Lo scenario di impatto descritto è per un dispositivo di simulazione di 21 km di diametro con una densità di 2630 kg m3 e una velocità di 12 km/s., È raffigurata l’evoluzione del cratere fino a 5 minuti dopo l’impatto. Sono mostrate le sezioni trasversali attraverso la simulazione numerica lungo il piano di traiettoria, con\ (x=0\) definito al centro del cratere (misurato al livello pre-impatto); la direzione di impatto è da destra a sinistra. I colori e le sfumature del materiale e delle particelle traccianti sono gli stessi della Fig. 2.

Nella nostra simulazione di impatto verticale (Fig., 3), la formazione del cratere è assialmente simmetrica e coerente con precedenti simulazioni numeriche bidimensionali (2D) che impiegavano una geometria assialmente simmetrica2,3, 17. La collisione dell’asteroide con la superficie bersaglio genera un’onda d’urto distaccata che si propaga simmetricamente dal sito dell’impatto. Nel primo minuto dopo l’impatto, un flusso di scavo avviato dall’onda d’urto produce una cavità profonda a forma di ciotola, spesso chiamata cratere transitorio., Il flusso di materiale deprime il confine crosta-mantello al di sotto del cratere transitorio, solleva la crosta nella parete del cratere transitorio ed espelle la porzione non vaporizzata della sequenza di rocce sedimentarie >di 3 km di spessore dal cratere transitorio come parte della cortina di ejecta (Fig. 3 e Film supplementare 1).

Il cratere transitorio è instabile e collassa drammaticamente per produrre un cratere finale molto più piatto e più ampio., Nella simulazione dell’impatto verticale, il collasso si manifesta come sollevamento del fondo del cratere e collasso verso il basso e verso l’interno del bordo del cratere transitorio e un collare circostante di rocce sedimentarie. Il sollevamento del pavimento inizia direttamente sotto il centro del cratere transitorio e procede verticalmente verso l’alto, superando la superficie pre-impatto per formare un grande sollevamento centrale. Allo stesso tempo, il collasso del cerchio avviene simmetricamente a tutti gli azimut, convergendo verso e aiutando a salire, il sollevamento centrale., Infine, l’innalzamento centrale surriscaldato delle rocce crostali collassa verso il basso e verso l’esterno, sovrastando il bordo del cratere transitorio collassato per formare un anello sollevato di basamento cristallino, sovrastante rocce sedimentarie collassate dall’esterno del cratere transitorio., Sebbene la risoluzione spaziale delle simulazioni numeriche sia insufficiente a risolvere la caratteristica topografia a picco acuto dell’anello interno osservata nei crateri extraterrestri ad anello di picco, siamo in grado di identificare la posizione e la struttura del materiale che forma l’anello di picco nelle simulazioni numeriche come un collare largo 10 km attorno al sollevamento centrale (Fig. 2). Questo modello di formazione del cratere peak-ring è supportato da dati geofisici20, 21 e recenti perforazioni geologiche17 a Chicxulub, oltre a dati di telerilevamento dal cratere Schrödinger peak-ring sulla Luna22.,

Gli impatti ad angoli progressivamente più bassi rispetto all’orizzontale provocano uno sviluppo sempre più asimmetrico del cratere, internamente (Fig. 2 e 3, Fig. 4; Filmati supplementari 2-4), mentre la planimetria del bacino di impatto finale rimane approssimativamente circolare (Tabella supplementare 1; Fig. 9). Quando l’angolo di impatto diminuisce, l’offset di downrange del centro del cratere dal punto di impatto aumenta; meno sollevamento del bordo del cratere transitorio si verifica nella direzione di uprange; e più sollevamento si verifica nella direzione di downrange (Fig. 2 e 3, Fig. 4)., Rispetto al centro del cratere finale, anche la parte più profonda del cratere transitorio (e del mantello depresso) si sposta con l’angolo di impatto decrescente, prima nella direzione di uprange (Fig. 2), poi di nuovo verso il centro (Fig. 4 e Fig. 3). Anche la fase di collasso della formazione del cratere è modificata dall’angolo di impatto. Il sollevamento del fondo del cratere durante il collasso del cratere inizia uprange del centro del cratere, ma ha una componente di downrange tale che l’asse centrale di sollevamento è inclinato downrange e il centro del sollevamento prima del suo collasso è downrange del centro del cratere (Figs., 2 e 3, Fig. 4; Film supplementari 2-4). Al contrario, il collasso verso il basso e verso l’esterno del sollevamento centrale si verifica preferenzialmente nella direzione uprange, con conseguente maggiore sovrasfruttamento del sollevamento centrale in cima al bordo del cratere transitorio nella direzione uprange. Il risultato netto dell’ascesa diretta verso il basso e della caduta diretta verso l’alto del sollevamento centrale è un anello di picco simulato con un centro geometrico solo modestamente sfalsato nella direzione di downrange (Fig. 4 e 5).

Gli offset del centro del sollevamento del mantello (quadrati) e del centro dell’anello di picco simulato (cerchi), rispetto al centro del cratere, sono mostrati in funzione dell’angolo di impatto rispetto all’orizzontale. Bande grigie indicano gli offset relativi approssimativi dei centri di picco-anello e mantello-sollevamento a Chicxulub, tenendo conto dell’incertezza nel diametro del cratere e nelle posizioni delle diverse caratteristiche (vedi Fig. 1).,

Le simulazioni di impatto mostrate nelle Figg. 2 e 3 utilizzano una velocità di impatto di 12 km/s, solo leggermente più grande rispetto alla minima velocità possibile—Terra della velocità di fuga di 11,2 km/s. Mentre questi risultati sono suscettibili di essere rappresentante del ~25% di tutti gli impatti che si verificano ad una velocità inferiore a 15 km/s, abbiamo anche condotto un’altra serie di simulazioni con il suo più probabile impatto di velocità di 20 km/s (vicino alla Terra, media e mediana asteroide speed23) per esaminare la sensibilità dei risultati per urto di velocità., Gli impatti a velocità più elevata hanno prodotto offset simili nel centro di sollevamento del mantello e nel centro dell’anello di picco simulato (confronta Figs. 2 e 3 con fichi supplementari. 6 e 7), e le stesse tendenze in offset con angolo di impatto (Fig. 5).

Una conseguenza importante di una maggiore velocità di impatto è una maggiore produzione di fusione causata da pressioni d’urto più elevate vicino al sito di impatto (ad esempio, confrontare Fig. 2a e Fig. 6 bis)., Il volume di fusione più grande complica l’interpretazione della struttura dell’anello di picco nelle simulazioni a 20 km/s in quanto la dinamica del fuso non dovrebbe essere ben catturata, data la risoluzione spaziale di 500 m delle simulazioni 3D, e probabilmente continuerà molto tempo dopo la fine della simulazione. Tuttavia, la distribuzione laterale del materiale fuso rispetto al materiale dell’anello di picco alla fine delle simulazioni (Fig., 8 e 10) suggerisce che al di sotto di un angolo di impatto di \(4{5}^{\circ }\) c’è un’alta concentrazione (foglio spesso) di fusione superficiale nel quadrante downrange del cratere, che rischia di ostacolare o impedire la formazione di un anello di picco topografico a questi azimut. I nostri risultati supportano quindi l’idea che le planimetrie dell’anello di picco a forma di scarpa da cavallo siano indicative di impatti ad angolo basso, con il divario nella diagnostica dell’anello di picco della direzione di downrange 24.,

Confronto con le osservazioni

L’asimmetria nello sviluppo del cratere produce differenze nella struttura del cratere centrale nelle direzioni uprange e downrange. Mentre il centro del simulato picco anello sembra essere costantemente offset traiettoria del cratere centro di ~5% del cratere del diametro di tre obliquo impatti, il centro del mantello di sollevamento è compensato uprange del cratere di centro \(6{0}^{\circ }\) impatto e, in misura minore, il \(4{5}^{\circ }\) impatto; è compensato traiettoria in \(3{0}^{\circ }\) impatto (Fig. 5)., Questo modello di offset mantello-uplift rispetto al bordo finale del cratere è una conseguenza del corrispondente cambiamento nell’offset della parte più profonda del cratere transitorio rispetto al centro del cratere finale. Le osservazioni geofisiche a Chicxulub suggeriscono che i centri di picco-anello e mantello-sollevamento sono sfalsati in direzioni diverse, approssimativamente opposte rispetto al centro del cratere (Fig. 1). Incertezza nelle posizioni precise dei centri del cratere, dell’anello di picco e del sollevamento del mantello (Fig., 1), così come l’incertezza nel diametro del cratere25, contribuiscono a un’incertezza approssimativa del 26% e del 48% per l’offset relativo dell’anello di picco e del sollevamento del mantello, rispettivamente (bande grigie in Fig. 5). Il confronto di queste osservazioni con i nostri risultati di simulazione suggerisce che la configurazione osservata è più simile alle simulazioni di impatto \(6{0}^{\circ}\) (o forse la simulazione di impatto \(4{5}^{\circ }\) a 20 km/s; Fig. 5).

Osserviamo anche un cambiamento sistematico nella differenza di up/downrange nella struttura del sottosuolo degli anelli di picco simulati con angolo di impatto (Fig. 4)., Simile alla situazione in un impatto verticale, a \(6{0}^{\circ}\) l’anello di picco simulato è formato da rocce crostali granitiche sovrastate dal sollevamento centrale sopra rocce sedimentarie crollate dalla parete del cratere transitorio, in tutte le direzioni. Tuttavia, le rocce sedimentarie sono più profonde e si estendono più lontano sotto l’anello di picco simulato nella direzione uprange rispetto alla direzione downrange (Fig. 4)., A \(4{5}^{\circ}\) e \(3{0}^{\circ }\) questa differenza è più pronunciata: sul lato a valle del cratere, le rocce sedimentarie collassate verso l’interno non si estendono sotto l’anello di picco simulato (Fig. 4) a causa di un aumento transitorio del bordo del cratere in questa direzione. Questa configurazione di downrange è incoerente con le interpretazioni geofisiche a Chicxulub,che suggeriscono che i blocchi di crollo sedimentario si trovano sotto la porzione esterna dell’anello di picco a tutti gli azimut offshore12, 25., Tuttavia, le asimmetrie pre-impatto nello spessore del sedimento e nella profondità dell’acqua, in particolare nella parte nord-orientale del cratere (e potenzialmente nella crosta), possono anche influenzare la struttura al di sotto dell’anello di peak3.

Un indicatore proposto di impatto ad angolo basso è il troncamento dell’anello di picco nella direzione downrange 24. Le nostre simulazioni numeriche alle tipiche velocità di impatto terrestre (20 km / s) sono coerenti con la produzione di un gap nell’anello di picco nella direzione di discesa per angoli di impatto inferiori a 45° (Fig. 8 e 10)., Tuttavia, una lacuna prominente nell’anello di picco di Chicxulub che potrebbe indicare un impatto ad angolo basso non è supportata dai dati geofisici. L’espressione topografica dell’anello di picco è chiaramente risolta in tutte le linee di riflessione sismica radiale attraverso la porzione offshore del cratere28 ed è particolarmente prominente nella linea di riflessione sismica nord-occidentale Chicx-B28, la direzione di downrange secondo l’ipotesi di impatto ad angolo superficiale proposta da Schultz e d’Hondt8., Mentre la parte onshore del cratere non è stata sismicamente immaginata, l’anomalia anulare di gravità negativa che ha dimostrato di correlare con la posizione dell’anello di picco al largo è ben pronunciata e continua in questa regione, senza interruzioni che potrebbero indicare un’abbondanza di fusione o cambiamento nel carattere dell’anello di picco. La continuità della firma geofisica dell’anello di picco supporta quindi anche una traiettoria d’impatto più inclinata.,

In sintesi, le nostre simulazioni numeriche di impatti obliqui in scala Chicxulub sembrano essere più coerenti con la struttura interna del cratere Chicxulub per un angolo di impatto fortemente inclinato di 45-60° rispetto all’orizzontale. Se le asimmetrie osservate nel sollevamento di Moho, nel sollevamento centrale e nell’anello di picco della struttura di impatto di Chicxulub sono attribuibili alla traiettoria d’impatto, la direzione implicita dell’impatto è da nord-est a sud-ovest. Questa è la direzione opposta a quella proposta da Hildebrand et al.11 basato sull’offset del sollevamento centrale rispetto al centro del cratere., I nostri risultati indicano che il sollevamento del fondo del cratere avviene in una direzione verso il basso piuttosto che verso l’alto, in linea con le simulazioni numeriche della formazione di crateri complessi19 e l’interpretazione geologica di sollevamenti strutturali erosi a crateri complessi terrestri9,29.

Le analisi dei crateri venusiani non hanno mostrato un chiaro legame tra le asimmetrie nelle caratteristiche del cratere centrale e la direzione di impatto., È stata osservata una leggera tendenza a spostare il centro dell’anello di picco nella direzione di discesa, ma i risultati sono stati inconcludenti, in parte a causa del numero relativamente piccolo di crateri utilizzati nello studio30. La grandezza dell’offset (0,03–0,07 D) è, tuttavia, coerente con i nostri risultati di simulazione numerica. Al contrario, non vi è alcuna correlazione tra la direzione della traiettoria d’impatto e l’offset dal centro del cratere dei picchi centrali in piccoli crateri complessi31., Mentre non abbiamo simulato la formazione di picchi centrali in questo lavoro, i nostri risultati forniscono una possibile spiegazione per l’assenza di correlazione. Ad angoli ripidi, il sollevamento del fondo del cratere inizia a salire del centro del cratere,mentre ad angoli poco profondi il sollevamento inizia a scendere. Se i picchi centrali rappresentano elevazioni centrali congelate, gli offset in direzione uprange o downrange potrebbero quindi essere previsti ad angoli moderatamente obliqui 30–\(6{0}^{\circ }\).,

Implicazioni di un impatto Chicxulub fortemente inclinato

Gli impatti che si verificano con un angolo di incidenza ripido sono più efficienti nello scavo di materiale e nell’apertura di una grande cavità nella crosta rispetto agli impatti di incidenza superficiali5,19. Il nostro angolo di impatto preferito di ca. 60° è vicino allo scenario verticale più efficiente, il che suggerisce che le stime precedenti dell’energia cinetica del dispositivo di simulazione basate su simulazioni di impatto verticale 2D ad alta risoluzione2, 17 non devono essere riviste drasticamente in base all’angolo di impatto.,

Gli impatti fortemente inclinati favoriscono una distribuzione più simmetrica del materiale espulso dal cratere tra eietto prossimale e distale5. L’asimmetria nella distribuzione degli ejecta è stata originariamente utilizzata da Schultz e d’Hondt8 come argomento per un angolo di impatto superficiale verso nord-ovest. Ciò si basava sull’osservazione che sia la dimensione delle particelle che lo spessore dello strato erano relativamente grandi nei siti K–Pg nordamericani., Il lavoro successivo ha dimostrato che il numero e la dimensione dei grani di quarzo scioccati presenti nello strato di ejecta globale diminuisce con la distanza da Chicxulub ed è indipendente da azimuth32,33,34. Inoltre, il doppio strato di 1-3 cm di spessore in Nord America è anche osservato a sud e sud-est di Chicxulub in Colombia35 e il Demerara Rise36 a paleodistanze equivalenti da Chicxulub. Lo strato limite globale K–Pg ha quindi una distribuzione ejecta più o meno simmetrica, coerente con il nostro angolo di impatto ripido preferito.,

L’angolo di impatto ha un’influenza importante sulla massa di rocce bersaglio sedimentarie vaporizzate dall’impatto di Chicxulub37. Recenti simulazioni numeriche complementari della produzione di vapore da impatto in impatti obliqui utilizzando il codice SOVA shock physics hanno mostrato che un angolo di traiettoria di 30-60° costituisce lo scenario peggiore per l’espulsione ad alta velocità di CO2 e zolfo da parte dell’impatto Chicxulub37., A questo intervallo di angoli di impatto, la massa espulsa di CO2 è un fattore da due a tre volte maggiore rispetto a un impatto verticale e circa un ordine di grandezza maggiore di un angolo molto superficiale(\(1{5}^{\circ}\)) scenario37. L’assenza di evaporiti nel nucleo di perforazione IODP-ICDP Expedition 364 è coerente con la vaporizzazione altamente efficiente delle rocce sedimentarie a Chicxulub27., Le nostre simulazioni suggeriscono quindi che l’impatto di Chicxulub ha prodotto una distribuzione quasi simmetrica degli ejecta ed è stato tra gli scenari peggiori per la letalità dell’impatto da parte della produzione di gas che cambiano il clima.