Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Chicxulub je asi dvojitý a Popigaj má bratříčky

Netradiční pomoc při vyhledávání impaktních kráterů na Zemi
 |  12. 2. 2009
 |  Vesmír 88, 92, 2009/2

Kosmická tělesa sluneční soustavy jsou poznamenána dopady dalších těles, která na nich vytvářejí krátery. Ani Země není výjimkou. Proč by také měla být? Zdrojů dopadajících těles bylo, je a bude dost, jak už dnes s jistotou víme od astronomů. Vnitřní i vnější síly na naší planetě „stírají šrámy“, takže některé krátery stěží poznáme. Najít se ale dá vše, i kráter zcela ukrytý pod povrchem země či dnem moře, jako je Chicxulub na Yucatanu v Mexiku (Vesmír 80, 216, 2001/4) nebo Mjølnir v Severním moři. Na oba se přišlo díky specifickým „kruhovitým“ tíhovým anomáliím zjištěným z gravimetrických měření při hledání ropy.

Dnes máme na Zemi potvrzeno nejméně 170 impaktních meteoritických kráterů (impaktů, astroblémů). 1) Pro největší z nich (obrázek tab. I) a vybrané další jsme provedli výpočty. Uvádíme příklady pro již zmíněný Chicxulub a pro Popigaj (v Rusku na Sibiři). 2)

Troška teorie

Kdyby Země byla zcela homogenní koule, tíhové anomálie by neexistovaly. Ty jsou projevem místního přebytku či nedostatku hmoty. Ukazují na hustotní kontrasty, mohou indikovat naleziště rud a nerostů, podzemní prostory apod. Tíhové anomálie v lokálním měřítku získáváme měřením pomocí gravimetrů umístěných na pevnině, na lodi či v letadle. Také je můžeme (na globální úrovni odvodit z nejrůznějších typů družicových měření, ať již sledujeme umělé družice ze Země, Zemi z družic, či se družice sledují navzájem.

Dráhová dynamika umělých družic Země a kosmická geodézie dnes výrazně pokročily v přesnosti a rozlišovací schopnosti globálního popisu gravitačního pole. Přispěly k tomu výsledky specializovaných altimetrických družic 3) a gravitačních misí CHAMP a GRACE. Další pokrok se očekává od družice GOCE s prvním gradientometrem (kombinací mikroakcelerometrů) na palubě. 4) Výsledky měření se zpracovávají do globálních modelů gravitačního pole Země.

Při popisu gravitačního pole či tíhových anomálií poskytují různé modely velmi odlišná rozlišení. Model EGM96 rozliší struktury zhruba na úrovni 50 km, novější EGM08 již na úrovni 8 km. S modelem EGM08 můžeme tedy „vidět“ i různé sopky, kaňony a krátery, i když ne ty nejmenší, kterých je nejvíce. Úlohu nám také ztěžuje „opotřebení“ kráterů věkem čili erozí a dalšími zemskými silami.

Co nového přinášíme?

Pozemní tíhové anomálie se používaly k identifikaci impaktních kráterů už před desítkami let (počátky prospekce kolem Chixculubu se datují do padesátých let minulého století). Tehdejší přesnost a dokonalost pokryvu požadovaného území tíhovými daty (dnes skoro globální a skoro homogenní) nemá šanci soutěžit s nynější. Model EGM08 je silným prostředkem, který se v těchto aplikacích skvěle osvědčuje.

„Novost“ našeho přístupu k testování a vyhledávání impaktních struktur tkví tedy ve využití databáze dané modelem EGM08 a použití druhé derivace poruchového tíhového potenciálu v radiálním směru. To je parametr, který lze získat velmi obtížně a pouze lokálně z pozemních měření. Přitom právě druhá derivace poskytuje úžasné detaily, které vypovídají o hustotních a tvarových anomáliích Země.

V identifikaci a ověřování impaktů mají ovšem definitivní slovo geologové. První a druhé derivace poruchového potenciálu jsou cenné, ale samy o sobě nejsou jednoznačné. Kruhovou strukturu může „vytvořit“ leccos – třeba sopka nebo tektonická činnost. Proto jsou nezbytná další geofyzikální měření (například seizmické profily) a geologická data (vrty, nálezy šokově metamorfovaných hornin, jako jsou stishovit nebo coesit, 5) nálezy diamantů aj.). My – geodeti a astronomové – můžeme pouze vznést návrh či dotaz, a teprve geolog může rozhodnout, zda o impakt jde, či nejde. V tomto smyslu je nutno chápat naše výsledky, z nichž přinášíme dvě ukázky.

Chicxulub – dvojitý kráter?

Chicxulub na severu Yucatanu je skryt napůl pod pevninou a napůl pod mořem ve vápencovém terénu pod třetihorními nánosy. Kráter má středovou vyvýšeninu a nejméně dva lemy, vnitřní o průměru asi 80 km, vnější nejméně o průměru 170 km. Dlouhá diskuse o velikosti kráteru ([3] a [7]) a typu impaktoru (zda dopadla kometa, či asteroid) se zdá být u konce. Spíše se kloníme k průměru vnějšího kráteru až 300 km a k názoru, že impaktorem byl asteroid. W. F. Bottke a jeho kolegové [1] objevili, že impaktor pochází z „rodiny“ asteroidů Baptistina, 6) a popsali jeho složitou „životní pouť“ od opuštění „rodiny“ po pád na Zemi.

Trojrozměrný obrázek s tíhovými anomáliemi z pozemních měření v oblasti Chicxulubu jsme reprodukovali v již citovaném článku ve Vesmíru. Problémem byla nízká přesnost dat z mořské části (pás dat v přímoří chyběl úplně). Nyní jsme získali tíhové anomálie pomocí modelu EGM08 (obrázek 1) a hodnoty druhých derivací (obrázek 2 vlevo). Kráter je vyznačen negativními tíhovými anomáliemi a negativními hodnotami druhých derivací, které dávají kruhovitý tvar. Zřetelný je centrální výzdvih i kladné hodnoty podél kráterových lemů. Vnější prstenec má průměr zhruba 160–180 km. Ještě lze rozlišit jeden vnější, velmi fragmentovaný prstenec s průměrem asi 250 km. Navíc je na severovýchodě od hlavního kráteru znát další kruhovitý útvar. Považujeme ho za kandidáta na Chicxulub II (s průměrem zhruba 100 km) a navrhujeme jeho další průzkum. 7) Hodnoty druhé derivace sledujeme na celém Yucatanu až po Belize a Guatemalu (obrázek 2 vpravo). Kruhovité struktury Chicxulub I a II jsou tu také dobře patrny, i když jsou místa jako hory na jihu, které vykazují mnohem silnější signál.

Popigaj – násobný kráter?

Popigaj (71° 39‘ severní šířky a 111° 11‘ východní délky) je impaktní kráter na Sibiři, poblíž moře na staré sibiřské platformě. Jeho průměr 100 km z něj dělá jeden z největších na Zemi. Je to také dobře zachovaná, na zemském povrchu patrná kruhovitá struktura. Jen tři krátery jsou potvrzeny jako větší impakty než Popigaj, ale jsou buď zabořeny pod terénem (Chicxulub), nebo silně deformovány (Sudbury), popřípadě deformovány a erodovány (Vredefort). Na místě kráteru je největší naleziště diamantů na světě a nacházejí se tu také coesit a stishovit. 8)

První a druhé derivace poruchového potenciálu pro oblast Popigaje (obrázek 3) prozrazují, že kráter má středový vrchol a velmi výraznou zápornou tíhovou anomálii kolem. Domníváme se, že model EGM08 zcela zřetelně ukazuje existenci více než jednoho kráteru. Označujeme je jako Popigaj I, II, III a možná IV, pěkně „srovnané do řádky“ ve směru dopadu.

Prozatímní závěry

Nejnovější a dosud nejlepší model gravitačního pole Země EGM08 umožňuje vypočítat hodnoty tíhové anomálie a druhé derivace poruchového potenciálu s bezprecedentní rozlišovací schopností několika kilometrů víceméně po celém světě (s výjimkou oblasti kolem jižního pólu). S jeho pomocí jsme zjistili několik nových kandidátů na impaktní krátery na Zemi. V článku jsme uvedli příklady pro ChicxulubPopigaj. První je asi dvojkráter, druhý patrně „řetězec“ kráterů. Nyní mají slovo geologové, naše zjištění však mohou zajímat i astronomy. Nemáme co do činění s vícenásobnými dopady častěji, než jsme si dosud mysleli? Co to znamená?

Náš výzkum 9) je teprve v začátcích. Nyní se chystáme systematicky proskenovat celý svět. Zatím jsme se soustředili jen na oblasti s prokázanými krátery, kde jsme testovali možnosti nového modelu EGM08. I tak již pár nových kandidátů na impaktní krátery máme.

Studie byla realizována s podporou grantu ESA PECS C 98056.

Literatura

[1] Bottke W. F., Vokrouhlický D., Nesvorný D.: An asteroid breakup 160 Myr ago as the probable source of the K/T impactor, Nature 449, 48–53, 2007
[2] Hildebrand A. R., Pilkington M., Connors M., Ortiz-Aleman C., Chavez R. E.: Size and structure of the Chicxulub crater revealed by horizontal gravity gradients and cenotes, Nature 376, 415–417, 1995
[3] Hildebrandt A. R. et al.: Mapping Chicxulub crater structure with gravity and seismic reflection data, in Grady M. M. et al. (eds.): Meteorites: Flux with Time and Impact Effects, Geolog. Soc. London, Spec. Publs 140, 15–176, 1998
[4] Holmes S. A. et al.: A Fortran Program for Very-High-Degree Harmonic Synthesis (HARMONIC_SYNTH), version 05/01/2006, 2006
[5] Klokočník J., Novák P., Pešek I., Kostelecký J., Wagner C. A.: EGM 08: Tests of the model and simulations for GOCE, IAG Int. Symp. GGEO 2008, 23–27 June 2008, Chania (Crete, Greece) 2008
[6] Lemoine F. et al.: The Development of the Joint NASA GSFC and the NIMA Geopotential Model EGM 96, NASA/TP-1998-206861, NASA GSFC Greenbelt, 1998
[7] Sharpton V. L. et al.: Chicxulub multiring impact basin: Size and other characteristics derived from gravity analysis, Science 261, 1564–1567, 1993
[8] Pavlis N. K., Holmes S. A., Kenyon S. C., Factor J. K.: An Earth Gravitational Model to Degree 2160: EGM 2008, Session G3 „GRACE Science Applications“, EGU, Vienna 2008
[9] Pavlis N. K., Holmes S. A., Kenyon S. C., Factor J. K.: EGM2008: An Overview of its Development and Evaluation. Presented at IAG Int. Symp. GGEO 2008, 23–27 June 2008, Chania (Crete, Greece) 2008

Poznámky

1) Viz Vesmír 79, 270, 2000/5 nebo aktuálně na en.wikipedia.org/wiki/List_of_impact_crater... nebo na www.unb.ca/pass/ImpactDatabase. Dalších asi 600 útvarů je v kategorii „podezřelých“ kandidátů na impaktní krátery (web.eps.utk.edu/ifsg.htm).
2) Další informace o práci kolektivu v rámci grantu ESA PECS C98056 ohledně vyhledávání impaktních struktur na Zemi v rámci přípravy na gradientometrickou misi GOCE Progress Report 2008 najdete na sunkl.asu.cas.cz/Incoming/jklokocn či u prvního autora článku.
3) Viz např. Geodetický a kartografický obzor 44(86), 97, 1998/5.
4) Původně měla družice GOCE (viz Vesmír 88, 30, 2009/1) odstartovat již 10. září loňského roku. Start byl však podle posledních zpráv odložen na jaro 2009.
5) Coesit a stishovit jsou vysokotlaké odrůdy křemene, které jsou typické právě pro impakty.
6) Planetka Baptistina byla původně asi 170 km velká. Před 160 miliony lety do ní narazilo těleso o průměru asi 60 km a Baptistina se rozlomila na 300 fragmentů větších než 10 kilometrů a 140 000 objektů větších než kilometr. Až 20 % z těchto těles se mohlo vydat do vnitřních částí planetárního systému a až 2 % mohlo narazit do Země.
7) Obr. 1 v práci V. L. Sharptona a jeho kolegů již naznačoval existenci druhého kráteru, ale nikdo si toho nevšiml. Tehdejší pozemní tíhová data v moři, a hlavně v přímořském pásu, byla dosti nepřesná nebo vůbec chyběla, takže na nějaké „revoluční závěry“ si naši předchůdci netroufali.
9) Koná se od r. 2007 v rámci jednoho z projektů přípravy na přidružení ČR k ESA (PECS) a k projektu gradientometrické družice ESA GOCE. K přidružení došlo v listopadu 2008, grant trvá do r. 2011.

TÍHOVÉ ANOMÁLIE

Geodeti se vždy snažili odvodit hodnoty tíže zbavené vlivu jednoduchého gravitačního modelu Země (rotujícího homogenního dvojosého elipsoidu). Redukovaná data se pak dají interpretovat jako vliv tvarových deformací Země a hustotních anomálií uvnitř Země. Naměříme-li hodnotu tíže g v bodě na zemském povrchu, není nic jednoduššího než ve stejném bodě odečíst hodnotu normální tíže . a vypočítat tíhovou poruchu δg(h) = g(h) – γ(h). Všechny hodnoty jsou vztaženy ke stejné výšce h nad referenčním elipsoidem.

Tento parametr je možno definovat jako gradient poruchového tíhového potenciálu T, který je definován jako rozdíl tíhového potenciálu skutečné Země a referenčního elipsoidu.

Zde ale nastává problém: hodnota γ je definována vzorcem pouze na povrchu elipsoidu a do libovolné výšky h vně referenčního elipsoidu je nutné hodnotu γ prodloužit. Na to existuje Moloděnského vzorec, který při známé elipsoidální výšce h umožňuje přepočet hodnoty γ na elipsoidu do γ ve výšce h nad elipsoidem.

Před GPS a podobnými družicovými metodami byla ale výška h neměřitelná a musela se ve všech výrazech nahrazovat nivelovanou nadmořskou výškou H. Použití nadmořské výšky H místo elipsoidální h ale vede k hodnotě tíhové anomálie definované jako Δg(h,H) = g(h) – γ(H).

Dnes lze určovat výšku h nad referenčním elipsoidem s centimetrovou přesností. Pro nově určované tíhové body není problém při zaměření GPS určovat tíhové poruchy. Klasické databáze bohužel stále ještě většinou uvádějí u tíhových dat výšky nadmořské. Tím je odůvodněno používání tíhových anomálií.

Rozdíl mezi tíhovou poruchou a anomálií není veliký. Je dán změnou hodnoty normální tíže . mezi bodem na povrchu Země ve výšce h nad referenčním elipsoidem a na teluroidu ve výšce H nad referenčním elipsoidem. Tento rozdíl činí maximálně řádově 100 m; pro hodnotu normálového gradientu normální tíže zhruba –0,3 mGal/m by tento rozdíl činil maximálně zhruba 30 mGal.

Pavel Novák

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Geologie

O autorech

Jaroslav Klokočník

Jan Kostelecký

Pavel Novák

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné