Геологи изучают планеты

Метеоритная бомбардировка планет

На снимках Марса, Меркурия, Луны и других небесных тел отчетливо видны многочисленные кольцевые образования — кратеры различных диаметров. Какого же они происхождения? В настоящее время большинство исследователей связывают эти структуры с метеоритной бомбардировкой. И действительно, чем, кроме метеоритной бомбардировки, можно объяснить происхождение кратеров — астроблем на спутниках Марса Фобосе и Деймосе. Ведь это — угловатые глыбы размером в первые десятки километров, для которых нельзя допустить процессов вулканизма.

Для Луны, Меркурия и Марса метеоритная бомбардировка очевидна. Кратеры — наиболее распространенная форма рельефа. Они составляют непрерывный по размерам ряд от микроструктур до гигантских бассейнов, имеющих тысячи километров в поперечнике. На безатмосферных небесных телах (Меркурий, Луна, Фобос, Деймос и др.) метеоритные кратеры сохранились в прекрасном состоянии. В отличие от разрушенных и погребенных земных астроблем, на космических изображениях поверхности планет земной группы и их спутников отчетливо видны все детали строения метеоритных кратеров.

Кольцевой вал — насыпная структура, обрамляющая кратер. Как правило, вал асимметричен, так как его внутренний склон круче внешнего. Объем кольцевого вала для метеоритных (импактных) структур обычно составляет 20-40% от объема выброшенной породы.

Днище кратеров имеет различное сечение (плоскодонное, чашеобразное и т. п.); его форма и строение усложняются с увеличением поперечника — днища крупных кратеров осложнены трещинами, рытвинами, буграми, центральными горками. Центральная горка, или центральный пик, образуется в кратерах диаметром от 5 до 50 км. Ее образование объясняется согласно законам механики упругой отдачей пород поверхности — слоистой мишени. В кратерах диаметром более 50 км образуется система центральных кольцевых поднятий.

Импактные структуры более молодого возраста имеют лучшую сохранность. Это правило может быть использовано для относительной датировки кратерированных поверхностей планет земной группы. Степень разрушения кратеров зависит от воздействия внутренних — эндогенных и поверхностных — экзогенных процессов: тектонических деформаций вулканизма, выветривания и т. п. Однако разрушительное действие этих факторов на планетах земной группы незначительно, и кратеры выглядят достаточно "свежими". Было установлено, что скорость разрушения структуры находится в зависимости от ее диаметра: чем меньше структура, тем быстрее она уничтожается. Быстрее всего разрушается рельеф рыхлых выбросов из кратеров.

Изучение снимков поверхности Марса позволило по степени сохранности кратеров выделить и описать четыре их возрастных генерации, названные по наименованиям характерных кратеров — королёвская, ломоносовская, кеплеровская и ньютоновская. К королёвской генерации отнесены наиболее свежие молодые кратеры хорошей сохранности диаметром преимущественно меньше 30 км. Они имеют резко выраженные валы, относительно гладкие склоны, отчетливые выбросы. Ломоносовская генерация объединяет кратеры размером от 30 до 100 км, подвергшиеся некоторым вторичным изменениям. Валы кратеров достаточно хорошо выражены, но уже сглажены, часто состоят из отдельных фрагментов. Склоны разрушены гравитационными и эоловыми процессами. Выбросы видны достаточно хорошо. К кеплеровской генерации относятся кратеры размером от 100 до 200 км, в значительной степени разрушенные. Их валы представлены отдельными фрагментами, часто образующими не кольцевую, а близкую по форме структуру. Дно кратеров под воздействием эндогенных и экзогенных процессов выровнено. Редко видны останцы центральных горок. Выбросы обычно не сохраняются. К ньютоновской генерации относят почти целиком разрушенные структуры диаметром часто свыше 200 км.

Среди импактных кратеров перечисленных генераций на Марсе установлены ударные структуры-гиганты поперечником до 1800 км. На плоском дне этих впадин, обычно расположенном на 3-4 км ниже среднего высотного уровня планеты, видны лишь отдельные импактные кратеры небольших размеров и хорошей сохранности. Эти депрессии иногда являются вместилищем эоловых накоплений.

Строение простого (а) и сложного (б) метеоритного кратера. 1 — породы цоколя; 2, 3 — брекчия (2 — остающаяся на месте, 3 — перемещенная); 4 — переплавленные, измененные породы (импактиты); 5 — граница зоны деформации

По периферии впадин развиты Кордильеры — кольцевые горные поднятия с расчлененным рельефом. В плане они имеют форму сегментов шириной 200-300 км. Название "Кордильеры" принято по аналогии с лунными Кордильерами, которые примыкают к круговым морям. К подобным тектоническим сооружениям можно отнести и краевые поднятия в обрамлении Тихого океана (кордильеры Северной и Южной Америки). Их образование на всех планетах, несомненно, связывается с формированием самих круговых депрессий.

Круговые впадины и кордильеры сопровождаются радиально-концентрическими системами разломов. Впадины ограничены резкими кольцевыми уступами высотой 1-4 км, возможно, разломной природы. Местами дуговые разломы видны в пределах Кордильер. По периферии круговых впадин намечаются радиальные разломы. По аналогии с Луной эти структуры названы талассоидами. К талассоидам на Марсе относятся впадины Аргир, Эллада, Хрис и Исида.

Метеоритные кратеры Марса различных возрастных генераций. а — королёвской (новейшей), б — ломоносовской (новой), в — кеплеровской (древней), г — ньютоновской (древнейшей)

Обращает на себя внимание определенная закономерность в их расположении на поверхности Марса. Две северные структуры Исида и Хрис находятся примерно на одной широте на границе "океан"-"континент". Два южных талассоида Аргир и Эллада располагаются также на одной широте, но в пределах континентальной части планеты, причем Хрис и Аргир вытянуты по одному меридиану, Эллада и Исида соответственно — по другому, более восточному. В целом же эти структуры расположены по углам огромного прямоугольника. Научного объяснения этот факт пока еще не получил.

Как же возникли талассоиды на Марсе? Вопрос этот очень сложен. С одной стороны, они напоминают гигантские кратеры, для которых можно допускать образование при взрыве метеоритов астероидных размеров — так называемых планетезималей. При этом остаточные массы этих тел, скрытые под базальтовым выполнением и песчаными наносами впадин, явились источниками значительных положительных аномалий силы тяжести — "масконами".

В связи с импактной гипотезой интересно отметить оригинальное предположение американского ученого Г. Максуини. По его мнению, несколько необычных по составу метеоритов, в том числе два недавно найденных в Антарктиде, попали на Землю с Марса. Вероятно, что в Марс врезался и взорвался такой огромный метеорит, куски породы которого в результате мощнейшего взрыва были выброшены за пределы планеты и достигли поверхности Земли. Не являются ли эти "посланцы" с Марса свидетелями образования талассоидов на этой планете?

По другой гипотезе талассоиды — продукт глубинных тектонических преобразований.

На Луне выделяются три возрастных группы импактных структур.

Коперниковская (самая молодая) группа объединяет кратеры с четко выраженными валами высокой степени сохранности, с крутыми внешними и внутренними склонами.

К птоломеевской группе относятся кратеры с валами, достаточно высоко поднимающимися над днищем. Часто валы имеют сложное строение благодаря развитию многочисленных мелких более молодых кратеров. Наряду с плоскими днищами имеются днища сложного строения с отдельными центральными пиками и центральными хребтами.

Структуры доптоломеевской (древней) группы характеризуются сильно разрушенными валами, часто лишь слабо возвышающимися над поверхностью материковых областей. Иногда такие валы только намечены концентрическими грядами и отдельными пологими холмами. В других случаях они расчленены системами гребней, образующими ряд субпараллельных линий. У наиболее крупных древних кратеров имеются обширные плоские днища, частично осложненные более молодыми кратерами.

Большое значение для установления относительного возраста различных поверхностей планет играет плотность кратерирования: чем древнее поверхность, тем большее количество соударений с метеоритными телами она должна была испытать. Таким образом, относительно древняя поверхность на фотографическом изображении той или иной планеты должна выглядеть наиболее интенсивно кратерированной. Используя это правило, на некоторых планетах земной группы удалось выделить разновозрастные структуры.

Луна является хорошо изученным к настоящему времени небесным телом. Отсутствие явных признаков эндогенной и экзогенной активности на ней обусловили хорошую сохранность импактных структур, неравномерное распределение которых показало, что предела насыщения импактные кратеры достигают в древних материковых областях. В молодых морских депрессиях кратерирование минимально. Оценки абсолютного возраста образцов лунных пород показали, что на ее поверхности наряду с молодыми кратерами существуют ударные структуры, возраст которых является весьма внушительным и равен 4,4-3,8 млрд. лет.

На Марсе в основу определения относительного возраста тектонических процессов положены результаты анализа плотности распределения импактных кратеров, их морфологические особенности, сохранность и размеры, а также геологические соотношения различных поверхностей. Используя этот принцип, авторам настоящей работы удалось выделить на этой планете несколько типов поверхностей с четкими границами, в пределах которых кратеры распространены равномерно, и их количество на единицу площади остается постоянным. По аналогии с Луной Марс также на ранних этапах своего развития подвергался интенсивной метеоритной бомбардировке, которая 3,0-3,5 млрд. лет назад сократилась примерно до современного уровня.

Небезынтересно знать, как велись расчеты плотности кратерирования. Под плотностью кратерирования понималось либо количество кратеров определенных диаметров на единицу площади, либо отношение суммарной площади кратеров больше определенного диаметра к площади рассматриваемой поверхности. Наиболее подходящими для подсчета оказались кратеры диаметром от 4 до 10 км на площади 10 млн. км², так как количество их достаточно для статистической обработки, а скорость разрушения не так велика, как у более мелких структур.

Получив значения плотности кратерирования различных поверхностей Луны и других планет, в частности Марса, и значения абсолютного возраста пород Луны, можно, используя сравнительно-планетологический метод, установить абсолютный возраст поверхности Марса.

Метеоритная бомбардировка играет существенную роль на ранних стадиях развития планет. Метеоритные кратеры имеют важное значение для датировки различных структурных поверхностей. Метеоритная бомбардировка является процессом, общим для формирования рельефа поверхности и структуры коры планет земной группы, в том числе и Земли.

Космические снимки Земли показали, что и на нашей планете имеется большое количество кольцевых структур. При их исследовании была установлена одна интересная особенностью, чем древнее изучаемый комплекс пород, тем большее количество кольцевых структур на нем дешифрируется. Многие из них были обнаружены в фундаменте под чехлом рыхлых пород. Особенно много кольцевых структур выявлено на древних платформах — наиболее стабильных областях литосферы. Диаметр этих структур разнообразен и варьирует в широких пределах от сотен метров до десятков и сотен километров. Окончательно вопрос о происхождении многих кольцевых структур на Земле пока еще не решен. Несомненно, что эти структуры имеют различное происхождение. Однако часть их представляет собой разрушенные древние метеоритные кратеры, аналогичные тем, которые повсеместно покрывают поверхности других планетных тел.

Многие исследователи считают, что метеоритная бомбардировка Земли являлась главнейшим процессом на догеологической стадии ее развития. К сожалению, следы этой ранней метеоритной бомбардировки Земли оказались стертыми последующими процессами ее геологического развития — тектоническими движениями, магматизмом и метаморфизмом. Благодаря этому, и в особенности благодаря разрушительному воздействию атмосферы и гидросферы в настоящее время следы метеоритной бомбардировки Земли реконструируются с большим трудом.

Советские геологи и геофизики В. В. Федынский, В. Л. Масайтис, М. В. Селивановская, Б. С. Зейлик, А. И. Дабижа, В. И. Фельдман, А. А. Вальтер и многие другие подробно изучили структуры, образованные на поверхности Земли в результате метеоритной бомбардировки. Эти структуры получили название импактных космогенных, или метеоритных.

Различают два типа метеоритных кратеров: ударные — диаметром менее 100 м и взрывные — диаметром более 100 м. Первые являются результатом падения небольшого метеорита; вторые возникают при взрыве после некоторого заглубления метеорита в породы мишени.

Схематическая карта астроблем Земли

В настоящее время на Земле установлено около 100 ударных структур, или астроблем, названных так в 1960 г. американским геологом Р. Дитцем. Астроблема в переводе с греческого означает "звездная рана". Распределение астроблем на поверхности Земли неравномерно: в Европе их насчитывается 30, в Северной Америке — 26, Южной Америке — 2, Австралии — 9, Африке — 18, Азии — 14. Изученные астроблемы морфологически очень похожи на кратеры Луны, Марса, Меркурия. Они имеют округлую в плане форму, диаметр до 100 км и выявляются по характерному насыпному валу, выступающему в виде возвышенности вокруг воронки, по наличию центрального поднятия — центральной горки, по отчетливому радиально-кольцевому расположению трещин, по присутствию раздробленных пород, следов сотрясений и другим признакам. Однако самым надежным критерием их выделения является обнаружение остатков метеоритного вещества и специфических изменений в породах, происшедших в результате воздействия взрывной волны и высокой температуры при взрыве. Было рассчитано, что при столкновении с горными породами метеоритов, движущихся со скоростью более 3-4 км/с, начальное давление должно равняться 10⁹ Па при температуре 10000° С. Рассчитанное теоретическое время воздействия ударной волны на породу — миллионные доли секунды. За эти мгновения давление резко возрастает. При образовании кратера диаметром 50 км почти мгновенно выделяется энергия, равная 10²² Дж. Естественно, что такая энергия не может оставить без последствий породы мишени. При давлениях от 4*10⁹ до 5*10¹⁰ Па в минералах и породах происходят пластические деформации и твердофазовые переходы, а при нагрузках свыше 5*10¹⁰ Па — плавление и частичное испарение вещества. Все эти термодинамические изменения приводят к серьезным перестройкам горных пород в районе удара.

Как же обнаружить астроблему на поверхности Земли? Ведь в настоящее время эта древняя отрицательная структура разрушена, эродирована и скрыта. В вопросе обнаружения астроблем существенную роль должны сыграть космические снимки, на которых выявлены многочисленные кольцевые образования. Так, например, Б. С. Зейликом по результатам дешифрирования космических снимков и анализу геофизических полей в Казахстане описаны следующие гигантские астроблемы — гиаблемы, требующие дальнейшего изучения: Ишимская (Тенизская) диаметром около 700 км, Прибалхашско-Илийская поперечником также около 700 км, Токрауская — 250 км, Каибско-Чуйская, Джезказганская и др.

О том, как трудно распознать на поверхности Земли ударный кратер, наглядно свидетельствует история изучения Попигайской структуры, расположенной на севере Среднесибирского плоскогорья в басейне р. Попигай — правого притока р. Хатанги. Эта астроблема, диаметр которой достигает 100 км, имеет округлую форму с абсолютными отметками днища 20-80 м и бортами, возвышающимися над днищем на 200 м.

Попигайская структура, открытая геологами в 1946 г., в разное время рассматривалась как грабен, как эрозионная впадина, как вулканический кратер и т. п. Лишь в 1970 г. в результате тщательного анализа полевых исследований и всех имеющихся материалов В. Л. Масайтису и его коллегам удалось обосновать ее метеоритное происхождение. Было доказано, что Попигайская котловина — один из крупнейших на Земле метеоритных кратеров. Северо-восточная и восточная части днища кратера представляют собой сильно заболоченную равнину, а остальная часть днища приподнята и характеризуется расчлененным рельефом. В приподнятых частях днища развиты плоские возвышенности и полукольцевые гряды высотой свыше 250 м. Вдоль западного и северного бортов котловины в 50 км от ее центра выделяются прерывистые цепи возвышенностей, ориентированных параллельно бортам кратера. Структура четко фиксируется в гравитационном и магнитном полях и на космических снимках. В. Л. Масайтис выделяет в Попигайском кратере внутреннюю воронку диаметром около 75 км, заложенную в породах кристаллического фундамента, и внешнюю — диаметром 100 км, расположенную в породах осадочного чехла. Структура обрамлена центробежными разрывами. Породы, изученные в пределах структуры, претерпели глубокие изменения за счет проявления ударного метаморфизма. Они интенсивно раздроблены и переплавлены.

Метеоритный кратер Эльгыгытгын. Фото Л. Б. Грановского. Вид с юго-востока

В. Л. Масайтис, исходя из геологической модели кратера, подсчитал примерный объем его расплавленного материала, равный примерно 1750 км³. По данным радиологических измерений, попигайское событие произошло 38,9 млн. лет тому назад.

В центральной части Украинского кристаллического массива, в районе с. Зеленый Гай Криворожской области, была выявлена и намечена к дальнейшему изучению Зеленогайская астроблема, которая относится к разряду достоверных космогенных структур. Эта структура, по данным В. П. Брянского, А. А. Вальтера и Л. М. Фроловой, представляет собой воронку диаметром около 1,5 км глубиной до 0,2 км. В породах воронки выявлены следы ударного метаморфизма. Были обнаружены обломки пузырчатых стекол плавления, установлены конусы разрушения пород и другие признаки.

Рассмотрим еще один ударный кратер Эльгыгытгын, расположенный на Чукотке. В рельефе кратер выражен озером диаметром 15 км и глубиной до 170 м. Озерная впадина имеет округлую форму, обрамлена валом, возвышающимся над уровнем воды на 200-400 м. Кратеру соответствуют отрицательные магнитная и гравитационная аномалии. Породы вала несут явные признаки ударного метаморфизма: содержат оплавленные стекла и высокобарические минералы (коэсит). Датировка калий-аргоновым методом определяет возраст кратера Эльгыгытгын в 3,5 млн. лет.

Достоверно установленные талласоиды на Земле неизвестны. Однако некоторые геологи относят к образованиям подобного рода Венгерскую впадину, район Мексиканского залива, Прикаспийскую впадину, район Зондских и Марианских островов и другие регионы, требующие дополнительного изучения. К структурам, также требующим дополнительного изучения, относится Центральнокольский кратер размером 250X150 км, открытый И. А. Нечаевой.

Космические снимки Земли свидетельствуют о том, что на поверхности нашей планеты кольцевые структуры представлены в изобилии. Не вызывает сомнения, что часть кольцевых образований имеет импактное происхождение и является продуктом метеоритной бомбардировки. Задача геологов заключается в дальнейшем детальном их изучении и выявлении закономерностей распределения полезных ископаемых, связанных с ударным метаморфизмом. Во всяком случае, так называемые зювиты — породы импактного происхождения из кратера Рис в ФРГ — явились прекрасным строительным материалом. Некоторые исследователи считают также, что крупное месторождение меди и никеля Седбери в Канаде приурочено к древней астроблеме. Это заключение не бесспорно, но необходимо учитывать возможность проникновения по ослабленной зоне коры под крупной астроблемой магматических расплавов и рудоносных растворов.