冲击变质岩
冲击变质作用(近年来翻译为“撞击变质作用”和“陨石变质作用”)是20世纪60年代以来认识的新领域。分布在陨星坑附近，在陨石撞击地表的强烈冲击波下变质。高压(高达数百千兆帕)和高温(高达> 1500℃)的瞬时(1μ s ~ 1s)条件是控制因素。变形和伴随的部分熔融是主要的变质机制。从变质因素来看，冲击变质是一种极端条件下的变质作用，其温度和压力范围及其与正常变质作用的比较如图24-9所示。从图中可以看出，冲击变质的温度随压力升高，岩石在高温的影响下熔化甚至气化。典型的冲击变质岩是硫铝榴石，它是一种似熔岩的角砾岩。瞬时高压导致应时出现形变线和形变带，甚至出现超高压应时变体史克营和施思营。瞬间高温使长石和应时熔融形成玻璃，黑云母变暗。变质岩因其变质因素，类似于动力变质作用，有时也归为动力变质作用(如Raymond，1995)。但不是地球内力的结果，更多的是在月球、火星及其卫星等地外恒星表面发育。比如在月球表面，直径大于1km的陨石坑有33000多个，占月球表面积的7% ~ 10%，更小的陨石坑不计其数。因此，更一般地说，撞击变质作用是小行星或彗星撞击行星并在其表面产生的变质作用，可称为地外变质作用(Mason & Sang，2007)。本节只讨论发生在地球上的撞击变质作用。
图24-9陨石撞击变质作用范围和各种陨石撞击效应的P-T范围(根据French，2003，引自游振东和刘荣，2008)
(2)地球上环形山的分布
地球上的环形山是小行星或彗星撞击地球，在其表面形成的一种特殊的环状地质结构。与月球、火星等行星不同，地球表面有一层厚度约为1000km的大气层，使得坠落的小天体在进入大气层后由于强烈的摩擦而烧毁。这就是通常所说的流星，只有个体大的才能把地球表面撞成坑。此外，在漫长的地质演化历史中，地球表面受到了表生和板块运动的影响，因此地质历史较老的陨石坑往往会受到风化侵蚀和构造作用的破坏。陨石撞击后期很多陨石坑都埋在沉积层下面，很难被发现。根据Earth ImpactDatabase的数据，目前为止(至2015，2010年7月)在地球上发现的陨石撞击坑数量为176个，其中非洲17个，亚洲和俄罗斯29个(图24-10)。在这些环形山中，最古老的是俄罗斯的苏阿夫贾尔维环形山(约2400Ma)，最年轻的是俄罗斯的西霍特阿林环形山，只有63岁。最大的陨石坑是南非的Vredefort陨石坑，直径300km，最小的陨石坑是美国堪萨斯州的Haviland陨石坑，直径只有0.015km。这些陨石坑分布在世界上32个国家。虽然我国学者自20世纪80年代以来对我国的环形山进行了一系列调查研究，发现了海南白沙、江苏太湖、河北涿鹿矾山盆地、香港九龙、内蒙古多伦、辽宁岫岩罗泉等一批疑似环形山的环形地质构造，但遗憾的是，没有一个能入选国际环形山数据库。长期以来，中国陨石坑研究没有取得突破的主要原因是没有获得确认陨石撞击成因的关键证据(陈明，2007)。2009年，经过科学钻探，在辽宁岫岩陨石撞击坑湖泊沉积下发现了不同程度的撞击变质岩混合沉积，厚度为107m，包括多相角砾岩与熔体、撞击熔融玻璃和应时撞击面理pdf(陈明等，2009)。令人欣慰的是，陈明等人(2010)的岫岩陨石坑研究成果近日发表在美国《EPSL》杂志上，岫岩陨石坑成为中国首个国际公认的陨石坑，这是中国撞击变质研究领域的突破。但是，在冲击变质作用的研究方面，我们还有很长的路要走。经验证明，许多大规模陨石撞击构造的确定，都经历了几十年的反复探索。比如南非的Vredefort(陨石坑)，1937有人提出是陨石撞击的原因，直到1962才得到证实。鉴于我国陨石撞击构造研究的现状，从已知资料出发，加强已发现线索地区的综合研究，加大岩石学、构造学、遥感地质学和地球物理学的研究力度，必将在短时间内带来更多的发现(游振东、刘荣，2008)。
图24-10亚洲和俄罗斯撞击构造分布图(根据地球撞击数据库，亚洲和俄罗斯，7月10)
(3)陨石撞击构造的识别标志
因为陨石坑形成后往往会受到后期的侵蚀和结构破坏。要在现今地表找到陨石撞击构造，需要多学科的探索。需要结合岩石学、遥感地质和地球物理方法进行有效寻找。从地质学上来说，主要有以下几种识别标志。
1.火山口的形态和结构
从航空照片上可以看到年轻陨石坑的形状。其主要特征是环形隆起的陨石坑周围的抛射体序列与陨石撞击陨石坑的原始地层序列相反；有时还伴有巨型碎片轰击造成的次生凹坑。根据环形山的形态和结构，环形山大致可分为简单型和复杂型(图24-11)。
◎简单火山口:深径比1/5 ~ 1/7，呈浅碗状，有喷出物形成的火山口边缘。喷出物的沉积范围是撞击坑直径的两倍，喷出物的粒径随着离撞击坑边缘的距离增大而减小。一个典型的例子是美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑(图24-12)，撞击年龄为49000年，直径为1.12公里，深度为100米..中国的岫岩陨石坑是一个简单的碗状陨石坑，直径约为1800m，坑底至坑唇顶点的最大高差约为200m(陈明等，2009)。
◎复杂环形山:复杂环形山的直径因目标区域的地质条件而异。如果目标区域是沉积地层，则坑直径> 2km；如果目标区域是结晶岩发育区，则坑直径> 4 km。深径比很小，大约1/20 ~ 1/10。复杂环形山的构造:环形山底部常有中央隆起，环形山周围有塌陷和断裂。中央隆起有两个原因:一是坑底目标区岩石因减压而反弹；二是冲击坑开挖后材料坍塌造成的。复杂的陨石撞击坑常诱发岩浆活动，脱落的角砾岩层常被熔岩覆盖。典型例子:加拿大萨德伯里巨型陨石撞击坑(图24-13)。其直径为140km，面积为15000km2，包括整个萨德伯里火成杂岩(SIC)和由底板岩石断裂形成的底角砾岩。索德伯格陨石的撞击构造位于元古宙休伦超群和太古宙基底的界面上。北部和东部为太古宙基底岩石，SIC南部为元古代表壳岩。陨石角砾岩、泥岩、复合砂岩(白水组)都覆盖在SIC上。在整个SIC周围17 km范围内，可以找到陨石撞击的结构符号撞击锥。SIC周围有陨石撞击角砾岩、假玄武玻璃等撞击变质岩，明显属于陨石撞击构造的外环。在许多地方，陨击角砾岩也成为铜镍PGE(铂族元素)矿床的围岩。
图24-11简单陨石坑(a)和复杂陨石坑(b)(根据汉密尔顿2006 54 38+0；由甄东和刘荣引用，2008年)
岩石学(第二版)
2.陨石碎片
陨石碎片经常可以在年轻的陨石坑中找到。在矿坑内和沿矿坑采集沉积物样品，仔细淘洗和分析其中的重组分，可能会发现更准确的标准，如铁镍球粒陨石。
3.冲击锥
冲击锥也被称为破碎锥。陨石撞击的岩石断口上有明显的条纹状锥形结构。条纹的长度从不到1cm到几米不等，条纹呈马尾辫状从锥顶向侧翼扩散(图24-14)。冲击锥的出现表明冲击波的压力可达2 ~ 25 GPA。遭受核爆炸的岩石也有冲击波造成的冲击锥。通过系统地测量和计算激波锥顶部的方向，可以确定激波发射的中心。
4.平面变形特征(pdf)
冲击面变形构造，也译作冲击面叶理。其特征是在应时、长石等矿物颗粒中出现许多小片状(图24-15A)，矿物的折射率和双折射普遍降低，有的甚至已转变为无定形体；在强冲击的情况下，长程有序晶体结构被破坏，出现晶格非平行畴或镶嵌结构，在起偏器下也表现为波消光，但与一般的结构应力不同，其谱线在X射线衍射片中变宽，出现星芒现象(游振东、刘荣，2008)。
应时发育的pdf和撞击坑的造岩矿物长石是判断陨石撞击坑的象征性标准。FDFs是一种由冲击作用产生的特殊矿物结构，是应时、长石等岛状和陆架状硅酸盐矿物中的一种动态高压变形微结构。矿物fdf通常沿特定晶向产生(如应时的{101N}，n = 1 ~ 4)，片状薄片在矿物中均匀分布平行排列，单个薄片厚度< 1 μ m，应时的fdf可由以下显微结构组成:高密度位错带、不规则的应时颗粒薄层、非晶玻璃薄层等。除了人工核爆炸和自然界的大规模撞击，其他任何地质作用，包括火山喷发、构造运动和地球深部的高温高压，都不可能在矿物中产生这种特殊的平面变形结构，所以pdf是判断陨石坑的决定性标准。在中国辽宁岫岩环形构造中发现的应时fdf特征非常典型(图24-15B)，与世界上其他已知陨石撞击坑中揭示的应时fdf特征相同，从而为确定该陨石坑中陨石撞击的原因提供了确切的证据(陈明，2007)。需要指出的是，pdf很容易与变质岩中的“变形线”或“微叶理”相混淆。这种变形特征称为平面断裂(PFs)，与pdf有明显的区别。PFs之间的宽度一般大于5 ~ 10μ m，分布不均匀，平行于特定晶面，如{0001}或1011}。PFs通常是长期缓慢高压变质的结果，形成压力远低于pdf。pdf是瞬间高压冲击的产物。所以PFs不能作为判断撞击坑的确凿依据。
图24-13加拿大的萨德伯里陨石坑(根据Reimold，2005)
图24-14加拿大霍顿冲击构造细灰岩中的地震破裂锥
5.矿物相的转变
在冲击变质的极端条件下，可出现一系列超高温超高压矿物(见图24-16)。
◎柯石英:柯石英普遍存在于超高压变质岩中，但它是由赵敬德(Chao，1967)在美国亚利桑那州一个火山口从重砂样品中淘析而在自然界中首次发现的。最近，在德国里斯陨石坑强烈撞击的应时撞击玻璃中也发现了柯石英。在冲击变质岩中，柯石英常以颗粒的形式出现在其他二氧化硅相中，由于冲击变质后的余热仍高达几百摄氏度，所以原本在高压下形成的柯石英很容易退化为鳞石英和方石英。
图24-15冲击岩中应时的pdf
◎应时:其形成压力高于柯石英，约P > 10 GPA，多为撞击变质岩中的细颗粒和柯石英。应时密度高(4.35)，折射率高。特征X射线衍射峰D = 2.96，1.53，这是一种比较简单的检测方法。应时也容易变质，难以保存，所以很难找到。
◎lecatelierite:这是一种硅酸盐玻璃，其形成温度极高(高达1710℃)，高于普通火山喷出的熔体。它以北非的利比亚沙漠玻璃(LDG)而闻名。这种玻璃结构类似纹影，其中的尸佼英和斜锆石是大气变质熔融矿物的残余。利比亚沙漠玻璃的起源一直存在争议。最近，通过卫星照片在利比亚和埃及边境附近发现了两个陨石坑(BP和Oasis)，支持了撞击的原因。
◎斜锆石:单斜晶系ZrO2 _ 2是锆石(ZrSO4 _ 4)热分解的产物；
岩石学(第二版)
在冲击变质过程中，锆石被错误地解释为斜锆石和无定形二氧化硅的集合体。为了保持锆石原有的晶体形态，需要切割一系列含有锆石的冲击变质岩样品的抛光片，利用斜锆石的强反射性进行鉴别。
此外，在冲击玻璃或岩石中还可见铁镍球粒、滴状钛铁矿、金红石和假板钛矿，表明它们的形成温度应在1500℃以上。
◎矿物熔融:应时和长石选择性或完全转化为固态硅酸盐玻璃或斜长石玻璃，也称熔融玻璃或熔融长石。然而，与之相关的黑暗矿物仍然是水晶的。相邻矿物之间没有反应。在极高压力下形成的柯石英和应时都以细小包裹体的形式出现在玻璃基质中。
6.冲击玻璃
冲击玻璃是一种高密度玻璃，成分与原岩相同。原岩中的磁铁矿等氧化物矿物完全熔融。这种高密度玻璃是岩石遭受过陨石撞击变质作用的有力证据(游振东、刘荣，2008)。
这里必须强调的是，仅从地貌特征来区分陨石坑是远远不够的，而且往往会导致误判，这也是国内很多关于疑似陨石坑的报道没有得到证实的主要原因。这是一个误解。许多学者经常从宏观地形上研究环形山，因为这是最直观、最容易观察的。事实上，判断陨石坑的关键证据主要来自微观岩石矿物学特征，如pdf、高压矿物相、冲击玻璃等。它们是决定性的标准，因为冲击波在短暂的冲击过程中留下的痕迹可以很好地保存下来，不容易被后来的地质作用所改造；宏观地貌特征是次要的，起辅助证明作用。地球上有很多地质作用可以产生环状地貌，环状地貌的特征不能作为判断环形山的决定性标准。最典型的例子是非洲毛里塔尼亚撒哈拉沙漠的Richat构造(图24-16a)，它与另外两个环形山(图24-16b)排成一行。虽然其形状与火山口十分相似，但经调查研究证实，Richat构造并非撞击构造，而是地表风化剥蚀地层隆起而形成的特殊地貌形态。对于那些埋藏在地表以下很深的陨石坑，通过地球物理(地震、重力)数据确定是完整的，需要通过深钻孔取样进一步验证。
图24-16 richat结构(根据Mattonet等人，2005年)
(4)冲击变质岩的岩石类型
冲击变质岩包括石质角砾岩、陨石撞击角砾岩和假玄武玻璃。
◎岩屑角砾岩:主要指在冲击坑内及其底面以下，受冲击波影响而发生不同程度破碎的角砾岩。角砾岩的成分多为准原地靶岩，基质成分为靶岩碎屑。它是变质程度最低的冲击变质岩之一，以其产状区别于其他成因角砾岩。
◎燧石:由冲击玻璃胶结的角砾岩。出现范围很广的弹丸，从填坑到坑边。角砾岩的成分可以是准原位的，也可以是异地填坑的。基质中除碎屑外还含有撞击玻璃，可细分为:含熔角砾岩、陨石撞击角砾岩、撞击熔融角砾岩等。(图24-17)。
◎伪玄武玻璃:一般构造变形岩石中也能产生伪玄武玻璃。伪玄武玻璃作为一种冲击熔体，往往含有冲击变形矿物的残余，产状规模差异很大，可以是毫米级、厘米级细脉或不规则充填基质。从德国Ries陨石坑的冲击花岗岩薄片(图24-18A)可以看出，在伪玄武玻璃基质中有长石残留。偶尔有几十米厚的假玄武岩玻璃，其成因有待商榷。它们通常用纹理或不规则填充物填充在破碎岩石裂缝之间(图24-18B)。
图24-17德国Ries火山口的冲击角砾岩(R.Mason提供，2008年被游振东和刘荣引用)
图24-18冲击造成的假玄武岩玻璃
(五)影响结构的研究意义
如果一颗直径为1km的铁陨石(假设其密度为8.0g/cm3)以25km/s的速度撞击地表，其动能为e = 1/2mv 2 = 1.31×1021J。这个动能相当于3.12×1011t TNT炸药的爆炸能量。2004年印尼8.9级地震的能量只有184×1016J。因此，巨型陨石撞击地球是一个重大的灾难性事件，必然会影响地球内外的地质作用、环境变化和生物进化。比如墨西哥的希克苏鲁伯碰撞事件是中生代末期恐龙和许多物种灭绝的“罪魁祸首”(Sharpton et al .，1992)；加拿大上述萨德伯里诱发的岩浆活动形成了著名的萨德伯里岩浆杂岩SIC(见图24-13)等。，使撞击构造和地球演化的研究成为21世纪地球科学的新起点，涉及一系列关于地球起源和演化的新的基础问题。比如撞击期、地球内部撞击作用与动力作用的关系、地质历史中地磁与地轴的变化、岩浆的起源、大陆地壳的形成、地质历史中巨大撞击事件的证据与影响、太阳系不同行星上的撞击投射模式以及地球膨胀理论的新全球构造观(秦公炯等，2001)。
特别值得关注的是撞击构造的经济价值，地球上已经发现的陨石撞击构造几乎都具有一定的经济价值(Reimold，2007)。南非的Vredefort Witwatersrand和加拿大安大略省的Shodeberry都是著名的金属矿床区，开发历史超过100年。Vredefort以铜铀矿闻名，而Sudbury一直将其视为岩浆铜镍矿。仅在1961年，Dietz RS在他的论文《Vre de Fortring构造:陨石撞击伤痕？正式提出伏尔德福特穹窿属于陨石撞击构造。次年，他指出萨德伯里也是一个陨石撞击坑。他的观点被后来的发现所证实。近年来发现许多陨石撞击构造都与油气藏有关。例如，加拿大阿尔伯塔省的Steen River (91 7 Ma)就是一个潜在的巨大油气储层。美国俄克拉荷马州的埃姆斯，美国德克萨斯州的马德拉山脉(< 100 Ma)等。都试图生产石油。据估计，北美陨石撞击构造的碳氢化合物资源可提供50亿美元至6543.8美元+06亿美元的年产值。其他陨石撞击构造为非金属矿产资源所在地，如俄罗斯西伯利亚阿纳巴尔地盾的波皮盖撞击构造的陨石撞击钻石(Vishnevsky，1997)；德国南部诺德林根利斯陨石撞击坑具有更大的经济价值。它不仅发现了陨石，而且它的陨石撞击角砾岩是一种很好的建筑材料。此外，里斯陨石的撞击坑现在已经成为一个旅游景点。
Avak冲击结构
根据Reimold等人(2005)，Avaka构造(图24-19)位于阿拉斯加的北极海岸平原，这被Kirchner等人(1992)认为是撞击的原因，他还描述了撞击锥和应时平面变形构造。根据地层层序资料，该构造的年龄为100±5Ma，其直径约为12km。它是一个具有环形沟槽和中央隆起的复杂冲击构造。中央隆起是Avak井所钻，所遇地层从下白垩统到奥陶系。这口井也显示有石油，但没有商业价值。然而，在撞击构造附近，有三个主要的天然气田，即Sikulik、East Barrow和South Barrow，它们都出现并穿过环形构造，被认为与撞击事件有关。根据grive & masa itis(1994)的说法，火山口边缘的铲状断层切断了早白垩世巴罗砂岩，并将其与早白垩世托罗克页岩并列，从而形成了有效的气封。南巴罗和东巴罗气田已经开发。Lantz(1981)初步估算该构造天然气可采储量为370×108ft3。
图24-19阿拉斯加Avaka油气田叠加的冲击构造带构造图