墨西哥湾撞击坑的冲击变质作用：基于IODP 364航次钻探岩心的研究

Impact cratering is one of the fundamental geological processes of terrestrial planets, and also the research hotspot in planetary and space sciences. However, there is much controversy about the forming mechanism of different impact craters on the surfaces of terrestrial planets, due to few impact craters have been well preserved on Earth and insufficient analogue and empirical studies have been made for them. In order to provide more and solid evidence for better understanding impact cratering mechanism, the IODP-ICDP Expedition 364 project drilled the peak ring of the Chicxulub impact crater and recovered 829m-lengh drill cores. This provide us a chance to (1) conduct studies on shock metamorphic features of impact breccias and basement granites, estimate shock metamorphic stages and their shock pressure variation trends, especially based on shock deformation of quartz and plagioclase, (2) petrogenesis and emplacement mechnism of the peak ring granitoids , and (3) integrated study of the relationship between shock metamorphic effects and peak-ring crater formation, combining with existing hydrocode models. The results will provide quantitative mineralogical evidence of shock metamorphism resulted from impact cratering of the Chicxulub crater and shed light on better understanding the formation mechanism of peak ring impact craters of terrestrial planets.

撞击作用是行星形成演化的重要地质过程，是行星科学及空间地球科学的研究热点，然而，由于地球表面保留的撞击坑很少，对于其他天体表面撞击坑的形成机制及冲击变质效应等缺少地面实证性研究，对撞击坑峰环形成机制的认识存在很大争议。为此，国际大洋联合钻探计划364航次对地球上保存最好的墨西哥湾撞击坑进行了钻探取样，获得了撞击坑峰环处829m长完整岩心样品。本课题申请人是唯一参与本项目和获得样品的中国科学家，本项目将采用岩石学、矿物学和地球化学相结合的方法，（1）研究撞击角砾岩及基底花岗岩中主要造岩矿物（石英、长石）的冲击变质特征，确定冲击变质阶段，分析基岩不同深部的冲击压力变化特征和趋势；（2）确定峰环花岗岩类的成因和就位机制；（3）结合数值模型综合分析撞击变质作用及撞击构造中峰环形成的机制。本研究将为定量刻画和正确理解该撞击坑的冲击变质效应的空间分布提供矿物学证据，也将为行星撞击作用机制提供例证。

墨西哥湾Chicxulub撞击坑是地球上最大且完整保存峰环构造的大型峰环撞击构造。国际IODP 364航次在峰环位置钻取的岩芯样品是研究峰环成因机制的直接证据，峰环物质组成（撞击角砾岩、撞击熔体和基底花岗岩）证实了撞击坑峰环是由撞击导致的中央隆起向外塌陷形成（Dynamic collapse model）。该模型可以广泛适用于固态天体表面（月球、火星、水星等）的大型撞击坑的形成机制。矿物的冲击变质特征是撞击作用的关键性证据，它是矿物在极端高温高压条件下的产物，包括矿物的变形、相变、分解和熔融。常见的造岩矿物包括石英、长石、橄榄石、辉石等都具有各自特征的冲击变质特征，是有效的撞击温压计。而常见的副矿物包括锆石、磷灰石和榍石等，除了典型的冲击变质特征外，还具有丰富的元素成分和年代学信息，对标定撞击过程和撞击历史具有重要意义。本项目充分利用岩芯钻孔样品，开展了系统的岩石学和矿物学的工作：对石英、长石、黑云母的冲击变质特征进行了全面的研究；另外，本项目重点对锆石、磷灰石等副矿物的冲击变质特征和元素年代学特征开展了深入研究：国际上首次在Chicxulub撞击坑发现了锆石的高压相莱氏石以及一系列的冲击变质特征（锆石双晶、颗粒化锆石、锆石分解、锆石局部熔融）；撞击锆石中Pb颗粒的聚集以及年代学重置，指示了撞击极端高温高压下，锆石中元素迁移和年代学变化的现象，为撞击年代学的研究提供了范例；颗粒化作用是矿物在高温条件下重结晶的产物，其形成机制与高压相以及矿物自身稳定性有着密切关系，除了颗粒化锆石和磷灰石的发现，颗粒化作用在其他矿物中也可能被广泛发现，其将会对撞击作用提供新的高温证据。本项目深入研究了钻孔岩芯样品，并将其作为研究范例，拓展性地开展了与撞击作用相关的地球、月球和火星等其他对象的研究。