Зависимость возраста поверхностей Марса от плотности их кратерирования

Поверхности | Плотность кратерирования (4‑10 км) | Абсолютный возраст в млрд. лет (ориентировочно)

Древних частей континентов | 250‑140 | Более 4,0

Кордильер талассоидов | 220‑170 | Более 4,0

Относительно молодых частей континентов | 160‑130 | Около 4,0

Океанов | 100‑50 | 1,5‑0,7

Новейших лавовых покровов | 30‑10 | 0,5‑0,2

 

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.

 

Гигантские трещины

 

 

В своих исследованиях геологи уделяют много внимания разломам – гигантским трещинам в земной коре; некоторые из них прослеживаются на сотни и тысячи километров. В зависимости от характера напряжений в коре возникают разломы разного типа. В условиях растяжений образуются трещины отрыва, так называемые раздвиги, а при значительной величине растяжения происходит разрыв земной коры, и возникают громадные впадины – рифты. Примером такого рифта служит впадина озера Байкал, детально изученная в последние годы советскими учеными. Рифты прослежены на дне океанов вдоль срединно‑океанических хребтов. Вместе с подобными структурами на континентах они образуют мировую рифтовую систему. Рифты намечают положение границ между плитами литосферы. Вдоль них концентрируются очаги землетрясений и вулканические аппараты.

При сжатии горные породы сминаются в складки, сопровождаемые разрывами типа взбросов и надвигов. При большой величине сжатия возникают шарьяжи, при которых пластины горных пород наползают друг на друга, перемещаясь иногда на многие десятки километров. Если такая пластина пересекается буровой скважиной, то под ней могут быть вскрыты более молодые отложения.

Иногда массивы горных пород оказываются смещенными относительно друг друга в вертикальном направлении. В этом случае обычно они обрамляются прямолинейными уступами в рельефе, которым отвечают сбросы. Нередко блоки смещаются в горизонтальном направлении, то есть параллельно поверхности Земли. Подобные нарушения называются сдвигами. Широко известны Талассо‑Ферганский сдвиг в Средней Азии и Сан‑Андреас в Северной Америке, по которым допускаются перемещения на многие десятки и даже сотни километров.

Изучение разломов имеет важное практическое значение. Разломы сопровождаются зонами повышенной раздробленности пород, а, следовательно, и повышенной проницаемости для магматических расплавов и рудоносных растворов. Таким образом, они приобретают рудоконцентрирующее значение.

Особенно отчетливо разломы выделяются на космических снимках земной поверхности. Благодаря большой обзорности этих снимков на них видна вся сложная система гигантских трещин, рассекающих земную кору.

В изучение разломов большой вклад внесли советские геологи – А. В. Пейве, В. В. Белоусов, В. Е. Хаин, Н. А. Беляевский, А. И. Суворов, Д. П. Резвой, А. Е. Михайлов, М. В. Гзовский, Е. Е. Милановский и др. Несмотря на большое число исследований, еще многие проблемы, связанные с изучением разломов, остаются нерешенными. Например, одни исследователи полагают, что в земной коре проявлена единая сеть крупных разломов, закономерно ориентированная по отношению к оси вращения Земли. В этом случае образование разломов должно быть определено проявлением напряжений, возникающих при вращении земного шара, иначе говоря,‑ ротационных сил. Другие исследователи объясняют образование разломов, прежде всего перемещениями литосферных плит с образованием трещин растяжения – рифтов – в местах их расхождения, надвигов и шарьяжей – в местах их сближения.

Изучение дна океана позволило выявить в его пределах многочисленные разломы. Океанические разломы явно превосходят континентальные по протяженности. Они прослеживаются на расстоянии 3‑4 тыс. км. К ним относятся и рифты вдоль срединно‑океанических хребтов, а также поперечные, так называемые "трансформные" разломы.

В земных условиях многие вопросы, связанные с изучением, глобального рисунка разломов, решаются с трудом. Во‑первых, большая часть поверхности скрыта под водами морей и океанов и пока еще изучена недостаточно. Во‑вторых, и на суше значительные пространства покрыты чехлом осадочных пород и поверхностных отложений, скрыты под густой растительностью, где трудно расшифровать структурный рисунок. В этом отношении фотопортреты Луны, Марса, Меркурия выглядят более структурно. На них виден как бы остов горных пород, рассеченный множеством трещин, в том числе и гигантских разломов.

На поверхности Луны трещины впервые были детально изучены по телескопическим и космическим снимкам известным геологом и селенологом А. В. Хабаковым. Трещины довольно густо насыщают лунные континенты. В пределах многих участков разломы образуют сетки северо‑восточного и северо‑западного направлений. Длина таких линий достигает 100 км. Особенно отчетливо сетка разломов выражена в районе так называемого Центрального перешейка между Морем Дождей и Морем Ясности. Некоторые крупные разломы на поверхности Луны имеют собственные названия. Выделяется, например, разлом Прямая Стена в Море Облаков. Это довольно крутой уступ, наклон которого местами достигает 40°.

Несмотря на огромные успехи последних лет в изучении лунных пород, исследования разломов Луны продвинулись ненамного. Один из небольших разрывов на днище кратера Лемонье, затопленного базальтами, был изучен с помощью "Лунохода‑2" в районе зоны сочленения горного массива Тавр и впадины Моря Ясности. Этот разлом протяженностью около 18 км и шириной 0,3‑0,5 км назван "Борозда Прямая". Разлом выражен в рельефе в виде прерывистой борозды глубиной до 50‑60 м. На склонах борозды развиты глыбовые россыпи.

Лунные разломы выражены трещинами растяжения, иногда сбросами. Несмотря на тщательные исследования, на видимой стороне Луны было отмечено лишь несколько больших сдвигов со смещением до 7‑8 км. Снимки Луны особенно благоприятны для обнаружения перемещений по разломам из‑за развития множества кратеров. Перемещения легко устанавливаются по нарушениям валов кратеров, пересеченных разломом. Вдоль некоторых разломов прослеживаются длинные узкие гребни, очень напоминающие дайки – пластины магматических пород, выжатые и застывшие вдоль трещин.

По сравнению с лунными континентами на лунных морях разломов гораздо меньше. Однако концентрация разломов отмечается в зонах сочленения континентов и морей. Это вполне закономерно. Достаточно вспомнить Тихоокеанский пояс на Земле со множеством разрывов, с которыми связаны очаги разрушительных землетрясений. Несмотря на слабую в целом сейсмичность Луны, здесь также была отмечена повышенная концентрация эпицентров лунотрясений в зоне перехода между континентальной областью и впадиной Океана Бурь.

Разломы Марса сразу привлекли внимание исследователей. Они оказались очень разнообразными, а по размерам даже превосходящими наиболее протяженные аналогичные структуры земной поверхности.

Особенно выделяется система разломов, получившая название Копрат, позднее переименованная в Долину Маринер. Она протягивается почти на 4000 км. Ширина этой системы разломов достигает 500 км. Она состоит из целого ряда гигантских провалов глубиной в несколько километров и шириной до 100‑250 км. На склонах провалов развиты оползни и обвалы. По облику на снимках эта система полностью аналогична рифтовым структурам на Земле. Рифты Земли и Марса оказались настолько похожими, что пока еще никто из исследователей даже не усомнился в общности их происхождения. Рифтовая система Марса располагается на своде и склоне грандиозного поднятия Фарсида, увенчанного гигантскими вулканами. Интересно, что и в земных условиях рифты обычно оказываются приуроченными к сводовым воздыманиям и сопровождаются многочисленными вулканами.

На поднятии Фарсида видно множество радиальных трещин. Отдельные их группы протягиваются на огромные расстояния – до 5000 км. Они имеют формы вееров, так как при удалении от склона поднятия Фарсида густота разрывов резко снижается. На самом поднятии трещины иногда разделены промежутками всего в несколько километров. На Земле нет аналогов такому удивительному сочетанию разрывов, хотя нередко можно наблюдать радиальное расположение разрывов по отношению к сводовым поднятиям.

На снимках Марса привлекают внимание своеобразные структуры – так называемые лабиринты и хаосы. Особо выделяется Лабиринт Ночи, также расположенный на поднятии Фарсида вблизи окончания рифтовой системы. Это участки с повышенной раздробленностью коры. Здесь располагаются многочисленные удлиненные провалы с крутыми склонами. Провалы прямолинейны и в целом образуют сложную мозаику блоков коры. На Земле нет подобных образований, хотя в чем‑то на них немного похожи некоторые участки океанического дна со сложным рельефом, например, в проливе Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой.

 

Система гигантских провалов в Долине Маринер на Марсе. Видны оползни и обвалы

 

Обширные океанические пространства северного полушария Марса сравнительно слабо затронуты разрывными нарушениями, зато в пределах континентального полушария разрывов очень много. Большинство разломов на континентах Марса имеет незначительную протяженность в пределах первых десятков километров. Но многие разломы группируются в зоны‑линеаменты, которые прослеживаются на тысячи километров. В рисунке разломов проявляется вполне отчетливая закономерность. Большинство разломов ориентировано диагонально по отношению к оси вращения планеты.

На снимках Меркурия отчетливо выделяются трещины, образованные при растяжении. Особенно много таких трещин во впадине Калорис. Наряду с трещинами растяжения в коре Меркурия проявлены специфические разрывы типа взбросов и надвигов, что совершенно не свойственно Луне, несмотря на всю схожесть фотопортретов этих небесных тел.

На снимках Меркурия внимание исследователей сразу же привлекла система протяженных уступов в виде изогнутых, дуговидных, иногда извилистых линий. Они прослеживаются на десятки и сотни километров. Высота уступов – от нескольких сотен метров до 3 км. Их ограничивают округленные, неровные края, не характерные для нормальных сбросовых уступов Земли и других планет. Иногда уступы переходят в гребни. Можно считать, что уступы и гребни связаны в своем происхождении с короблением коры.

Один из уступов, получивший название Дисковери, прослеживается на 550 км. На снимках отчетливо видно, как по уступу смещаются рассеченные им валы кратеров. У одного из кратеров диаметром 65 км полуокружности, образующие вал, смещены относительно друг друга на 10 км в направлении, перпендикулярном к линии уступа. Такие соотношения можно объяснить только образованием надвига.

Образование системы взбросов на Меркурии связывают с сокращением поверхности планеты. Р. Стром с соавторами подсчитал размеры такого сокращения. По его данным, площадь планеты при образовании взбросов и надвигов сократилась на 6,3*10⁴‑1,3*10⁵ км², что равносильно уменьшению радиуса планеты на 1‑2 км. Считают, что причина сокращения размеров планеты – фазовый переход части большого металлического ядра из жидкости в твердое состояние, который приводит к уменьшению объема и сжатию силикатной оболочки.

Перейдем теперь к трещинам растяжения. В Море Жары (впадина Калорис) намечается концентрическое расположение зон с трещинами различных размеров. По степени трещиноватости можно приблизительно оценить масштабы расширения этой обширной впадины. В пересчете на всю площадь Моря Жары общая площадь грабенов оказывается вполне сопоставимой с величиной сокращения поверхности в результате формирования системы взбросов и надвигов. Однако в земных условиях при образовании грабенов на долю растяжения поверхности приходится лишь часть площади грабена, точная оценка которой трудновыполнима. Ведь такая трещина не является зияющей, так как она заполнена просевшим блоком коры. Допускается обычно, что истинное расширение поверхности составляет примерно 1/10 Меркурия в результате образования трещин растяжения всего 9 тыс. км², что на целый порядок меньше величины сокращения поверхности Меркурия, допускаемой в результате формирования взбросов и надвигов. Следовательно, представления американских исследователей о сокращении поверхности Меркурия могут быть приняты, но с некоторыми ограничениями.

Очень интересно проявление разломов на спутниках Юпитера. На Ганимеде, преимущественно в светлых областях, видны серии узких субпараллельных светлых борозд. Светлые полосы пересекают все формы рельефа, в том числе кратеры. Вероятно, это трещины в ледяном покрове Ганимеда, образованные в результате тектонических деформаций благодаря проявлению новейшей активности.

 

Спутник Юпитера – Европа. Отчетливо видна сеть гигантских трещин, заполненных темным материалом

 

На Каллисто выявлены системы концентрических трещин, обрамляющие круговые впадины. Около крупнейшей из них (диаметром 3000 км) прослеживается 20 колец, вторая система диаметром около 1500 км состоит из 15 кольцевых трещин. В случае принятия гипотезы о метеоритно‑взрывном происхождении подобных впадин особо следует выделять по генетическому принципу импактный тип разрывных нарушений. Такое предположение подтверждается отсутствием на снимках Каллисто обычных разломов, связанных с внутренней активностью этого спутника.

Обилием разрывных нарушений выделяется спутник Европа. На его светлой поверхности видны многочисленные коричневатые полосы. Они имеют вид трещин, доверху заполненных темным материалом. Протяженность разломов превышает 1000 км. Ширина наиболее крупных трещин достигает 200‑300 км. При малой высоте Солнца над горизонтом Европы видна очень сложная сеть трещин и узких гряд, напоминающая участки хаотического рельефа на Марсе. Протяженность гряд около 100 км при ширине 5‑10 км. Молодость рельефа Европы указывает на ее современную тектоническую активность. Она объясняется приливным воздействием Юпитера в сочетании с разогревом спутника за счет распада радиоактивных элементов. Предполагается, что по разломам происходит выдавливание глубинного материала, приводящего к постоянному омоложению поверхности Европы.

Отчетливые признаки разрывных нарушений зафиксированы на спутниках Сатурна, которые, судя по малой средней плотности и высокой отражательной способности, сложены в основном льдом или (у наиболее крупных тел) смесью льда и силикатных горных пород. Из‑за развития облаков в атмосфере самого крупного спутника Титана нет пока данных о структуре его поверхности. На снимках Реи на фоне множества кратеров вполне определенно дешифрируются спрямленные линии, напоминающие "долины" Луны, протяженностью в десятки и первые сотни километров. На поверхности Дионы отмечены две долины длиной 300 км, которые также можно интерпретировать как разломы. Гигантский разлом зафиксирован на Тефии в виде долины протяженностью около 800 км при ширине 20‑60 км. По облику на снимках эта долина выглядит как самый настоящий рифт. При этом светлые полосы на поверхности Дионы и Тефии считаются инеем и рассматриваются в качестве продуктов своеобразного гидровулканизма, связанного с активностью разломов. Четкие разломы видны и на поверхности Мимаса. Это прямые узкие расселины протяженностью 400 и 200 км и шириной всего порядка 5 км.

В последние годы геологи уделяют большое внимание геодинамике, изучающей глубинные тектонические процессы. С геодинамических позиций особый интерес представляет анализ разломов, характерных для всех планет земной группы. Разломы, связанные с условиями растяжения, выражены мировой рифтовой системой на Земле, экваториальной рифтовой системой Марса, тектоническими "долинами" Луны, многочисленными трещинами растяжения в Море Жары на Меркурии. Об условиях сжатия свидетельствуют складчатые пояса Земли с зонами надвигов, а также системы взбросов и небольших надвигов на Меркурии. Сдвиговые деформации допускаются в земной коре, тогда как на других небесных телах отмечены единичные сдвиги с амплитудами всего в несколько километров. На Луне и других планетах нет признаков перемещений литосферных плит, которые допускаются в земных условиях на основе концепций "новой глобальной тектоники".