Освіта метеоритних кратерів - процес миттєвий і, на противагу багатьом тривалим геологічним процесам, може бути змодельований. При падінні метеорита від миттєвого випаровування його і порід відбувається вибух. Експериментальні вибухи найбільш точно імітують цей процес.

У Радянському Союзі, США та інших країнах проводилися серії експериментальних вибухів з детальним вивченням і математичним моделюванням виходять структур. При експериментальних вибухів у лабораторіях з утворенням сантиметрових кратерів були проведені прискорені зйомки. Це дозволило простежити всі стадії процесу.

Необхідно сказати, що ударна хвиля при вибухах великих енергій корінним чином відрізняється від сейсмічних хвиль і звукових.Передусім вона не периодична, а являє собою одиночний імпульс тиску. Швидкість її завжди більше швидкості звуку в породах і залежить від її тиску, в протилежність звуковим і сейсмічних хвиль, для яких швидкість є сталою характеристикою кожної породи.Ударна хвиля, крім того, у протилежність звуковим хвилям і сейсмічним, переміщує за собою середовище, в якій вона рухається.На фронті ударної хвилі стрибком змінюються параметри стану і руху порід.

При падінні на Землю метеорит проникає в грунт (при експериментах кажуть - у мішень), миттєво гальмується і розігрівається до високих температур, при яких він сам і породи навколо нього плавляться і випаровуються. Відбувається вибух. Від точки вибуху метеорита або заряду вибухових речовин поширюється ударна хвиля, що має кулястий фронт. Нагорі, де шар ґрунту порівняно тонкий, породи спочатку спучуються, потім з'являються яскраві мови плазми.Потім покрівля цього пузиря розкривається на всі боки, подібно розпускаються квіти, і тонкі краї її падають на землю у перевернутому положенні (рис. 2). Ця перевернута синкліналь на валу - один з діагностичних структурних ознак експериментальних і метеоритних кратерів.

Рис. 2. Стадії утворення вибухового кратера. 
а - в - 1 стадія - ударне стиснення; розтікання метеорита і грунту; г - 2 стадія - екскавація і викид ґрунту відбитою хвилею; д - 3 стадія - деформації або заповнення (1 - воронка, 2 - справжнє дно, 3 - видиме дно, 4 - вал брекчії, 5 - лежача синкліналь цокольного валу)

В нижній півсфері ударна хвиля утворює округлу порожнечу - первинний кратер, у стінок якого гірські породи ущільнюються і частиною плавляться. Далі хвиля йде по породам, стискаючи їх. Слідом за хвилею стиснення відбувається падіння тиску до нормального, яке називається хвилею розрідження. В однорідних породах ударна хвиля поширюється до тих пір, поки тиск не досягне межі пружності порід або сейсмічного відбивача. У цей момент хвиля відіб'ється. Фронт відбитої хвилі, що йде вгору, буде захоплювати за собою породи (див. рис. 2).Коли фронт досягне дна первинної порожнини, хвиля підніме породи дна в центрі кратера. В м'яких осадових породах у центрі кратера утворюється купол, а в тендітних - центральний блок підніметься кільцевою тріщиною. Іноді спочатку утворюється купол, а потім центральний блок піднімається по кільцевому розлому. Така структура центрального підняття (рис. 3, а) встановлена в кратері Штейнхейм (ФРН). Ця ж відбита хвиля викидає з кратера вгору хмару уламків, розширюючи первинну порожнечу.Коли викинуті породи впадуть назад, покривши дно кратера і навколишнє поверхню, кратер отримує остаточний вигляд і називається видимим кратером. Воронка під брекчией називається істинним кратером.

Рис. 3. Глибинні деформації метеоритних кратерів.
а - кратер Штейнхейм (D = 3 км). Видно антиклинальная структура центрального підняття і розлом по його периферії, маркований на місцевості джерелами радонових вод; б - Арізонський (D = 1,2 км). Під кратером утворена зона дроблення, роздувши якої має діаметр кратера (1 - алогенна брекчія, 2 - подкратерная зона дроблення, 3 - непорушені породи); в - астроблема Госез-Блаф в осадових породах (2). В роздроблених породах простежується пикообразная антикліналь, в основі якої знаходиться збільшений в потужності пласт 3.Судячи по ширині роздування зони дроблення (1), діаметр кратера був близько 7 км

Дж. О'кіф і Д. Аренс пропонують таку послідовність процесу освіти вибухового кратера:

1) заглиблення в земні породи і гальмування метеорита,

2) вибух і зростання первинної порожнини,

3) стадія екскавації - викид відбитою хвилею з кратера роздроблених і розплавлених порід,

4) стадія деформації - обвалення стінок і выполаживание кратера при пружному розпрямленні земної кори в його центрі (релаксація).

Перші три етапи проходять в частки секунди або в секунди, а тривалість четвертого етапу у великих структурах дуже велика (десятки і сотні мільйонів років).

Під кратером виникає напівсферична зона тріщинуватості (див. рис. 3, б, в) з діаметром, приблизно рівним діаметру видимого кратера.Навколо кратера зона тріщинуватості виклинцьовується приблизно на відстані 2 радіусів від центру. На тлі безладно тріщинуватих порід можуть утворитися кільцеві розломи і кільцеві грабени, іноді серія концентричних порушень.

В місячних морях, які є великими метеоритними структурами, зазначено чергування кільцевих гір (на Місяці вони названі кордильєрами) та понижень між ними - декількох концентричних кілець, тому названі структури мультиринговыми (многокольцевыми). Противники метеоритного походження мультиринговых структур часто посилалися на те, що неможливо уявити, щоб кілька метеоритів потрапили точно в центр кільцевої системи.

В кінці 70-х років у США в обводнених річкових відкладах був створений вибуховою експериментальний кратер Прерія-Флет діаметром 85,5 м. В ньому відразу після вибуху утворилася система «кордильєр» і кільцевих понижень між ними (рис. 4), а за межі внутрішньої кордильєри після вибуху сталося щось на зразок вулканічних вивержень, при яких був викинутий білий пісок з парою. Ці білі вулканчики добре видно на рис. 4. Кордильєри кратера Прерія-Флет виявилися горстами, зниження - грабенами.Цей приклад довів з повною переконливістю, що для утворення мультиринговой структури достатньо одного приповерхневого вибуху.

Для того щоб зрозуміти, що відбувається з кільцевими грабенами після вибуху, звернемося до давніх метеоритним структурам.Структура Карсвелл-Лейк (Канада) виглядає як кругле поле давніх архейських гнейсів серед більш молодих пісковиків протерозою.Діаметр кола 16 км. Межею його є кільцевої розлом. Зовнішню частину структури діаметром 32 км складають дугові жолоби, заповнені сланцями силуру та частково зайняті озерами (рис. 5). Силурійські сланці у розломів у грабенах роздроблені і зім'яті в складки, тобто зрушення відбувалися після їх утворення.З моменту утворення кратера в протерозої до відкладення силурійських сланців пройшли сотні мільйонів років. У структурі Лабынкыр (див. нижче) грабени активно опускаються приблизно протягом 70 - 80 млн. років. Отже, земне життя порушень, створених метеоритними вибухами, дуже тривала.

До теперішнього часу не тільки на Місяці, але і на Землі відкрито ряд мультиринговых структур. Це Маникуаган, Карсвелл-Лейк, Клірвотер та ін. в Америці, Лабынкыр в Радянському Союзі, структура Росса в Антарктиці та ін.

Основи математичної теорії кратерообразования заклали К. П. Станюкович і Ст. Ст. Фединський. Ними була виведена залежність діаметра кратера від енергії метеорита. При масі m і швидкості метеорита v енергія E = mv2/2, R = E^1/3. Крім енергії, діаметр (2R) кратера залежить і від інших причин. За даними Б. А. Іванова, при утворенні малих кратерів головну роль грає міцність порід. Він називає їх міцності кратерами. Для більш великих структур, починаючи з кілометрових, велике значення набуває сила гравітації. Математично це виражається так (при R см, Е - Дж): для міцнісних кратерів Е = R3, тобто R = Е^1/3, а для гравітаційних Е = gR⁴. Отже, в перших енергія, що йде на кратерообразование, зростає пропорційно R3, а в гравітаційних - пропорційно R⁴.

Крім того, на планетах з більшою силою гравітації при тій ж Е метеорита діаметр кратера буде менше, ніж на малих тілах. Тип процесу утворення кратера залежить і від грунту мішені. В сипучих грунтах кратери, починаючи від розмірів в декілька сантиметрів, утворюються вже на основі гравітаційного типу. В суглинках прозорого режим змінюється гравітаційним при D 60 м, в скельних породах - приблизно з D 100 м.

Здавалося б, при потужних метеоритних вибухів частина матеріалу викидів може вирватися за межі поля тяжіння планети і полетіти.Але, за розрахунками Б. А. Іванова, для втрати планетою викидів кратера потрібні дуже великі швидкості співудару і малі швидкості утікання (другі космічні швидкості). Для Місяця, де швидкість утікання 3,5 км/с, викиди кратерів можуть полетіти в космос тільки при швидкості падіння метеорита 28 - 30 км/с, яка, загалом-то рідкісна.Для Землі з другою космічною швидкістю 11,2 км/с швидкість метеорита повинна бути біля 100 км/с, що майже нереально, так як звичайні швидкості падіння коливаються в межах 5 - 25 км/с.

Цей висновок дуже важливий для вирішення однієї з геологічних загадок нашої планети. У ряді районів Землі в грунтах або рихлих відкладеннях знаходять численні округлі скельця розміром 2 - 5 см - тектиты. За складом це силікатне скло, але співвідношення елементів у ньому відрізняються від їх співвідношень в земних породах. Іноді на поверхні тектитов видно сліди аеродинамічній опрацювання. Припускали і космічне, і місячне їх походження, але на підставі сказаного вище навряд чи правильно шукати джерело тектитов поза Землі.

На закінчення хотілося б зупинитися на двох питаннях. Перший, часто задається геологами, - чому метеоритні кратери круглі, адже при косому ударі повинні були утворюватися овали?

Малі ударні кратери, коли вибуху немає і не утворюється високошвидкісна ударна хвиля, дійсно іноді мають овальну форму. Форма вибухових структур утворюється інакше. Під яким би кутом ні метеорит увійшов у грунт, він вибухне і форма вибухової хвилі буде близька до кулястої, а кратерная воронка в плані буде изометрична. При однорідних породах це буде коло. Неоднорідності порід і, насамперед, системи доударных розломів можуть спотворити форму кратера.Деякі вибухові метеоритні кратери австралійського поля Хенбери і знаменитий кратер Арізона (США) мають в плані форми, що наближаються до квадратним, і викликано це, як вважають, розташуванням доударных регіональних тріщин.

Друге питання - освіта центральних підняттів. В геологічній літературі часто пишуть, що центральні підняття утворюються у кратерів починаючи з діаметра 3 км, а кільцеві - у структур значно більшого розміру. Проте центральні підняття спостерігаються і в 50-метрових експериментальних кратерах, і у великих природних структурах (наприклад, в Карському кратер діаметром 50 км), а кільцеві підняття утворилися в экспериментном кратері Прерія-Флет. (діаметр 87 м) і в кратері Рис (діаметр 25 км).Це говорить про те, що поява центральних і кільцевих підняттів, мабуть, залежить не від розміру кратера, а від якихось інших причин.

Всі ці розбіжності свідчать про те, що теорія процесу кратерообразования може бути розроблена на основі численних геологічних спостережень в природних структурах, що проводяться спільно з експериментальними і математичними роботами. До такого ж висновку підійшли учасники семінару з механіки освіти імпактних структур, проведеного в МДУ.