Ударно-метаморфические процессы, возникающие при соударении космических тел с планетами, наряду с другими главнейшими геологическими процессами, являются определяющими строение и состав поверхности этих планет. Изучение особенностей ударного метаморфизма имеет большое значение для воссоздания общей картины возникновения, развития, состава и строения земной коры. Изучить процессы, происходящие при падении метеоритов, и понять закономерности ударного метаморфизма помогают экспериментальные работы по ударно-волновому нагружению минералов и горных пород.

Данная работа является частью серии экспериментов по моделированию импактных процессов, выполненному методом ступенчатого ударно-волнового нагружения кристаллических пород. Были изучены ударно-метаморфические преобразования породообразующих минералов (граната и биотита) кварц-полевошпат-биотит-гранатового сланца (Южный Урал). Подробности постановки экспериментов содержатся в работе [1]. Максимальные ударные давления в экспериментах достигались в течение нескольких циркуляций волн в образце (ступенчатое ударно-волновое сжатие) и составляли 26, 36 и 52 ГПа. Изучение минералов пород, испытавших ударно-волновое нагружение, проводилось с использованием методов оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), микрозондового и рентгенофазового анализа.

Исходная порода - кварц-полевошпат-биотит-гранатовый сланец, сложенный преимущественно меланократовыми минералами (гранат - 40-45 об. %, биотит - 20-25 об. %), обладает порфиробластовой структурой лепидо-гранобластовой структурой основной массы.

Гранат при исследованных ударных нагрузках подвергается в основном механическим преобразованиям, которые заключаются в интенсивном растрескивании. Степень трещиноватости граната увеличивается с ростом ударной нагрузки. При нагрузке 52 ГПа наблюдаются следы плавления краев зерен граната. По данным РФА гранат сохраняет свою кристалличность при всех изученных ударных нагрузках. Снижение размера ОКР граната (до 45 нм) фиксируется только при нагрузке 52 ГПа, тогда как при других нагрузках размер ОКР не отличается от исходного (превышает 100 нм). Значимых изменений химического состава кристаллического граната не выявлено ни при одной из изученных ударных нагрузок, однако очевидно увеличение дисперсии химических составов граната с ростом ударной нагрузки.

Биотит при изученных ударных нагрузках подвергается как механическим, так и химическим преобразованиям. Механические преобразования заключаются в образовании полос смятия, которые фиксируются уже при нагрузке 26 ГПа. Наряду со смятием при нагрузке 26 ГПа на границах зерен биотита иногда видны следы начала его плавления. При нарастании ударной нагрузки зоны плавления биотита становятся широкими. Максимальная степень плавления биотита наблюдается при нагрузке 52 ГПа. При данной нагрузке крупные зерна либо не плавятся, либо плавятся только по краям, в то время как мелкие чешуйки могут быть расплавлены полностью. Полностью расплавленные зерна биотита могут сохранять свои границы и форму, но иногда они теряют свои первоначальные очертания, их границы становятся нечеткими, размытыми. На фотографиях, выполненных в СЭМ, в пределах зерен биотита часто наблюдается большое количество пустот (пузырей), которые возникают при его <вскипании>, то есть при уходе из биотитового расплава флюидной фазы. Выделяется два типа стекла, образующегося по биотиту: однородное стекло, которое часто заполняет тончайшие (шириной до 2 мкм) прожилки в кварце, и стекло с микровключениями ярко-белой на изображениях, выполненных в СЭМ, фазы. Однородное стекло, возникающее при плавлении биотита, по сравнению с исходным биотитом нередко обогащено кремнием, натрием и кальцием, обеднено калием, магнием и титаном. Анализ по площади стекла с новообразованными фазами показывает, что по сравнению с исходным биотитом смесь этих фаз обогащена кальцием и натрием, обеднена калием и магнием. По данным РФА после ступенчатого ударно-волнового нагружения содержание кристаллического биотита падает от 68 % его исходного количества при нагрузке 26 ГПа до 45 % - при нагрузке 52 ГПа. Размер ОКР и параметры кристаллических решеток биотита не отличаются от исходных значений ни при одной их изученных ударных нагрузок.

Сравнение результатов преобразования граната и биотита при ступенчатом ударно-волновом сжатии с диаплектовыми изменениями перечисленных минералов в природе и в экспериментах со сферической сходящейся ударной волной показало, что: 1) во всех трех случаях механические деформации минералов происходят при практически одинаковых ударных нагрузках; 2) образование ударно-термических агрегатов при плоской геометрии нагружения не зафиксированы даже при 52 ГПа (в сферических ударных волнах замещение биотита и граната агрегатом новообразованных минералов при этих давлениях фиксируется). Среди причин перечисленных расхождений могут быть: 1) разные температуры нагрева сжимаемого образца при одинаковых ударных напряжениях; 2) различия в структурно-текстурных характеристиках пород, использованных теми или иными исследователями; 3) разные количества одних и тех же минералов в образцах; 4) колебания состава использованных минералов.

1. Милявский В.В., Сазонова Л.В., Белятинская И.В. и др. Ударный метаморфизм плагиоклаза и амфибола при ступенчатом ударно-волновом сжатии полиминеральных горных пород // ФТВД. 2007. Том. 17. N 1. С. 126-136.