стенками; при сверхзвуковом движении роль стенок играет механическая инертность сжимаемого воздуха. Примем для простоты что оснавная часть атмосферы находится до высоты 11000 метров и плотность ее постоянна с ростом высоты, тогда днище астероида проходя путь от 11000 м до 1 (одного) метра в 11000 раз сжимает воздух и примерно во столько же раз увеличивается давление (утечка воздуха из под днища примерно компенсируется реальной неизотермичностью процесса что повышает давление).

Итак на высоте 1 метр от поверхности "днище" астероида испытывает давление порядка 10 000 атмосфер или 1 000 000 000 в паскалях.
Делим эти Ньютоны приходящиеся на квадратный метр на массу вещества астероида возлежащего над 1 кв. метром днища (7 тонн х 1000 метров = 7 000 000 кг) получаем число около 150. Это ускорение, в метрах на сек. в квадрате которое испытывает наш модельный астероид в последний миг перед ударом.
Механическое сопротивление набегающего потока (ро эс вэ-квадрат на два) дает дополнение всего 11 м/с^2 - при "ро" на уровне моря.
Даже если бы он испытывал такое ускорение на всем пути от 11000 до 1 метра (всего 1 секунду) его скорость уменьшилась бы только на ~ 1.3%.

Дальше будет о том, почему в статье "Астроблемы - звездные раны земли" нет ни слова о следах падения тел на ту часть Земли, которая занимает 2/3 ее поверхности. Конечно, это об океанах.

[milanovsky]

Дорогой Валерий!
Я, признаться, предугадал ход Ваших мыслей прямо в океан (что, конечно не делает их менее интересными). Существует огромное количество теоретических исследований поведенния крупных метеороидов в атмосфере, но о поведеннии их в водной среде мне ничего никогда не попадалось. Возможно, этим и занимались, но крайне мало. На момент написания Виленом Изильевичем Фельдманом статьи, на которую Вы ссылаетесь, было еще ничего не известно об астроблеме Mjolnir , открытой несколько лет назад норвежскими и английскими геологами на дне Баренцового моря моря при поисковых работах на нафть и газ. Эта 25 км структура юрского возраста прекрасно сохранилась, и по своему строению очень пожожа на сухопутные аналоги. Очень подробно о ней можно прочитать на http://www.geologi.uio.no/avdG/mjolnir/mjolnir.html
Но, к сожалению, на варварском языке.
Несколько замечаний:
1. Для большего правдоподобия выкладок я бы брал не минимальную, а средне-возможную скорость входа метеороида в атмосферу (ок 25 км/сек.).
2. Для рассчетов удобно пользоваться импакт калькулятором на http://www.kingsu.ab.ca/~brian/astro...cripts/crater.
html
Очень ловкая штука!
3. Неплохая обзорная статья на эту тему есть на http://www.meteorite.narod.ru/proba/stati/stati58.htm

С нетерпением жду продолжения,
Ваш А.М.

[milanovsky]

Дорогой Валерий!
Увы, я вынужден пррвать всяческие дисскуссии ввиду отбытия на полевые работы. С конца октября готов начать с новой силой!

Ваш А.М.

P.S. Попытайтесь все же сформулировать Ваше представлении о марсианской ПРО до гибели очередного зонда

Перечислим набор фатов из которых будем конструировать
доказательства возможности "мягкой" посадки астероида.
1) 70.8% поверхности планеты занимает океан
2) 50% океана имеет глубину более 3700 метров
3) скорость распространения фронта плавления/испарения в веществе астероида не может быть больше скорости звука в этом веществе
4) для плотных газов в отличии от разряженных разность изобарной и изохорной молярных теплоемкостей (Ср-Сv=R) может существенно отличаться от универсальной газовой постоянной R. С приближением к критической точке теплоемкость газа возрастает и в критической точке обращается в бесконечность.
5) Теплоемкость воды при давлениях больше 200 bar (20 МПа) на порядок и более превышает теплоемкость железа.

Итак, астероид входит в порерхность океана вертикально (пока - вертикально) со скоростью 11000 м/с . При этом плотность "воздуха" в метровом слое между астероидом и поверхностью имеет порядок плотности железа и больше (норм. плотность воздуха 1.25кг/м^3*11000 метров сжатого столба) и в несколько раз больше плотности воды, но в отличии от воды продолжает обладать высокой степенью сжимаемости.

Если в первом приближении считать, что торможение в воде определяется обычным скоростным напором (слоем кисловодно-водородной смеси образованой излучением от граничного слоя), то при заданных выше параметрах астероида получим начальное ускорение ок. 8600 м/с^2 или 860 "же" что вполне приемлемо для механических свойств железа. Для сравнения: возвращаемые капсулы лунных грунтозаборников проектировались под нагрузки 200 "же". На глубине в 4 километра скорость астероида не превысит 2-3 км в секунду (здесь без учета вязкости и избыточного давления):
REM Торможение скоростным напором воды (qbasic)
m = 7000000 '-масса над 1 кв.м.днища астероида, кг
CLS : dt = .001
h = 0: v = -11000'-начальная скорость
k = 500 / m ' 500 -плотность воды/2*1м^2
WHILE h > -10000 AND v < -2000
dv = k * v * v
h = h + v * dt + dv * dt * dt / 2
v = v + dv * dt
t = t + 1
IF (t MOD 100) = 0 THEN PRINT "h="; h; " v="; v; " ("; dt * t; " сек)"
WEND
PRINT "Стоп по высоте или скорости:"
PRINT "h="; h; " v="; v; "("; dt * t; " сек)"
END

Таким образом с кинематикой все в порядке - такой астероид кору не пробъет. А что с отводом тепла?
Если принять, что фронт испарения железа в астероиде имеет скорость звука, то за 1 секунду успеет испариться 3850 метров толщины астероида (взята скорость звука для чугуна, как более близкого по составу к железным метеоритам материала). Что же, шансов уцелеть у астероида нет?
Не все так просто. Даже если не оспаривать скорость продвижения фронта испарения, то нужно учитывать свойства сжатых паров железа, движущихся газовой подушкой перед еще целой частью (слой жидкого железа очень тонкий). Эти пары по прежнему не успевают вылететь в стороны из под днища из за малой скорости звука (атомы в парах железа в 2 раза тяжелее молекул азота).

Допустим, на некий момент половина вещества астероида (нижняя) находится в газообразном состоянии, другая в твердом. Так вот, есть основания полагать, что эта подушка паров железа становится пожирателем энергии торможения и одновременно теплоизолятором для холодной части астероида. В самом деле, пары железа непрозрачны для излучения фронта уплотнения, конвенции на столь коротких интервалах времени быть не может, теплопроводность на порядки ниже скорости звука. Как энергии пробиться сквозь пары железа? Конечно, после остановки астероида у сконденсировавшихся паров будет время расплавить верхнюю часть астероида. Но испарить - нет.
Но и это еще не все.