1.14: Estructuras de Impacto Extraterrestre

. Esta versión ha sido ligeramente recortada.

Ocurrencia de impactos

Los objetos extraterrestres impactan esporádicamente a la Tierra. Existe una relación inversa entre el tamaño del objeto y el intervalo de recurrencia, aunque los números exactos varían dependiendo de si se consideran objetos que ingresan a la atmósfera o solo aquellos que llegan a la superficie.

Intervalos de recurrencia para impactos extraterrestres de varios tamaños:

• 10 m de diámetro: aprox. 1 año
• 50 m de diámetro: aprox. 1000 años
• 1 km de diámetro: aprox. 500,000 año
• 5 km de diámetro: aprox. cada 10 M año
• 10 km de diámetro: el evento de 65 Ma fue probablemente el más reciente

Se estima que el objeto que explotó en la atmósfera sobre Rusia en febrero de 2013 tenía ~17 m de diámetro.

Los objetos que se acercan a la Tierra pueden variar en velocidad entre aproximadamente 11 km ^s-1 y 72 km ^s-1, aunque los objetos más pequeños se ralentizan por el arrastre de la atmósfera.

Los impactos de meteoritos producen algunas de las tasas de deformación más altas en la Tierra. Los valores típicos de la velocidad de deformación en los primeros microsegundos de un impacto pueden ser del orden de 10 ⁸ s ^‑1. (Contraste las tasas de deformación durante un sismo, típicamente 0.1 a 10 s ^-1. En comparación, las tasas de deformación promediadas en el tiempo en orógenos debido al movimiento de la placa suelen ser de 10 ^‑15 a 10 ^‑12 por segundo).

Uno de los resultados más obvios de un impacto es una depresión más o menos circular llamada cráter. Se han descrito cráteres mayores de muchas partes de la Tierra. Los tres ejemplos confirmados más grandes son:

1. Cráter Vredefort en Sudáfrica, diámetro ~300 km, formado en 2020 Ma, y ahora profundamente erosionado;
2. Cuenca Sudbury, de 250 km de diámetro, formada a 1849 Ma y posteriormente deformada;
3. Cráter Chixulub, 180 km de diámetro, 65 Ma.

Cráteres de impacto

Los impactos más grandes forman cráteres, los cuales tienen dos tipos de geometría (Fig. 1).

Figura 1. Cráteres simples y complejos.

Cráteres simples

Los cráteres simples miden hasta unos 4.5 km de diámetro. Suelen tener formas simples de cuenco con un borde elevado. (En la luna, donde la gravedad es menor, los cráteres simples tienen hasta 15 km de diámetro).

Cráteres complejos

Los cráteres más grandes muestran geometría compleja. La característica más distintiva de los cráteres complejos es una elevación central. El interior del borde de un cráter complejo generalmente muestra una serie de terrazas internas, y el exterior del borde también puede tener crestas y valles concéntricos. Entre la elevación central y las terrazas, el piso de un cráter complejo suele ser algo plano. Estas diferencias pueden explicarse considerando los procesos de formación de cráteres, y particularmente la “etapa de modificación” (ver abajo).

Procesos de impacto

Contacto y compresión

Figura 2. Tres etapas de desarrollo del cráter.

La primera etapa en el desarrollo de un cráter de impacto es la etapa de contacto y compresión, comenzando cuando el objeto toca por primera vez la superficie. En esta etapa, el objeto impactante y la roca subyacente están sujetos a tasas de deformación extremadamente altas de 10 ⁸ por segundo o superiores. Estas tasas de deformación pueden producir enormes tensiones por encima de 1 tPa (10 ¹² Pa), y temperaturas muy altas, suficientes para fundir o incluso vaporizar grandes partes del cuerpo impactante y las rocas frente a él. La roca que permanece sólida se comprime en una onda de choque que inicialmente se propaga a una velocidad comparable a la del cuerpo entrante, típicamente mucho más rápido que las ondas sísmicas normales.

A medida que pasa la onda de choque, la roca está altamente comprimida, lo que deprime la superficie de la Tierra, iniciando el proceso de formación de cráteres. Detrás de la onda de choque compresional, hay una onda de expansión, donde la liberación de energía elástica produce temperaturas muy altas, que funden o vaporizan el material rocoso en expansión.

El contacto y la compresión solo duran unas décimas de segundo incluso para un impacto muy grande.

Finalmente, la velocidad de la onda de choque que avanza se ralentiza a velocidades sísmicas (3-7 km ^s-1) y continúa propagándose a través de la Tierra como una onda sísmica, durante la siguiente etapa.

Etapa de excavación

Inicialmente, la onda de compresión mueve la roca hacia abajo y hacia afuera, pero a medida que la ola se expande, el material se empuja hacia arriba en los bordes del cráter en expansión, creando un borde elevado. Además, a medida que pasa la onda de descompresión, el material que antes estaba comprimido hacia abajo se expande hacia arriba, y su impulso hace que sea arrojado a la atmósfera. Estos procesos dan como resultado la excavación de material (eyecta), en el aire y en la superficie circundante. La depresión resultante se conoce como el cráter transitorio.

El tamaño máximo del cráter transitorio marca el final de la fase de excavación. La etapa de excavación dura varios minutos en un gran cráter.

Etapa de modificación

Al final de la excavación le sigue la modificación del cráter. Para cráteres pequeños el proceso de modificación es relativamente sencillo. El suelo del cráter transitorio profundo rebota a medida que la roca se descomprime, para producir una depresión menos profunda en forma de cuenco.

En impactos mayores, el proceso es más complejo. El rebote del material que ha sido comprimido verticalmente hacia abajo es más completo y produce una elevación central. Rodeando se encuentra una región donde el rebote lleva el material hacia arriba y hacia afuera, contribuyendo al borde. Además, los bordes de estos cráteres más grandes tienden a ser inestables, y durante la etapa de modificación, se forman grandes fallas normales, permitiendo que las piezas de la llanta se desplomen como terrazas.

Las eyecciones tienden a caer de nuevo en el cráter, y el material puede permanecer fundido durante el tiempo suficiente para estancarse en el piso del cráter. Los cráteres complejos grandes tienden a tener pisos planos entre la elevación central y el borde aterrazado.

Productos rocosos de impacto

Hay una serie de productos de impactos que se pueden reconocer en el registro antiguo.

Romper conos

Los conos de ruptura son superficies de juntas cónicas que generalmente están decoradas con marcas plumosas. Los polos a las superficies de los conos suelen caer en pequeños círculos cuando se trazan en una proyección estereográfica. Los ejes de los conos apuntan hacia el punto de impacto y pueden ayudar a ubicar este punto si se miden cuidadosamente sus orientaciones.

Figura 3. Romper conos, Charlevoix, Quebec.

Figura 4. Romper conos, Sudbury, Ontario.

Brecha de impacto y suevitar

Figura 5. Alféizar de brecha de impacto, Charlevoix, Quebec.

En áreas de mayor compresión, y por lo tanto mayor expansión posterior, se produce brechas de impacto. Las brechas de impacto pueden tener espacios abiertos entre los fragmentos (que pueden ser llenados por minerales de vena posteriores si fluyen fluidos hidrotermales), o los espacios pueden llenarse por fusión o por una matriz de pequeños fragmentos. Una roca de grano fino con una textura de brechas, que consiste en una mezcla de fragmentos de roca, vidrio y fusión, se conoce como suevitan.

Fusión por impacto: pseudotaquilita

Figura 6. Fusión por impacto (arriba) que invade roca granitoide (abajo), Sudbury, Ontario.

La fusión sustancial puede ocurrir detrás de la onda de choque inicial, produciendo pseudotaquilita, similar a las pseudotaquilitas producidas por fusión friccional a lo largo de ciertas fallas. Sin embargo, se pueden encontrar volúmenes mucho mayores de pseudotaquilita en estructuras de impacto que los que son comunes a lo largo de las fallas.

Las pseudotaquilitas tienen una gama mucho más amplia de composiciones que las de las rocas ígneas normales, debido a que son producidas por la fusión más o menos completa de sus rocas progenitoras, en lugar de la fusión progresiva y parcial en la mayoría de los procesos ígneos.

En la estructura de Sudbury, una gruesa capa de fusión por impacto se sometió a cristalización fraccionada para producir un grueso cuerpo mineral de sulfuro masivo.

Nuevos minerales

Las presiones muy altas que se encuentran en la etapa de contacto y compresión pueden provocar la formación de nuevos minerales de alta presión. Los más notables son dos polimorfos de alta presión de sílice SiO ₂. La coesita es una forma monoclínica de sílice en la que los tetraedros de sílice están unidos de manera similar a los feldespatos. Requiere presiones superiores a 2 GPa para formarse. La stishovita es una fase muy densa en la que el silicio se encuentra en coordinación octaédrica, rodeado por seis átomos de oxígeno en una estructura tetragonal. Stishovita requiere presiones superiores a 8 GPa.

Vidrio diapléctico

Los granos minerales que están sujetos a una compresión extrema y rápida pueden perder su estructura mineral, ya que se rompen los enlaces entre los átomos. En la descompresión, dependiendo de la temperatura, los átomos pueden ser incapaces de difundirse de nuevo a una red cristalina, con el resultado de que aparecen isotrópicos en sección delgada, como el vidrio volcánico. Sin embargo, a diferencia de la verdadera pseudotaquilita, este material vítreo aún puede mostrar los contornos y composiciones de los cristales originales, demostrando que nunca se fundió realmente. Este material se conoce como vidrio diapléctico.