月球上陨石坑里的陨石哪去了?

月球上有很多陨石坑,看那些图片上只有坑却没有陨石,陨石去哪了?
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碰巧看到这个问题,不是很同意高票 @风尘乱舞 的回答。这点放到最后再说,欢迎讨论。


先上结论:绝大部分月球上形成撞击坑的陨石都是熔融或气化(melted or vaporized)掉了。

要知道通常陨石撞击天体表面时候速度最起码有数十千米每秒,爆破效果比TNT都不知道猛多少倍,跟原子弹倒是能比一比……结果大部分陨石就是砸下来然后碎了?我只能说……你们对陨石的力量一无所知……


陨石撞击某个天体表面的过程主要分为三个阶段

1. 接触和压缩(Contact and compression)

高速撞到天体表面的陨石,首先会在接触面形成冲击波(shock wave)。


冲击波同时在陨石内部和天体表面向外传播,并剧烈压缩两者(等值线为压强,单位GPa)。


这一电光火石的过程非常快,直径20m的陨石完成这个过程也就1/1000s左右,直径20km的陨石也就只需要一秒钟(Melosh, 1989, 2011)。

什么概念呢?引起1400多人受伤的2013年俄罗斯车里雅宾斯克市小行星撞击事件那颗陨石只有不到20米,传说中灭绝了恐龙撞出了直径180km的希克蘇魯伯隕石坑的那颗陨石,也就直径10km而已。

陨石在这一过程中可以说是瞬间就被压缩为高压状态(下图中灰色扁扁的一小坨),压强通常能达到数百GPa,而这一压缩过程中产生的热量会使陨石迅速熔融或气化。当然接触面附近天体表面的物质也一样被熔融或气化了。


2. 挖掘(Excavation)

冲击波进一步挤压和“打开”撞击坑,同时把被挤压的天体表面物质高速溅出(ejecta)。撞击坑在这一过程中不断扩大,最终会产生一个过渡撞击坑(transient crater),直径可达到陨石原本直径的几十倍。这一过程还会伴随着天体表面附近岩石的冲积变质、破裂和撞击波引起的震动,但这些都是天体表面原本的岩石的变化,并不是陨石自身的变化。

在撞击坑扩大的过程中,原本被气化的陨石和天体自身的岩石一同被快速射出撞击坑,形成蒸汽热柱(vapor plume,不知道翻译成啥好orz),基本长这样:


(图:Meteorite Impact

这些物质可能飘散到大气里(会影响周围的大气),也可能再次落回来。如果撞击足够大的话,产生的vapor plume可能达到很高的速度(有时会超过该天体的逃逸速度并飞出天体),这种“撞击污染”可能在火星大气的早期历史中起过重要作用。


3. 重塑(Modification)

上一阶段产生的过渡撞击坑如果比较小,基本会维持原样,那就会形成最简单的碗状撞击坑,太大的话会因为重力而坍塌,那么撞击坑会进一步扩大,而撞击坑中间部分会回弹隆起,形成中央峰,然后中央峰又会不断坍塌,再加上外界的风化,大型撞击坑内部都会比较平坦。这个“大”和“小”的分界点随着不同天体的表面重力加速度大小而改变,地球表面重力加速度比较大,直径3-6km以上的撞击坑就可能会坍塌,而月球可以维持到15km左右。这个过程已经跟最初的陨石没什么关系了。

↓ 月球上的碗状撞击坑(直径2.5 km)和复杂撞击坑(直径102 km)



然后来说一下 @风尘乱舞 的回答,主要有两个方面我觉得有需要讨论之处。

1.


首先他肯定了会发生“融化和气化”的可能性,但这并不能解释为什么“大型陨石坑很难找到陨石体,而小型陨石坑常常能找到”

恰恰相反,越是大型陨石坑,冲击波强度越大,熔融气化得越快,越不可能碎掉。而是否熔融气化并不是陨石成分决定的,而是撞击速度决定的。这个阈值是12km/s,是绝大多数正常降落的陨石都能达到的速度。此外,产生的撞击坑越大(也就是陨石本身越大越快),熔融气化的部分也就越多(下图注意长度比例尺不一致)。


那么吉林一号陨石那些碎块又是怎么回事呢?恰恰是因为不够大,不够快,最主要的原因是地球大气层的保护,陨石经过大气层已经重量减少了很多,速度也已经被拖慢了,陨石越小,受到大气阻碍的效果越明显(7000kg以下的陨石通过大气层之后几乎失去了所有的速度,最后其实相当于只是以重力加速度从高空掉下来的大石头而已,9000 kg的陨石还能保留 6% 的初始速度,900000 kg的陨石可以保留70%的初始速度,更大的陨石几乎不受影响),而且和大气层摩擦加热之后还可能已经爆了几次碎了了几次,最后撞到地表的冲击力自然不可同日而语。吉林一号陨石最大的那块不过重1770kg,撞出的撞击坑直径才2米……跟我们日常看到的月球上几公里到几百公里的撞击坑完全不是一个尺度的,何况月球几乎没有大气层的保护。至于撞击模拟实验中的碎裂,也是因为实验环境下无法模拟出那么大那么重那么快的撞击体而已。当然如评论区提到的,和撞击角度也有关系,特别倾斜的撞击的话垂直方向的速度分量自然就小了,但除非特别倾斜撞,不然从最后形成的撞击坑形态上是识别不了,所以反推撞击角度很难。。。一般模拟时都是垂直撞,计算时是按45度入射角算。。。


2.


前面也已经说了,撞击坑形态是碗状还是平坦只是是与撞击坑大小和天体的表面重力加速度有关,平坦只是因为太大了塌了而已,并没有什么特殊的原因。确实大型高速陨石可能会击破壳层,撞出幔层物质(月球南极艾肯盆地就有这种可能),也有引起火山喷发的可能性,但并不是说大型撞击坑一定会直接在撞击的位置撞出了火山,而是撞击引起的地质活动容易引起其他地方(尤其是撞击坑位置对应的天体的反面, antipode)的火山,比如火星奥林匹斯区域的火山群的产生,就有可能是受隔了180°正对面的大型撞击盆地希腊盆地的影响(PS:目前为止这只是猜想)……所以火山喷发的岩浆覆盖了碎裂的陨石体这一说法我觉得并不适用于每个撞击坑甚至大型撞击坑……


(图:Viking: Mars -- Kids Encyclopedia

Reference

示意图全部改编自Melosh (2011) Chapter 6

Melosh, H. J. (1989). Impact cratering: A geologic process. Research supported by NASA. New York, Oxford University Press (Oxford Monographs on Geology and Geophysics, No. 11), 1989, 253 p., 1.

Melosh, H. J. (2011). Planetary surface processes (Vol. 13). Cambridge University Press.