Törmäyskivien huokoisuus avain kraatterien synnyn ja kehityksen ymmärtämiseen?

Transkriptio

1 Törmäyskivien huokoisuus avain kraatterien synnyn ja kehityksen ymmärtämiseen? J. Salminen 1, T. Öhman 2 ja L.J. Pesonen 1 1 Geofysiikan osasto, Helsingin yliopisto, johanna.m.salminen@helsinki.fi 2 Geologian osasto, Geotieteiden laitos, Oulun yliopisto Abstract Shock and rarefaction waves created by a hypervelocity impact profoundly change the porosity of the target material. In crystalline targets impact cratering generally leads to shock metamorphic rocks with increased porosity, whereas sedimentary rocks with high initial porosity may lose a significant proportion of their pore space due to shock compression. We are compiling a global database of porosities in various types of impact structures, in order to gain a deeper insight into shock attenuation and other processes (e.g. hydrothermal fluid circulation) pertinent to impact cratering. In addition to being an important aspect of the theory of impact cratering, porosity of impactites bears major economic significance, since fractured rocks in impact structures can act as traps for hydrocarbons or groundwater. Also the fundamental questions on the origin of life and life on other planets relate to impactites porosities, since bacteria and algae are supposed to thrive on craters fractured rocks nourished by hydrothermal fluids circulating in the newly formed crater. 1. JOHDANTO Törmäyskraatterin syntytapahtuman yksityiskohtiin, sen lopulliseen muotoon ja rakenteeseen vaikuttavat monet eri tekijät. Merkittävimpiä niistä ovat törmäävän kappaleen massa, nopeus (kineettinen energia) ja koostumus. Myös törmäysalustan tyypillä (vesi, jää tai manner) ja mantereen tapauksessa kivilajeilla (kohdekivi), rakenteella ja lujuusominaisuuksilla on suuri merkitys muodostuvan törmäyskraatterin kehittymiseen (Melosh, 1989; French, 1998). Jos tarkastellaan useaa törmäysrakennetta, voidaan törmäävän kappaleen ominaisuuksien olettaa keskiarvoistuvan pois. Näin ollen havaittujen erojen törmäysrakenteiden (petro)fysikaalisissa ominaisuuksia voidaan ajatella johtuvan vain törmäysalustan kivityypistä, kiteinen vs. sedimenttinen (Kieffer & Simonds, 1980). Helposti ja nopeasti mitattavissa oleva törmäysrakenteiden kivien huokoisuus on avainominaisuus tutkittaessa mm. törmäysprosesseja, rakenteen törmäyksen jälkeistä kokoonpuristumista ja hautautumishistoriaa (Tsikalas et al., 2002). Törmäysrakenteiden huokoisuuksia on kuitenkin toistaiseksi raportoitu vain harvojen rakenteiden tapauksissa. Kun huokoisuutta tutkitaan etäisyyden funktiona törmäyskohdasta, se tarjoaa keinon tarkastella törmäyksessä syntyvän shokkiaallon vaimenemista kohdealustassa (Pesonen, 1993; Pesonen et al., 1999a). Shokkiaallon vaimeneminen on keskeinen tekijä kraatteroitumisprosessissa, mutta sitä ei vielä toistaiseksi ymmärretä kuin osittain (mm. Dence, 2004). Shokkibarometreinä käytetään lähinnä mineraalien korkean paineen 213

2 polymorfisia muotoja ja shokkilamelleja, sekä alhaisemmalla painealueella pirstekartioita. Petrofysikaaliset parametrit, lähinnä huokoisuus ja tiheys, voivat kuitenkin antaa merkittävää lisätietoa shokkiaallon ja kohdeaineksen vuorovaikutuksesta kraatteroitumisprosessissa. Tämän työn tarkoituksena on saattaa alulle tietokanta törmäysrakenteiden huokoisuuksista ja raportoida jo tiedossa olevia huokoisuuksia. 2. TÖRMÄYKSEN VAIKUTUS ERI KOHDEKIVIIN Törmäystapahtumassa vapautuva energia vaikuttaa eri tavalla sedimenttisiin ja kiteisiin kohdekiviin. Tietokannan avulla pyritään tarkastelemaan eroja kiteiseen ja sedimenttiseen kohdealustaan muodostuneiden kraattereiden huokoisuuksissa. Törmäys kiteiseen kiveen aiheuttaa yleensä huokoisuuden kasvun (mm. Pilkington & Grieve, 1992; Pesonen et al. 1999a; Salminen, 2004). Törmäyksen johdosta syntyneiden impaktiittien huokoisuudet noudattavat yleensä trendiä siten, että sulien huokoisuus on selkeästi pienempi kuin sueviittien ja breksioiden. Törmäys sedimenttiin tai sedimenttikiveen, jonka huokoisuus on jo alun perin huomattavasti suurempi kuin kiteisen kiven jopa yli 20% voi puolestaan aiheuttaa kokonaishuokoisuuden pienenemisen (Kieffer, 1971; Kenkmann, 2003). Näin tapahtuu nimenomaan varsin alhaisen, korkeintaan noin 5 GPa:n shokkipaineen kokeneille huokoisille sedimenttikiville. Huokoisuus on myös sikäli merkittävä piirre, että se edesauttaa kvartsin korkean paineen polymorfisten muotojen syntymistä (Kieffer, 1971; Kieffer et al., 1976), samoin kuin kataklastista virtausta mm. kraatterien keskuskohoumien synnyssä (Kenkmann, 2003). Itse törmäyskivilajeihin huokoisuudella on myös varsin suora vaikutus, sillä sedimenttikivilajeihin syntyneissä kraattereissa pääosa törmäyssulasta on sueviiteissa (esim. Kara, Kuva 1a), mikä johtuu sulan hajaantumisesta pieniksi pisaroiksi huokosfluidin höyrystyessä (Kieffer & Simonds, 1980). Kiteisen kiven muodostaessa pääosan kohdekivestä, pääsee törmäyssula helpommin muodostamaan suuria yhtenäisiä kivilajiyksiköitä (esim. Popigai, Kuva 1b). Kuva 1. Sueviitti hyvin huokoisena kivilajina on erittäin herkästi rapautuvaa (a, Karajoki, Karan kraatteri), kun tiiviimpi törmäyssulakivi puolestaan kestää rapautumista huomattavasti paremmin (b, Rassokhajoki, Popigain kraatteri; huomaa tyypillinen pylväsrakoilu 214

3 Jos törmäyksen jälkeen kraatteriin syntyy hydroterminen systeemi, kuten useimmiten tapahtuu, mm. karbonaattien, sulfidien ja fluoriitin saostuminen muuttavat nekin osaltaan huokoisuutta jopa niin, että törmäyksessä breksioituneen, mutta hydrotermisesti mineralisoituneen kiven tiheys on suurempi kuin vastaavan törmäyksessä deformoitumattoman kiven (esim. Lockne ja Tvären, ks. Törnberg and Sturkell, 2005). 3. TIETOKANTA ALULLE Päätarkoitus on saattaa alulle törmäyskraattereiden huokoisuustietokanta. Koska tarkoituksena on myös tutkia törmäysenergian vaikutusta erilaisiin kiviin ja shokkiaallon vaimenemista, on tietokantaan hyväksytty vain ne kraatterit, joiden huokoisuusnäytteiden näytteenottopaikat on ilmoitettu. Tämä mahdollistaa sen, että näytteen etäisyys törmäyskraatterin keskipisteestä voidaan laskea. Lähtökohtana on se perusajatus, että törmäyskraatterien kohdalla shokin voimakkuus pienenee siirryttäessä radiaalisesti poispäin kraatterin keskipisteestä (Kuva 2a). Shokkiaallon radiaalisesta pienenemisestä kertoo myös rakoilutiheyden (Kuva 2b), sähkönjohtavuuden (Kuva 2c) ja tiheyden (Kuva 2d) pieneneminen (Salminen, 2004; Pesonen 1993). Kuva 2. Eräitä törmäysrakenteiden petrofysikaalisia ominaisuuksia kraatterin säteellä normeeratun radiaalisen etäisyyden funktiona. Radiaalinen etäisyys on näytteenottopaikan etäisyys kraatterin keskipisteestä. a) Laskettu shokkipaine pienenee horisontaalisen etäisyyden funktiona Charlevoix kraatterin tapauksessa (muokattu Grieve at al., 1990 perusteella), b) rakoilutiheys pienenee horisontaalisen etäisyyden funktiona Elgygytgyn kraatterin tapauksessa (muokattu Gurov & Gurova, 1983 perusteella), c) sähkönjohtavuus pienenee horisontaalisen etäisyyden funktiona Siljan kraatterin tapauksessa (muokattu Henkel, 1992 perusteella) ja d) tiheys vertikaalin etäisyyden funktiona kraatterin keskipisteestä Kärdla kraatterin tapauksessa (muokattu Plado et al, 1996 mukaan). 215

4 Tämän hetkisen tietokannan mukaan kiteiseen kiveen syntyneet impaktiitit noudattavat trendiä siten, että sueviittien huokoisuus on suurin, breksioiden toiseksi suurin ja törmäyssulan huomattavasti pienempi kuin edellisten (Kuva 3). Impaktiittien huokoisuus on kuitenkin suurempi kuin terveen kohdekiven. Taulukossa 1 esitetään havaittu huokoisuuksien ja tiheyksien trendi. Vaikkakin tulokset ovat suuntaa antavia, niihin tulee suhtautua varauksella, mm. koska niitä laskettaessa käytettiin 1) tiheysarvoja, joista ei ollut ilmoitettu ovatko ne märkä vai kuivatiheyksiä; 2) huokoisuusarvoja, joista ei käynyt ilmi ovatko ne turpoamiskorjattuja arvoja; 3) näytteenottopaikkojen etäisyydet keskiarvoistettiin ja 4) kiteisten ja sedimenttisten kohdekivien arvot on yhdistetty. Käytettävissä oli dataa yhdestä sedimenttiin syntyneestä kraatterista (Kara, Kuva 3a), jonka huokoisuus noudatti samaa trendiä kuin kiteiseen kohdekiveen syntyneiden kraattereiden huokoisuudet, joka salli yhdistämisen. On kuitenkin huomautettava, että mitattujen näytteiden lukumäärä on hyvin pieni. Taulukko 1. Havaittu trendi impaktikraattereiden kivien huokoisuudessa. Käytetyt kraatterit: Bosumtwi, Ilyinets, Jänisjärvi, Kara, Karikkoselkä, Kärdlä, Lappajärvi, Popigai, Suvasvesi N ja Sääksjärvi. Kaikista kraattereista ei ollut käytössä kaikkia eri kivityyppejä. Impaktiitit Kohdekivet sula sueviitti breksia rakoillut ehjä Keskiarvo (N = 10) Tiheys Huokoisuus 6,9 15,8 9,6 5,4 2,1 Trendi Tiheys kasvaa ja huokoisuus pienenee Kuva 3. Impaktirakenteiden, Kara (a) ja Jänisjärvi (b), kivien huokoisuudet pienenevät siirryttäessä kauemmaksi kraatterin keskipisteestä. Kuvista huomataan myös, että törmäyssulan huokoisuus on selkeästi pienempi kuin sueviittien. Radiaalinen etäisyys tarkoittaa etäisyyttä kraatterin keskipisteestä normeerattuna kraatterin säteellä. Tiheydet ovat märkätiheyksiä ja huokoisuudet ovat turpoamiskorjattuja. a) Sedimenttiseen kohdealustaan syntyneen Karan (ikä n. 70,3 Ma) huokoisuus näyttäisi noudattavan samaa trendiä kuin kiteiseen kohdekiveen syntyneiden kraattereiden huokoisuudet. b) Huomaa Jänisjärven (ikä n. 700 Ma (?) Salminen et al., 2005) kuvaajassa huokoisuusakseli on logaritminen. 4. LOPUKSI Tietokannan kokoaminen on vasta alussa, mutta tässä vaiheessa sen perusteella voidaan todeta, että huokoisuus pienenee siirryttäessä kauemmaksi törmäysrakenteen keskikohdasta. Näin ollen huokoisuus näyttäisi tarjoavan työkalun tutkia törmäysrakenteiden 216

5 syntymekanismia ja ennen kaikkea shokkiaallon vaimenemista. Jotta kiteiseen ja sedimenttiseen kohdekiveen syntyneen rakenteen huokoisuuseroja kyettäisiin tutkimaan, on tärkeää päivittää tietokantaa sedimenttisten rakenteiden osalta. Varsinkin, kun tarkastellaan törmäysshokin mahdollista vaikutusta huokostilavuuden pienentäjänä. Huokoisuuden tutkiminen on tärkeää myös planeettojen biologisen evoluution kannalta. Törmäysrakenteiden huokoiset kivilajit voivat tarjota elinmahdollisuudet eräille bakteereille, joiden tutkiminen tarjoaa tietoa varhaisesta Maasta. Maan törmäysrakenteiden biologia ja etenkin olosuhteiden samankaltaisuus Marsin kraattereiden kanssa voi tarjota eväät tutkia muiden planeettojen mahdollista elämää (Cockell & Lee, 2002). Törmäysprosessin synnyttämällä huokoisuuden kasvulla on usein myös huomattava taloudellinen ja käytännöllinen merkitys. Pohjois Amerikassa noin kymmenen törmäysrakennetta on valjastettu öljyn ja/tai maakaasun tuotantoon, ja lisäksi lukuisissa todennäköisissä, mutta toistaiseksi todistamattomissa törmäysrakenteissa on öljyn tai kaasun tuotantoa. Myös Chicxulubin jättiläismäinen kraatteri on todennäköisesti taustalla lukuisissa Meksikonlahden öljyesiintymissä. Läheisempi esimerkki törmäyskivien kasvaneen huokoisuuden merkityksestä löytyy Suomesta, sillä Lappajärvellä breksioituneeseen kallioperään liittyy pohjavesiesiintymä. (Reimold et al., 2005; Pesonen et al., 1999b) LÄHTEET Cockell, C. S. and P. Lee, The biology of impact craters a review. Biol. Rev., 77, Dence, M. R., Structural evidence from shock metamorphism in simple and complex impact craters: Linking observations to theory. Meteorit. Planet. Sci., 39, French, B. M., Traces of catastrophe: A handbook of shock metamorphic effects in terrestrial meteorite impact structures. LPI Contribution No. 954, Lunar and Planetary Institute, Houston, 120 pp. Grieve, R.A.F., V. L. Sharpton, and D. Stöffler, Shocked minerals and the K/T controversy. EOS Transaction, AGU, 71, Gurov, Ye P; Ye. P. Gurova, Zakonomernosti rasprostraneniya razlomov vokrug meteoritnykh kraterov (na primere kratera El'gygytgyn). Laws of distribution of faults around a meteor crater; example of Elgygytgyn Crater. Doklady Akademii Nauk SSSR, 269, Henkel, H., Geophysical aspects of meteorite impact craters in eroded shield environment, with special emphasis on electric resistivity. Tectonophysics, 216, Kenkmann, T., Dike formation, cataclastic flow, and rock fluidization during impact cratering: an example from the Upheaval Dome structure, Utah. Earth Planet. Sci. Lett., 214, Kieffer, S. W., Shock metamorphism of the Coconino sandstone at Meteor Crater, Arizona. J. Geophys. Res., 76,

6 Kieffer, S. W.; P. P. Phakey and J. M. Christie, Shock processes in porous quartzite: transmission electron microscope observations and theory. Contrib. Mineral. Petrol., 59, Kieffer, S. W. and C. Simonds, The role of volatiles and lithology in the impact process, Rev. Geophys. Space Phys., 18, Melosh, H. J., Impact Cratering, a Geologic Process, Oxford Monographs on Geology and Geophysics, No.11, Oxford University Press, New York, 245 pp. Pesonen, L.J., Terrestrial impact craters geophysical characteristics. In: Abstracts, Impact Cratering and evolution of Planet Earth, 1st ESF Workshop, Nördlingen, Germany, Pesonen, L. J., S. Elo, M. Lehtinen, T. Jokinen, R. Puranen, and L. Kivekäs, 1999a. Lake Karikkoselkä impact structure, central Finland: New geophysical and petrographic results. In: Dressler, B. O. & Sharpton, V. L. (eds.). Large meteorite impacts and planetary evolution II: Geol. Soc. Am. Spec. Pap., Boulder, Colorado, 339, Pesonen, L. J., M. Lahti and K. A. Kinnunen, 1999b. Meteorite impact structures Their economic importance and the role of geophysics. EAGE 61 st Conference and Technical Exhibition, Helsinki, Finland, 7 11 June 1999, abstract Pilkington, M. and R. A. F. Grieve, The geophysical signature of terrestrial impact craters. Rev. Geophys, 30, Plado, J., L. J. Pesonen, S. Elo, V. Puura, and K. Suuroja, Geophysical research on the Kärdla impact structure, Hiiumaa Island, Estonia. Meteorit. Planet. Sci., 31, Reimold, W. U., C. Koeberl, R. L. Gibson, and B. O. Dressler, Economic mineral deposits in impact structures: A review. In: Koeberl, C. & Henkel, H. (eds.): Impact tectonics. Springer, Berlin Heidelberg, p Salminen, J., Jänisjärven törmäysrakenteen petrofysikka ja paleomagnetismi. Pro gradu työ, Helsingin yliopisto, FTL, Geofysiikan osasto, 155 p. Salminen, J., F. Donadini ja L. J. Pesonen, Jänisjärven törmäysrakenteen paleomagnetismi ja petrofysiikka Baltica osa supermanner Rodiniaa? XXII Geofysiikan päivät, Helsinki, (tämä julkaisu) Tsikalas, F., S T. Gudlaugsson, J. I. Faleide, and O. Eldholm, 2002, Porosity anomaly at the Mjølnir marine impact crater, Barents Sea. Deep Sea Res. Part II (Topical Studies in Oceanography), 49, p Törnberg, R. and E. F. F. Sturkell, Density and magnetic susceptibility of the rocks of the marine Lockne and Tvären impact structures. Meteorit. Planet. Sci.(submitted). 218