内蒙古海拉尔发现陨石坑及科研意义

肖荣阁 杨 帆 李 娜 屈云燕

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京，10083

内蒙古海拉尔发现陨石坑及科研意义

肖荣阁*杨 帆 李 娜 屈云燕

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京，10083

陨石撞击构造研究是天文地质学研究的热点，但是缺乏典型的研究基地，海拉尔陨石坑的发现，无疑是一个重要补充。海拉尔陨石坑坑区基础岩石为晚侏罗世火山岩，区域自然地理为平缓丘陵山地草原，陨石坑呈封闭圆形，中间筒状突起显示冲击锥地貌，直径320m，坑底到坑缘最大高差10m。为了保护性研究，没有进行进行破坏性取样分析撞击岩石矿物，根据排他比较分析法，认为该坑唯有陨石撞击成因可以解释，并且具有最关键的冲击锥地貌特征。这是一个我国唯一保存完整的可供直观参观的陨石坑，估计该陨石坑年龄应该在100万年以上。

陨石坑 冲击锥 海拉尔 沉积相

陨石及陨石坑是天文学研究中最现实直观的地质现象，也是现代科技时代人们最热衷的自然科学景观现象。研究陨石及陨石坑的主要意义在于：探讨撞击构造及撞击周期涉及行星撞击对地球形成演化的影响，涉及到对地磁场及自转地轴变化的影响，涉及到地球内动力变化及大地构造演化；撞击作用及撞击构造可以形成一系列的经济矿产，如金刚石、多金属矿产及有机沉积矿产，蒸发沉积矿产等；陨石撞击会引发全球性毁灭性灾害，地球生物周期性灭绝大部分与陨石撞击有关，因此陨石撞击研究涉及自然灾害预防，是近代和未来科学研究的热点。陨石撞击构造尤其是陨石坑是重要的旅游景观和科学研究教育基地。

1 陨石撞击构造标志

1.1 陨石坑形态

环形盆地，与一般半环形冰斗地貌不同，陨石坑一般呈封闭环形盆地构造，环形构造边缘呈环形山地，由于撞击反射冲击波作用导致地层环形外倾扬起和松散堆积物组成环形山地，内陡外缓，如美国亚利桑那州（Arizona）温格勒（Winslow）陨石坑（照片1）。撞击瞬间的飞溅物质形成散射流堆积成环形山地（照片2），撞击后的缓冲期间内坡物质发生滑动形成放射状沟纹沟谷，如辽宁岫岩陨石坑（照片3）。

照片1 巴林格坑（Barringer） 美国亚利桑那州（Arizona）温斯洛镇（Winslow）附近的巴林格坑（Barringer），也称流星坑（Meteor），是地球上被确认的第120个陨石坑，陨石坑直径1250m，深175m，这是在5万年前被一个直径约30到50m的铁质陨石以时速约12km/s撞击所形成，引自 http://mm.uua.cn/meteorite/show-14-1.html

照片2 2009年10月26日拉脱维亚发现直径15m的疑似陨石坑，边缘环形溅积物堆积成山。（http://www.rednet.cn）

照片3 辽宁岫岩陨石坑，呈碗状形态，直径约1800m，深150m，坑缘北部（照片左上方）和东部（照片右上方）展示弧形坡地和放射状沟谷地貌（据陈鸣，2007）

照片4 火星巴库洛尔（Bacolor）陨石坑，直径20km，美国宇航局“火星奥德赛”探测器上的热辐射成像系统（THEMIS）在2002年到2005年间拍摄的照片合成图像

陨石坑直径大小不一，目前发现确定的南非20亿年前形成的弗里德堡陨石坑，直径大约300km，加拿大18亿年前形成的萨德伯里陨石坑直径大约为250km，墨西哥6500万年前形成的希克苏鲁伯（Chicxulub）陨石坑直径170km，该撞击事件导致地球恐龙灭绝。爱沙尼亚西海岸波罗的海萨列马岛九个分裂撞击陨石坑，其中最大的卡利（Kaali）陨石坑，直径大约为100m。在埃及西南利比亚沙漠吉尔夫克比尔地区，由上百个陨石坑组成的陨石坑区，陨石坑大小不一，直径20～1000m不等，其中最深的陨石坑达到了80m。陨石坑大小与陨石撞击能量有关，即与陨石质量及体积大小有关。

一般按成分划分陨石大致可分陨石、陨铁、陨铁石3大类，陨石主要成分是硅酸盐矿物，平均密度在3～3.5 g/cm3间；陨铁主要成分是铁、镍金属，密度为7.5～8.0g/cm3；陨铁石成分介于两者之间，密度在5.5～6.0 g/cm3间。因此铁质陨石撞击能量至少是一般陨石的2～3倍，铁陨石撞击形成的坑径/陨径比值明显大于陨石撞击形成的坑径/陨径比值，例如亚利桑那流星坑是铁质陨石撞击形成，坑径/陨径为1250m/40m约为31；而海南白沙陨石坑是石陨石撞击形成，坑径/陨径3700m/380m约为10。

对于一个陨石坑估算撞击陨石体积可以在附近寻找散射陨石碎块，从而研究陨石类型，而直观的方法是测量陨石坑内筒状冲击锥大小，筒状冲击锥是陨石直接撞击形成的，一般内径比陨石稍大（照片1）。

冲击锥地貌，在环形构造中央撞击中心形成中央隆起锥形突起，是由于陨石冲击产生的强烈冲击波造成的碎裂岩块反弹堆积形成圆锥形地貌，中央冲击锥有筒状和尖峰状形态，如岫岩陨石坑冲击锥呈现明显的中央隆起地貌形态（照片3），火星巴库洛尔（Bacolor）陨石坑冲击锥呈尖峰状（照片4），亚利桑那州流星坑冲击锥残留筒状形态（照片1）。

1.2 高温高压岩石矿物

陨石撞击瞬间形成高温高压条件，受到陨石撞击的石英形成高压多形变体，如柯石英、斯石英等和焦石英等【1,2】。柯石英是典型的陨石撞击形成的高温高压变质矿物，是超高压变质作用下形成的石英变体，是SiO2各同质多象结构矿物中一种最紧密的变体，密度（2.92g/cm3）远大于石英（2.65g/cm3），通常呈小于5μm的微粒状产出。如果温压降低或其他原因，柯石英易转变为石英，在转变中因密度降低而膨胀，使寄主矿物形成放射状胀裂纹（照片5）。

照片5 中心柯石英晶粒转变为石英体积膨胀，在寄主矿物中形成放射状裂纹（向缉熙等，2008）

1953年L.Jr.科斯在压力3.5GPa，500～800℃条件下从SiO2熔融体人工合成柯石英，形成最低压力1.9GPa。1960年赵景德首次在美国阿利桑那陨石坑的石英砂岩中发现柯石英，其后柯石英作为冲击变质作用的典型矿物，在世界各地的许多陨石坑中都有发现，以柯石英形成压力估计陨石撞击的冲击压力至少在2万个大气压以上，同时在70km以下的下地壳深部超高压变质岩及榴辉岩中也可以形成柯石英【3,4】。

金刚石是一种由纯碳组成的矿物，碳的同素异形体，是高温（900～1300℃）高压（4.5～6.0GPa）矿物，因此在含碳岩石受到大型陨星撞击可能达到金刚石形成的高温高压条件，形成金刚石。向缉熙等【5】认为大别山榴辉岩中先后发现柯石英、金刚石等超高压变质矿物都是陨石撞击形成的。

1.3 高温高压构造

环形构造下部岩石受到撞击时发生高温熔化后残留下的在岩石表面由冲击波形成的冲击纹、震裂锥构造，而且陨石的冲击波会导致残留矿物晶体结构变化【1,2】。石英晶体具有较高硬度，无解理，自然环境下具有相对稳定等物理和化学性质，但是当冲击压力大于5GPa，石英晶体会出现各种冲击效应，形成镶嵌状结构、面状裂隙、面状变形页理、冲击纹构造及击变玻璃（照片6）。

照片6 辽宁岫岩陨石坑的撞击角砾岩基质中石英晶屑发育的冲击纹（变形页理）构造（正交偏光）（陈鸣，2011）

震裂锥构造是锥状岩石碎块组成的构造形式，锥面具有放射状条纹为特征，锥形体轴部垂直于地层（照片7），锥顶指向地层顶板，向下散射，表示来自顶部撞击形成，震裂锥顶即是陨石坑的底。

照片7 加拿大萨德伯里震裂锥（李楚思提供）

1.4 击变岩-击熔角砾岩

到目前为止还没见到陨石坑岩相学的系统研究资料，而对于高温高压矿物及岩石结构研究较多，因此对撞击岩石也没有统一的分类命名。我们初步把陨石撞击形成的岩石分为四类，分别对应于不同的沉积位置形成溅积相、震积相、冲击相和击熔相等四个陨石撞击相带。

溅积相带，主要坑缘环形山地飞溅起松散碎屑沉积带；震积相带，位于坑缘环形山地和冲击锥之间的环形洼地，其沉积物以震裂碎石沉积为主；冲击相带，主要分布在陨石坑中部冲击锥部分，由撞击反弹应力释放形成的膨胀体；击熔相带，陨石坑底部击熔角砾岩带和击熔变质岩，由撞击熔浆胶结震裂角砾岩形成，该相带含有大量高温高压变质矿物和变质构造，是鉴别陨石坑的重要岩相。

在击熔带，受撞击岩石发生变质形成含高温高压变质矿物的岩石，击碎震裂碎石被击熔岩浆胶结形成特征击熔角砾岩（照片8），岩石中存在特征的高温高压矿物和特征结构构造。

照片8 萨德伯里击熔角砾岩（李楚思提供）

一般陨星撞击成坑过程中，撞击前锋坑底温度最高，坑底物质全成为撞击熔融岩浆，先回落的角砾被同熔或部分熔融，在继续回落的角砾岩上覆重压作用下使之拉长呈条带，致形成似层状、条带状击熔角砾岩。根据大别山撞击岩的研究，击熔角砾岩中见到带棱角的角砾及呈弯月状、葫芦状等形状的撞击熔融体【5,6】，反映出陨星撞击形成的超高温高压恢复到常温常压是在瞬间完成，矿物不能完成均衡调整，所以形成不平衡的角砾与熔融体迅速冷凝玻璃共存。

1.5 土壤及岩石化学异常

陨石碎裂散射物会污染土壤，导致环形构造内的土壤成分变化，其污染成分与陨石化学成分有关，如白垩纪陨石撞击事件导致全球上百处白垩纪与新生代界面黏土层中铱（Ir）异常富集，铱含量比上部和下部地层的铱平均含量高数倍到数十倍，这是由于陨石铱含量0.65×10-6含量高于地壳0.001×10-6数百倍，陨石撞击导致地壳沉积物铱增高。

根据海南白沙陨石坑的岩石化学分析资料【7】，受撞击形成击熔岩的化学成分有一定变化。陨石坑原岩为白垩系紫色砂岩，陨石撞击形成击熔岩，成分K2O增加，Na2O、P2O5、TiO2含量减少，并且由原岩的K2O/Na2O＜1，Fe2O3/FeO＞1变为击熔岩的K2O/Na2O＞1，Fe2O3/FeO＜1，这表示撞击作用是瞬间的缺氧还原和熔融反应，岩石熔融后受到陨石Na2O、K2O的混合发生改变（表1）。

击熔岩中微量元素中Ba/Sr、Cr/Ni、Ni/Co比值较原岩和降落陨石均低，但是Rb/Sr比值较原岩降低，较降落陨石高（表2），这主要与元素地球化学不相容性有关，可以看出元素不相容性顺序为Sr＞Rb＞Ba，Co＞Ni＞Cr，不相容性元素优先熔融进入击熔岩中。变化类似，对于岩石中稀土元素的变化，也是不相容性轻稀土优先熔融进入击熔岩中，使得击熔岩的轻重稀土比值明显增大，稀土配分曲线斜率增加。

表1 海南白沙陨石坑击熔岩岩石化学成分表（%）Table 1 Rock chemical composition of strike lava in Baisha meteorite crater of Hainan （%）

表2 击熔岩特征微量元素比值表Table 2 Ratios of characteristic trace element of strike lava

2 中国陨石坑研究

我国早在夏禹时代就注意了流星陨石的观察记录，1880年前后降落于新疆青河县银牛沟的新疆陨铁及1976年的吉林陨石更是闻名世界的陨石物质。

中国自20世纪80年代遥感技术应用以来，发现了一些环形构造影像，经过系统研究确认的陨石坑有辽宁岫岩罗圈陨石坑、海南白沙陨石坑，并且在疑似陨石坑的环形构造区开展研究，如多伦、太湖、大别山东麓等环形构造区的研究。

辽宁岫岩罗圈沟陨石坑是在1982年发现，为直径约1800m的碗形坑，坑底到坑缘环形山顶高差150m，陨石坑边缘显示弧形坡地和放射状沟谷。坑区基岩为古元古界变质岩，由变粒岩、片麻岩、角闪岩、透闪岩和大理岩等岩石组成，坑缘山地大部分地区被厚度达数米的风化层、残积和坡积物覆盖，仅局部有变形基岩出露;坑底部覆盖107m富含有机质厚的第四系湖沼相沉积物，下覆厚153m的松散角砾状岩石碎屑及35m的撞击角砾岩堆积【8，9】，坑中部隆起为居民村镇，整个坑区被小灌木和庄稼等植被所覆盖（照片3）。

海南白沙陨石坑【7】，1992年发现，直径3700m的坑区基岩为白垩系紫红色砂岩，陨坑内海拔380m以上的山顶普遍保存有砾径数十厘米大小不等的堆积角砾岩。角砾之下是未经位移的冲击角砾岩，包括灰白色冲击变质角砾岩和轻度变质的浅紫色角砾岩。陨坑边有典型的环形山，是堆积在紫红色砂岩底盘之上的灰白色冲击变质岩巨砾组成的典型溅射覆盖层，一般垂直厚度可达多米。除陨坑南缘，坑缘溅射层均保存较好，其中夹有典型的玻陨石雷公墨和冲击玻璃等。陨坑残存陨石块，为具球粒结构的橄榄石、辉石球粒陨石。根据对海南雷公墨的裂变径迹测年资料和产雷公墨沉积物年龄分析，陨石坑年龄为70万年左右。

大别山东麓潭庐断裂边缘大坝坑发现含金刚石和柯世英的超高压、超高温变质岩限于环形区内分布，认为是陨石撞击成因，陨石撞击坑呈椭圆形，NE长19km，SW宽12km【5】。太湖环形湖区景观，湖中一些岛屿中晚泥盆世五通组石英岩的石英晶粒中广泛发育了微裂隙、变形纹、冲击变质石英与震裂锥构造都变现了存在陨石撞击作用【10~12】。

具有环形地貌景象的内蒙古多伦中生代火山岩盆地极具有陨石坑的地貌特征【13，14】，但是至今还没有找到陨石撞击岩石矿物证据。

内蒙古海拉尔陨石坑是我们在野外矿产调查期间发现的一个陨石撞击地貌保存完整的小型陨石坑，该陨石坑的发现对研究陨石撞击地貌具有重要科研意义，对呼伦贝尔地区旅游开发增加了一处重要地质景观。

3 海拉尔陨石坑区域自然地理

海拉尔陨石坑行政区属于呼伦贝尔盟海拉尔市与满洲里市之间，区域自然地理为平缓丘陵山地草原，2000m半径区域内地貌高差50m，季节性水流沿低洼地汇聚，没有明显冲刷切割。

陨石坑区域构造位于华北古陆北缘兴安地槽褶皱系海拉尔坳陷，北西部以北东向额尔古纳-呼伦深大断裂为界，与西伯利亚古陆碰撞接触。海拉尔坳陷是在海西褶皱基底之上于晚侏罗世和早白垩世大幅度坳陷而成，区域主体构造格局为北北东向断裂控制构成北北东向三凹、二凸的隆、坳相间的构造格局，陨石坑位于北部凹陷区（图1）。

区域自然地理为平缓丘陵山地草原，2000m半径区域内地貌高差50m，季节性水流沿低洼地汇聚，没有明显冲刷切割，地貌草原植被覆盖。区域凹陷基底地层为古太古界、震旦系、下古生界奥陶系，凹陷沉积层为中生界侏罗系和新生界第四系。

图1 海拉尔陨石坑区域构造位置图Fig. 1 The regional tectonic locations of Hailar meteorite crater

中上侏罗统塔木兰沟组（J2-3tm）主要为钙碱性-碱性粗安岩及中基性凝灰质碎屑岩，玛尼吐组（J2-3mn）灰绿色及紫褐色中性火山岩、火山碎屑岩夹少量沉积岩。

坑区内大面积被第四系残坡积沉积覆盖，草原植被茂盛。遥感卫星照片像显示一些环形影像，环形构造主要为斑岩体、岩株热源体引起的环形隆起影像，岩石蚀变明显，未见明显的火山机构。

4 陨石坑鉴定

4.1 地貌特征

海拉尔陨石坑立体卫星图像显示内部筒状突起的封闭环形影像，位于一个南高北低的平缓坡地，陨石坑海拔604m，南部2km范围高地最高653m。陨石坑边缘圆形隆起，南北外径316.36m，东西323.15m，内突筒状环直径88.18m（照片9），现坑底到坑缘最大高差10m（照片10）。坑底、坑缘形成与周边和谐的自然地理景观，全部牧草植被覆盖。

照片9 陨石坑内部筒状突起的环形图像，卫星影像节选

照片10 陨石坑形态地貌近照

4.2 可能的成因分析

该坑是否为陨石撞击坑还需要进一步验证，但是对于这样一个到目前在我国发现唯一保存完整的可以直接参观的陨石坑，要进行工程揭露采样验证无疑是破坏性验证，是个极大的损失，我们对其与世界一些陨石坑进行非破坏比较分析，可以确定唯有陨石坑可以解释该地貌特征。

自然界能够形成环形坑地貌景观的可以有火山口、冰斗、天坑及陨石坑等四种可能：

火山口一般分布于火山岩带，保存完整的火山口一般是新生代火山口，中生代及其以前的火山口大部分被剥蚀残留火山机构相的火山岩，在地貌上一般显示不明显。本坑区分布岩性主要是侏罗系火山岩和花岗岩，至今没有发现确切的火山机构相岩相，也没有新生代火山岩，因此不具备保存完整火山口的条件。

冰斗一般分布地貌高差很大的高原山地，多呈半环形不规则状，常与冰舌、角峰地貌共生，本坑区肯定经历了第四纪冰川作用，但是该区地貌高差不具备形成冰斗的条件，并且该坑地貌与冰斗地貌明显不同。

天坑一般在碳酸盐岩广泛分布的温暖潮湿的喀斯特岩溶区分布，是岩溶塌陷的结果，本坑区没有形成岩溶的基础和自然地理条件。

逐一分析其他地质作用成坑的可能性，都不足以形成如此坑，而更重要的是该坑具备陨石坑最关键的冲击锥地貌特征。该坑中间筒状突起应该属于陨石坑的冲击锥，是由于陨石冲击产生的强烈冲击波造成的碎裂岩块反弹堆积形成圆锥形地貌，坑区全景地貌与印度湿婆陨石坑3D全景地貌模拟极其相似（图2），因此我们有理由界定这是一个我国唯一保存完整的陨石坑。坑底坑缘形成与周边和谐的自然地理景观，全部牧草植被覆盖，根据第四系覆盖层土壤厚度100cm左右，该陨石坑年龄应该在100万年以上。

图2 印度湿婆陨石坑3D全景图（http://www.rednet.cn）Fig. 2 The 3D panorama of India shiva meteorite crater

5 结论

海拉尔陨石坑是目前中国境内发现的规模最小，地貌特征保存最完整，也最具有直观观察效果的陨石坑，具有重要的科研价值。但是要最后确定它是陨石坑还需要系统的科研验证，这需要对其进行破坏性研究，比如物探、钻探、开槽取样等揭露性工作，这对于这个仅有的无价之宝将是灾难性的，所以自2007年发现以来我们就提出了该区3km范围内不做任何工程的建议。

尽管我们认为这是一个陨石坑，还缺乏一些关键的资料证据，如撞击形成的高温高压矿物岩石及撞击构造等，但我们宁愿它是一个永远的假说，也不要进行详细验证，作为一个旅游观赏资源也许会远胜于科研价值，留给天文爱好者、地质旅游爱好者一个讨论争论的机会，也许更有意义。这是大自然送给我们的瑰宝，我们有义务把它保存好，我们将建议建立陨石坑自然保护区加以保护！

以内突筒状环直径与外坑直径比例推测，撞击陨石应该为球粒陨石，陨石直径接近30m。根据第四系覆盖层土壤厚度100～200cm左右及牧草植被发育特征分析，该陨石坑年龄应该在100万年以上。

致谢：我们野外工作期间在呼伦贝尔盛世矿业投资有限公司李向斌、杨道季引导下发现这一陨石坑，并由盛世矿业投资有限公司采取了保护措施；本文收集查阅资料得益于现代互联网技术和Google Earth软件，从其中下载了直观的图像资料，在此表示感谢！

1 白志达，顾德林，徐德斌，等．内蒙古多伦环形影像的成因探讨[J]．中国地质，2003，30（3），261～267

2 陈鸣．岫岩陨石坑:撞击起源的证据[J]．科学通报，2007，52（23），2777～2780

3 陈鸣．岫岩陨石坑石英的冲击变质特征[J]．矿物学报，2011，31（2），161～165

4 丁晓申，杨晓华，刘艳斌，等．超高压变质岩中天然柯石英的退变显微结构分析[J]．电子显微学报，2005，24（4），332

5 傅成义. 太湖三山岛击变岩的发现及其意义[J]. 地理学报，1990，（2）：253～256

6 何永年，徐道一，陆德复，等. 太湖地区石英晶粒的冲击变形特征 太湖成因初探[J]. 科学通报，1990，35：1163～1166

7 王尔康，万玉秋，施央申，等. 太湖泽山岛冲击变质石英的发现和意义[J]. 科学通报，1990，38：1875～1878

8 王尔康，朱政，张海样，等．太湖旅山岛发现震裂锥[J]．科学通报，1993，38（24）：2265～2268

9 王秀娟. 海南白沙陨坑冲击变质岩岩石：地球化学特征初步研究[J]. 中国地质，1994，（6）：21～23.

10 吴思本.多伦陨石坑的研究进展[J].中国地质，1996，（8）:14—16

11 向缉熙，许林根，向钒，等．中国大别山东南缘首次发现大坝陨坑构造[J]．中国地质，2008，35（5），869～878

12 Chopin C.Coesite and pyrope in high-grade blueschists of the Western Alps:A first record and some consequences[J]. Contribution to Mineralogy and Petrology，1984，86：107～118

13 Engelhardt W V，Bertsch W.Shock-induced planar deformation structures in quartz from the Ries crater，Germany[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology，1969，20：203～234

14 Stoffler D，Langenhorst F.Shock metamorphism of quartz in nature and experiment: I. Basic observation and theory[J]. Meteoritics and Planetary Science，1994，29：155～181

THE HAILAR METEORITE CRATER AND ITS SCIENTIFIC SIGNIFICANCE

Xiao Rongge Yang Fan Li Na Qu Yunyan
China University of Geosciences（Beijing），Beijing，10083，China

The research on Meteorite impact structure is a hot spot of astrogeology. For lacking of typical research bases，the Hailar meteorite crater is undoubtedly an important complement. Late Jurassic volcanic rocks compose the foundation rocks in the pit and gentle hills and mountain steppes constitute the natural geographic landforms of the area. The crater is a closed circle with the diameter of 320m and the highest height difference is 10m.Besides，alluvial cone can be seen from tubbiness protuberance in the center. As a protective research，no sampling analysis is conducted. According to the exclusive and comparative analysis，only the meteorite impact can explain the formation of the pit，which has a most critical geomorphology—the alluvial cone. The meteorite crater，estimated to be more than 100 million years，is the only one which is preserved intact and available for a visual visit in our country.

meteorite crater，alluvial cone，Hailar，sedimentary facies

P317.3

A

1006–5296（2012）02–0095–08

* 第一作者简介：肖荣阁（1949～），男，矿床学与矿床地球化学专业，教授，博士生导师

2012-04-01；改回日期：2012-04-23