衝突クレーター

衝突クレーターは、固体天体の表面にある小さな物体の超高速衝突によって形成された窪みである。爆発や内部崩壊によって生じる火山クレーターとは対照的に、 ^[2]衝突クレーターは通常、周囲の地形よりも標高が低い隆起した縁と底を持つ。^[3]衝突クレーターは通常円形であるが、地滑りなどの事象により楕円形や不規則な形になることもある。衝突クレーターの大きさは、アポロ計画で持ち帰られた月の岩石に見られる微小なクレーター^[4]から、単純なボウル型の窪みや、広大で複雑な多重リング状の衝突盆地まで多岐にわたる。地球上の小さな衝突クレーターの例として、メテオクレーターがよく知られている。^[5]

衝突クレーターは、月、水星、カリスト、ガニメデ、およびほとんどの小型衛星や小惑星を含む太陽系の多くの固体天体の主要な地理的特徴です。地球、金星、エウロパ、イオ、タイタン、トリトンなど、より活発な地質学的プロセスを経験する他の惑星や衛星では、目に見える衝突クレーターはあまり一般的ではありません。これは、時間の経過とともに地殻変動や火山活動によって侵食されたり、埋没したり、変形したりするためです。このようなプロセスによって元のクレーターの地形のほとんどが破壊された場合は、衝突構造またはアストロブレムという用語がより一般的に使用されます。衝突クレーターの重要性が広く認識される前の初期の文献では、現在地球上で衝突に関連する特徴として認識されているものを説明するために、隠れた爆発または隠れた火山構造という用語がよく使用されていました。^[6]

水星、月、火星の南高地など、非常に古い表面のクレーター記録には、約39億年前に太陽系内部で激しい初期衝突があったことが記録されている。地球上のクレーター生成率はそれ以来かなり低下しているが、それでもかなりのものである。地球は平均して、100万年に1回から3回の衝突を経験し、直径20キロメートル（12マイル）のクレーターが形成される。^{[7] [8]}これは、地球上にはこれまでに発見されているよりもはるかに多くの比較的新しいクレーターがあるはずであることを示している。太陽系内部のクレーター生成率は、小惑星帯での衝突の結果として変動しており、衝突により一連の破片が作られ、それが太陽系内部に流れ込むことが多い。^[9] 8000万年前の衝突で形成されたバプティスティーナ族の小惑星が、衝突率の大幅な上昇を引き起こしたと考えられている。太陽系の外側における衝突クレーターの形成率は、太陽系の内側とは異なる可能性がある。^[10]

地球の活発な表面プロセスにより衝突記録はすぐに破壊されるが、約190の陸上衝突クレーターが確認されている。^[11]これらの直径は数十メートルから約300 km（190マイル）までの範囲であり、年齢は最近のもの（たとえば、 1947年に形成が目撃されたロシアのシホテ・アリン・クレーター）から20億年以上のものまでさまざまであるが、ほとんどのクレーターは5億年未満である。これは、地質学的プロセスにより古いクレーターが消滅する傾向があるためである。それらはまた、大陸の安定した内部領域で選択的に発見されている。^[12]海底クレーターはほとんど発見されていないが、これは海底の調査の難しさ、海底の変化の速さ、およびプレートテクトニクスのプロセスによる海底の地球内部への沈み込みのためである。

鉱山技師のダニエル・M・バリンジャーは、1903年にすでに、彼が所有するメテオクレーターが宇宙起源であると確信していました。当時のほとんどの地質学者は、それが火山の水蒸気噴火の結果として形成されたと考えていました。^{[13] : 41–42}

1920年代、アメリカの地質学者ウォルター・H・ブッチャーは、現在では衝突クレーターとして知られている米国内のいくつかの場所を調査した。彼は、それらは何らかの大規模な爆発によって形成されたと結論付けたが、この力はおそらく火山起源であると信じていた。しかし、1936年に地質学者ジョン・D・ブーンとクロード・C・アルブリトン・ジュニアはブッチャーの研究を再検討し、彼が研究したクレーターはおそらく衝突によって形成されたと結論付けた。^[14]

グローブ・カール・ギルバートは1893 年に、月のクレーターは大きな小惑星の衝突によって形成されたと示唆しました。ラルフ・ボールドウィンは1949 年に、月のクレーターは主に衝突が原因であると書いています。1960 年頃、ジーン・シューメーカーがこの考えを復活させました。デビッド・H・レヴィによると、シューメーカーは「月のクレーターは、何億年もかけて徐々に形成されたのではなく、数秒で爆発的に形成された論理的な衝突地点であると見ていました」。シューメーカーは、プリンストン大学で博士号を取得するため (1960 年)、ハリー・ハモンド・ヘスの指導の下、メテオ・クレーターの衝突ダイナミクスを研究しました。シューメーカーは、メテオ・クレーターがネバダ核実験場で行われた原爆実験でできた2つの爆発クレーター、特に1951年のジャングルUと1955年のティーポット・エスと同じ形と構造をしていると指摘した。 1960年、エドワード・C・T・チャオとシューメーカーはメテオ・クレーターでコーサイト（二酸化ケイ素の一種）を特定し、このクレーターが極めて高い温度と圧力を生み出す衝突によって形成されたことを証明した。彼らはこの発見に続いて、ネルトリンガー・リースのスエバイトの中にコーサイトがあることを特定し、このクレーターが衝突によって形成されたことを証明した。^[13]

衝撃変成作用に関する知識を武器に、カナダのブリティッシュコロンビア州ヴィクトリアにあるドミニオン天体物理観測所のカーライル・S・ビールズとその同僚、およびドイツのテュービンゲン大学のウルフ・フォン・エンゲルハートは、衝突クレーターの系統的な探索を開始した。1970年までに、彼らは暫定的に50個以上を特定した。彼らの研究は物議を醸したが、当時進行中だったアメリカのアポロ月面着陸は、月面の衝突クレーターの形成率を認識することで、彼らを裏付ける証拠となった。^[15]月面の浸食プロセスは最小限であるため、クレーターは存続する。地球のクレーター形成率は月とほぼ同じであると予想されるため、地球は目に見えるクレーターを数えることで確認できるよりもはるかに多くの衝突を受けてきたことが明らかになった。

衝突クレーターは、固体物体同士の高速衝突で、通常は物体の音速よりもはるかに速い。このような超高速衝突は、よく知られている亜音速衝突では発生しない、融解や蒸発などの物理的効果を生み出す。地球では、大気圏を通過する際の減速効果を無視すると、宇宙からの物体との衝突の最低速度は、重力脱出速度の約 11 km/s に等しい。最速の衝突は、逆行する放物線に近い軌道上の物体が地球に衝突する「最悪のケース」のシナリオで、約 72 km/s ^{[16]で発生する。地球上の}平均衝突速度は約 20 km/s である。^[17]

しかし、大気圏を通過する際の減速効果により、特に地球の大気質量の 90% が位置する最下層 12 キロメートルでは、衝突の可能性のある物体は急速に減速します。最大 7,000 kg の隕石は、ある高度 (減速点) で大気抵抗により宇宙速度をすべて失い、地球の重力により再び加速し始め、物体は終端速度である 0.09 ～ 0.16 km/s に達します。^[16]隕石 (つまり小惑星や彗星) が大きいほど、初期の宇宙速度をより多く維持します。9,000 kg の物体は元の速度の約 6% を維持しますが、900,000 kg の物体ではすでに約 70% を維持しています。非常に大きな物体 (約 100,000 トン) は大気圏によって減速されることはなく、事前に崩壊が発生しない限り、初期の宇宙速度で衝突します。^[16]

このような高速での衝突は固体材料に衝撃波を発生させ、衝突体と衝突された材料の両方が急速に高密度に圧縮される。最初の圧縮に続いて、高密度で過剰に圧縮された領域は急速に減圧され、激しく爆発し、衝突クレーターを形成する一連の出来事のきっかけとなる。したがって、衝突クレーターの形成は、機械的変位よりも高性能爆薬によるクレーター形成に類似している。実際、衝突クレーターの形成に関与する一部の物質のエネルギー密度は、高性能爆薬によって生成されるものよりも何倍も高い。クレーターは爆発によって形成されるため、ほぼ常に円形であり、非常に低角度の衝突のみが著しく楕円形のクレーターを形成する。^[18]

これは固体表面への衝突について説明しています。ハイペリオンのような多孔質表面への衝突は、噴出物を伴わずに内部圧縮を生じ、近くのクレーターを埋めずに表面に穴を開ける可能性があります。これは、その衛星の「スポンジのような」外観を説明するかもしれません。^[19]

衝突の過程を概念的に3つの段階、すなわち（1）最初の接触と圧縮、（2）掘削、（3）変形と崩壊に分けると便利です。実際には、これら3つの過程は重なり合っており、例えば、ある地域ではクレーターの掘削が継続している一方で、他の地域では変形と崩壊がすでに進行しています。

大気がない場合、衝突プロセスは衝突体が最初にターゲット表面に接触したときに始まります。この接触によりターゲットが加速され、衝突体が減速します。衝突体は非常に高速で移動しているため、減速が衝突体全体に伝播するのにかかる短いが有限の時間の間に、物体の後部はかなりの距離を移動します。その結果、衝突体は圧縮され、密度が上昇し、内部の圧力が劇的に増加します。大規模な衝突のピーク圧力は1 T Paを超え、惑星の内部深部でより一般的に見られる値、または核爆発で人工的に生成される値に達します。

物理的に言えば、衝撃波は接触点から発生する。この衝撃波が拡大するにつれて、衝突体は減速・圧縮され、標的は加速・圧縮される。衝撃波内の応力レベルは固体材料の強度をはるかに超えるため、衝突体と衝突地点に近い標的はともに不可逆的な損傷を受ける。多くの結晶鉱物は衝撃波によって高密度相に変化する。たとえば、一般的な鉱物である石英は、高圧形態のコーサイトとスティショバイトに変化する。衝撃波が通過すると、衝突体と標的の両方で衝撃に関連した他の多くの変化が起こり、これらの変化の一部は、特定の地質学的特徴が衝突クレーターによって形成されたかどうかを判断するための診断ツールとして使用できる。^[18]

衝撃波が減衰するにつれ、衝撃を受けた領域はより通常の圧力と密度に向かって減圧されます。衝撃波によって生じた損傷により、物質の温度が上昇します。ごく小さな衝撃を除き、この温度上昇は衝突体を溶かすのに十分であり、より大きな衝撃では衝突体のほとんどを蒸発させ、標的の大部分を溶かすのに十分です。衝突近くの標的は加熱されるだけでなく、衝撃波によって加速され、減衰する衝撃波の後ろで衝突から離れ続けます。^[18]

大きな衝突の場合、接触、圧縮、減圧、衝撃波の通過はすべて 10 分の 1 秒以内に発生します。その後のクレーターの掘削はよりゆっくりと行われ、この段階では物質の流れは主に亜音速です。掘削中、加速されたターゲット物質が衝突点から離れるにつれて、クレーターは大きくなります。ターゲットの動きは最初は下向きと外向きですが、外向きと上向きになります。流れは最初にほぼ半球形の空洞を作り、それが大きくなり続け、最終的に放物面(ボウル型) のクレーターを形成します。このクレーターでは、中心が押し下げられ、大量の物質が排出され、地形的に隆起したクレーターの縁が押し上げられます。この空洞が最大サイズに達すると、過渡空洞と呼ばれます。^[18]

一時空洞の深さは、通常、直径の 4 分の 1 から 3 分の 1 です。クレーターから放出される噴出物には、一時空洞の全深度から掘削された物質は含まれません。通常、最大掘削深度は全深度の約 3 分の 1 にすぎません。結果として、一時クレーターの容積の約 3 分の 1 は物質の噴出によって形成され、残りの 3 分の 2 は隆起した縁を形成するために物質が下方、外方、上方に移動することによって形成されます。多孔性物質への衝突の場合、空隙空間の永久的な圧縮によって、かなりの量のクレーターが形成されることもあります。このような圧縮クレーターは、多くの小惑星、彗星、小型衛星で重要な意味を持つ可能性があります。

大規模な衝突では、クレーターを形成するために移動および放出された物質だけでなく、大量のターゲット物質が元の衝突物とともに溶融および蒸発する可能性があります。この衝突溶融岩の一部は放出される可能性がありますが、そのほとんどは一時的クレーター内に残り、最初は一時的空洞の内部を覆う衝突溶融層を形成します。対照的に、高温で高密度の蒸発物質は、成長する空洞から急速に膨張し、その際に固体および溶融物質を運びます。この高温の蒸気雲が膨張すると、大規模な核爆発によって生成される典型的なキノコ雲のように上昇して冷却されます。大規模な衝突では、膨張する蒸気雲は大気のスケール高さの何倍にも上昇し、事実上自由空間に膨張します。

クレーターから噴出した物質のほとんどは、クレーター半径の数倍の範囲内に堆積しますが、ごく一部は高速で長距離を移動し、大きな衝突の場合は脱出速度を超えて衝突した惑星や衛星から完全に離れることがあります。最も高速な物質の大部分は衝突の中心近くから噴出し、最も遅い物質は低速で縁近くから噴出して、縁のすぐ外側に反転したまとまった噴出物のフラップを形成します。噴出物が成長するクレーターから逃げ出すと、逆円錐の形に広がるカーテンを形成します。カーテン内の個々の粒子の軌道は、主に弾道的であると考えられています。

溶融しておらず、比較的衝撃を受けていない少量の物質が、ターゲットの表面および衝突体の背面から、非常に高い相対速度で剥離する可能性がある。剥離は、物質がほとんど損傷を受けずに惑星間空間に放出され、衝突体の少量が大きな衝突でも損傷を受けずに維持される可能性がある潜在的なメカニズムを提供する。少量の高速物質は、衝突の初期段階で噴射によって生成されることもある。これは、2 つの表面が急激に斜めに小さな角度で収束するときに発生し、高温で高衝撃を受けた物質が、衝突速度よりも数倍速い速度で収束領域から放出される。

ほとんどの場合、一時的な空洞は安定しておらず、重力によって崩壊します。地球上の直径約 4 km 未満の小さなクレーターでは、クレーターの縁が部分的に崩壊し、破片がクレーターの壁を滑り落ち、衝突で溶けた岩石が深い空洞に流れ込みます。結果として生じる構造は単純クレーターと呼ばれ、ボウル型のままで、表面的には一時的なクレーターに似ています。単純クレーターでは、元の掘削空洞の上に崩壊角礫岩、噴出物、溶融岩のレンズが重なり、中央のクレーターの底の一部が平らになることがあります。

惑星の重力によって変わるある閾値サイズを超えると、一時的な空洞の崩壊と変形ははるかに広範囲に及び、結果として生じる構造は複合クレーターと呼ばれる。一時的な空洞の崩壊は重力によって引き起こされ、中央領域の隆起と縁の内側への崩壊の両方を伴う。中央の隆起は弾性反発の結果ではなく、弾性強度のある物質が元の形状に戻ろうとするプロセスである。むしろ、崩壊は強度がほとんどないか全くない物質が重力平衡の状態に戻ろうとするプロセスである。

複雑クレーターは中心部が隆起しており、通常は広く平らで浅いクレーター底と段々になった壁を持つ。最大サイズでは、1つ以上の外部または内部リングが現れる可能性があり、その構造は衝突クレーターではなく衝突盆地と呼ばれることがある。岩石惑星の複雑クレーターの形態は、サイズが大きくなるにつれて規則的な順序をたどるように見える。中央に地形上のピークがある小さな複雑クレーターは、ティコのように中央ピーククレーターと呼ばれる。中央のピークが山の輪に置き換わった中規模のクレーターは、シュレーディンガーのようにピークリングクレーターと呼ばれる。最大サイズのクレーターには複数の同心円状の地形上のリングがあり、オリエンターレのように多重リング盆地と呼ばれる。氷の天体（岩石ではなく）では、中央のピークではなく中央のピットを持つ他の形態が出現し、最大サイズでは多くの同心円状のリングが含まれることがある。カリストのヴァルハラはこのタイプの例です。

衝突から長い時間が経つと、クレーターは浸食、質量減少、粘性緩和などによってさらに変化したり、完全に消滅したりすることがある。これらの影響は、地球、タイタン、トリトン、イオなど、地質学的および気象学的に活発な天体で最も顕著である。しかし、カリストなど、より原始的な天体では、大きく変化したクレーターが見つかることがある。カリストでは、多くの古代のクレーターが平らになり、明るいゴーストクレーター、またはパリンプセストになっている。^[21]

非爆発性の火山クレーターは、通常、その不規則な形状と、火山流と他の火山物質の関連性によって衝突クレーターと区別できます。衝突クレーターも溶融岩石を生成しますが、通常はより少量で、異なる特性を持っています。^[6]

衝突クレーターの特徴は、破砕円錐、溶融岩石、結晶変形などの衝撃変成作用を受けた岩石の存在である。問題は、これらの物質は、少なくとも単純なクレーターでは深く埋まっている傾向があることである。しかし、複雑なクレーターでは、隆起した中心部でそれらが現れる傾向がある。^{[22] [23]}

衝突により、衝突地点を明確に識別できる 特徴的な衝撃変成作用が発生します。このような衝撃変成作用には、次のようなものがあります。

• クレーターの底の下にある砕けた、または「角礫化した」岩石の層。この層は「角礫レンズ」と呼ばれます。 ^[24]
• シャッターコーンは、岩石に形成されたV字型の圧痕です。^[25]このようなコーンは、細粒の岩石で最も簡単に形成されます。
• 高温の岩石の種類には、砂の層状および溶接されたブロック、球晶、テクタイト、または溶融岩のガラス状の飛沫が含まれます。テクタイトの衝突起源は一部の研究者によって疑問視されており、彼らはテクタイトに、衝突岩には見られない火山性の特徴をいくつか観察しています。テクタイトはまた、一般的な衝突岩よりも乾燥しています (水分含有量が少ない)。衝突によって溶融した岩石は火山岩に似ていますが、溶融していない岩盤の破片を組み込み、異常に大きく途切れのない領域を形成し、地球内部から噴出した火山物質よりもはるかに混合した化学組成を持っています。また、ニッケル、プラチナ、イリジウム、コバルトなど、隕石に関連する微量元素を比較的多く含んでいる場合もあります。注：科学文献によると、衝突イベントにのみ関連付けられることが多い小さな破砕円錐などのいくつかの「衝撃」特徴が、陸上の火山噴出物でも発見されていると報告されています。^[26]
• 鉱物の微視的圧力変形。^[27]これには、石英や長石の結晶の破壊パターン、グラファイトやその他の炭素化合物から生成されたダイヤモンド、または衝撃を受けた石英の一種であるスティショバイトやコーサイトなどの高圧物質の形成が含まれます。
• デコーラクレーターのような埋没クレーターは、掘削コアリング、空中電磁抵抗画像化、空中重力勾配測定によって特定することができます。^[28]

地球上では、衝突クレーターから有用な鉱物が産出されている。地球上での衝突関連の影響から産出される鉱石には、鉄、ウラン、金、銅、ニッケルの鉱石が含まれる。衝突構造から採掘される物質の価値は、北米だけで年間50億ドルと推定されている。^[29]衝突クレーターの最終的な有用性は、いくつかの要因、特に衝突を受けた物質の性質と物質が影響を受けた時期によって決まる。場合によっては、堆積物がすでに存在していて、衝突によって地表に運ばれた。これらは「プロジェネティック経済堆積物」と呼ばれる。他のものは、実際の衝突中に生成された。関与した大きなエネルギーにより溶融が引き起こされた。このエネルギーの結果として形成された有用な鉱物は、「シンジェネティック堆積物」に分類される。3番目のタイプは「エピジェ​​ネティック堆積物」と呼ばれ、衝突による盆地の形成によって引き起こされる。現代の生活が依存している鉱物の多くは、過去の衝突に関連している。ウィットウォーターズランド盆地の中心にあるヴレデフォード・ドームは世界最大の金鉱で、衝突構造で採掘された金の約40%を供給してきた（ただし、金は火球から採掘されたものではない）。^{[30] [31] [32] [33]}この地域に衝突した小惑星の幅は9.7 km（6マイル）だった。サドベリー盆地は、直径9.7 km（6マイル）を超える衝突天体によって形成された。 ^{[34] [35]この盆地は}ニッケル、銅、白金族元素の鉱床で有名である。衝突はカナダのサスカチュワン州にあるカーズウェル構造の形成にも関与しており、ウラン鉱床を含む。 ^{[36] [37] [38]}炭化水素は衝突構造の周囲によく見られる。北米の炭化水素含有堆積盆地の衝突構造の50%には、油田/ガス田が含まれている。^{[39] [29]}

地球では、衝突クレーターの認識は地質学の一分野であり、他の惑星の研究における惑星地質学に関連しています。提案されている多くのクレーターのうち、確認されているものは比較的少数です。次の 20 は、確認され、十分に文書化された衝突地点に関する記事のサンプルです。

地球上の科学的に確認された衝突クレーター 190個（2019年7月現在）を扱うウェブサイト、Earth Impact Database ^[40]を参照してください。^{[アップデート]}

• カロリス盆地（水星）
• ヘラス盆地（火星）
• ハーシェルクレーター（ミマス）
• 東の海（月）
• ペトラルカクレーター（水星）
• 南極 – エイトケン盆地（月）

1. 北極盆地/ボレアリス盆地（議論中） – 火星 – 直径: 10,600 km
2. 南極エイトケン盆地– 月 – 直径: 2,500 km
3. ヘラス盆地– 火星 – 直径: 2,100 km
4. カロリス盆地- 水星 - 直径: 1,550 km
5. スプートニク平原– 冥王星 – 直径: 1,300 km
6. インブリアム盆地– 月 – 直径: 1,100 km
7. イシディス平原– 火星 – 直径: 1,100 km
8. 静かの海– 月 – 直径: 870 km
9. アルギュレ平原– 火星 – 直径: 800 km
10. レンブラント– 水星 – 直径: 715 km
11. セレニタティス盆地– 月 – 直径: 700 km
12. マーレ・ヌビウム– 月 – 直径: 700 km
13. ベートーベン– 水星 – 直径: 625 km
14. ヴァルハラ– カリスト – 直径: 600 km、リングの直径は 4,000 km
15. ヘルツシュプルング– 月 – 直径: 590 km
16. トゥルギス– イアペトゥス – 直径: 580 km
17. アポロ– 月 – 直径: 540 km
18. エンゲリエ – イアペトゥス – 直径: 504 km
19. ママルディ – レア – 直径: 480 km
20. ホイヘンス– 火星 – 直径: 470 km
21. スキアパレッリ– 火星 – 直径: 470 km
22. レアシルビア– 4 ベスタ – 直径: 460 km
23. ゲリン– イアペトゥス – 直径: 445 km
24. オデュッセウス– テティス – 直径: 445 km
25. コロレフ– 月 – 直径: 430 km
26. ファルサロン – イアペトゥス – 直径: 424 km
27. ドストエフスキー– 水星 – 直径: 400 km
28. メンルヴァ– タイタン – 直径: 392 km
29. トルストイ– 水星 – 直径: 390 km
30. ゲーテ– 水星 – 直径: 380 km
31. マルプリミス – イアペトゥス – 直径: 377 km
32. ティラワ– レア – 直径: 360 km
33. オリエンタル盆地– 月 – 直径: 350 km、リングの直径は最大 930 km
34. エヴァンダー- ディオネ - 直径: 350 km
35. エピゲウス– ガニメデ – 直径: 343 km
36. ガートルード– ティタニア – 直径: 326 km
37. テレムス – テティス – 直径: 320 km
38. アスガルド– カリスト – 直径: 300 km、リングの直径は 1,400 km
39. ヴレデフォート衝突構造– 地球 – 直径: 300 km
40. バーニー– 冥王星 – 直径: 296 km

月には直径300kmを超える衝突クレーター/盆地が約12個、水星には5個、火星には4個ある。^[41]土星の衛星ディオネ、レア、イアペトゥスにも、名前の付いていないものもあるがほとんどが直径300km未満の大きな盆地が見られる。

• バイヤー、ヨハネス (2007)。Die Auswurfprodukte des Ries-Impakts、ドイツ。ドクメンタ・ナチュラエ。 Vol. 162. フェルラーグ。ISBN 978-3-86544-162-1。
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• ウィキメディア・コモンズの衝突クレーターに関連するメディア
• カナダ地質調査所のクレーターデータベース、172 の衝突構造
• 地上の隕石クレーターの航空探査
• 世界中の隕石クレーターの位置を示す Google マップ ページ、Impact Meteor Crater Viewer
• ソーラービュー：地上衝突クレーター
• 月惑星研究所のスライドショー: 写真を含む
• 地球衝突影響プログラム 指定された天体が地球に衝突した場合のクレーターの大きさやその他の影響を推定します。