Земная родословная
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В течение сотен лет геологи изучали сушу планеты, исколесили вдоль и поперек равнины и горы, но не замечали многочисленных «колец» у себя под ногами. Спутниковая геология возвестила начало нового этапа исследований. Стоило геологам «возвыситься» над поверхностью планеты, обрести благодаря космическим изображениям новый угол зрения, как на снимках земной поверхности стали очевидны структуры, образующие в земной коре характерный кольцевой рисунок.
Округлые геологические образования в земной коре рисуют сейчас на картах почти во всех регионах мира. На мелкомасштабные карты попадают кольца диаметром до полутора тысяч километров, на крупномасштабных изображаются круги с километровым поперечником — в таких пределах (от метров до десятков километров) меняется размер этих геологических структур.
И на поверхности Луны, Марса и Венеры астрономические наблюдения, съемки с космических аппаратов обнаруживают в больших количествах кольца и овалы. Именно цирки и кратеры лунной поверхности поначалу привлекли внимание к кольцевым структурам. Более полувека длится дискуссия об их происхождении. Сторонникам вулканической родословной противостоят приверженцы ударной — метеоритной гипотезы. Действительно, метеориты в течение многих миллионов лет долбят и продолжают долбить незащищенную поверхность земной спутницы и соседних планет. И это не может пройти бесследно. Если падает метеорит, имеющий в поперечнике несколько десятков километров, то встреча с «посадочной площадкой» будет подобна взрыву. Удар породит на поверхности планеты температуру во многие тысячи градусов и давление в миллионы атмосфер.
Мишень мгновенно превратится в своеобразный реактор, в котором начнутся процессы испарения и плавления горных пород, а затем последует разрыв реактора, и расплавленное и измельченное каменное вещество разлетится окрест. На поверхности появится метеоритный кратер, вокруг которого кольцом ляжет подброшенная вверх горная порода.
В фокус спора попали и кольцевые структуры Земли, во многом сходные с кратерами на Луне. Им тоже стали приписывать космическое происхождение, называя «ударными кольцевыми структурами», «метеоритными структурами», «астроблемами» и так далее. Была разработана теория так называемых шок-процессов, протекающих очень быстро, только в момент удара и не сравнимых по интенсивности с обычными земными. Благодаря мощи этого моментального процесса в месте встречи метеорита и земной поверхности появляются редкие минералы, в частности коэсит, которые сначала были синтезированы в лабораторных условиях при высоких давлениях и температурах, а уже потом найдены в шок-структурах.
Идеи ударного метаморфизма увлекли многих исследователей… Достаточно было в кольцевой структуре обнаружить следы этого процесса, чтобы тут же указать на причину ее возникновения — прилет космических «пришельцев». На Земле, по мнению этих ученых, нет сил, способных столь коренным образом преобразовывать горные породы.
Однако с течением времени геологическое изучение крупных астроблем показало, что они возникли не мгновенно, не за один раз, а в несколько приемов. Их породил многоактный процесс, цепь геологических событий, растянутая во времени на десятки миллионов лет. Ученые установили, например, что известные кольцевые структуры Сёдбери в Канаде и Вредефорт в Южной Африке образовались за двести миллионов лет.
С другой стороны, в ряде районов встречены кольцевые структуры, расположенные по соседству с хорошо знакомыми геологам трубками взрыва. Это, например, известные кольцевые структуры Рис и Штейнхейм, расположенные рядом с трубками взрыва Южной Баварии, впадина Попигай и кольца в нижнем течении реки Оленек на севере Сибири, структуры в центральной части территории США и другие. Трубки взрыва — это каналы, образовавшиеся при прорыве газов через пласты земной коры. Они бывают заполнены обломками пород, так называемой брекчией. Довольно часто брекчии оказываются алмазоносными, поэтому трубки взрыва тщательно изучены геологами. Диаметр их не очень велик, обычно не превышает километра в поперечнике. Кольцевые структуры, обнаруженные рядом с тpубкaми взрыва, чаще всего оказываются с ними одного возраста и отличаются только масштабами и напряженностью создавших их процессов. Логично предположить, что и те и другие порождены одним действием — земными взрывами, поскольку трубкам взрыва в местном происхождении никто не отказывает.
Было обнаружено, что так называемые астроблемы часто связаны с определенными типами магматических пород, богатых газами, поступившими из земных недр. И наконец, распределение кольцевых структур носит не такой случайный характер, как это должно было быть при обстреле из космоса. Чаще всего они сосредоточены в определенных тектонических зонах, связанных с поднятием фундамента земной коры или разломами в ней. Значит, импульс, создавший геологические кольца, был направлен снизу — из земных глубин, а не сверху, не из космоса.
Собранные вместе и тщательно изученные сведения о земных кратерах привели к выводу, что большинство кольцевых структур Земли образовано вулканической деятельностью. Однако в это высказываемое и раньше положение вносятся серьезные изменения, выделяя из пяти различных типов вулканических извержений один, который мог произвести работу, сравнимую по скорости с могучей деятельностью метеоритного удара. Речь идет о газовом выбросе — о вулканизме бандайсанского типа.
Более ста лет назад в двухстах километрах к северу от Токио буквально взорвался вулкан Бандай-сан, молчавший тысячу лет. Один из конусов вулкана уменьшился на 600 метров, одновременно появился кратер глубиной в полкилометра. Лавы во время этого извержения не было — грандиозные разрушения произвел выброс газов. Именно такому типу извержений под силу раздробить и измельчить в пыль монолитные породы, поднять температуру и давление до таких величин, что рождаются редкие минералы, породить процессы необычайной силы. Давление ударной волны при прохождении через горные породы может достигать полумиллиона атмосфер.
Такого рода вулканический выдох привел к одной из самых грандиозных природных катастроф — извержению вулкана Кракатау в 1883 году. Половина гористого островка, на котором он расположен, была превращена в мельчайший порошок. В виде вулканического пепла он рассеялся на огромной территории в 800 тысяч квадратных километров и частично залетел в стратосферу на высоту 60—80 километров. До катастрофы на островке высились две горы длиной восемь километров и шириной до пяти километров. Обломки величиной с голову человека Кракатау катапультировал на расстояние до двадцати километров. Часть выброшенного материала преодолела земное притяжение и ушла в межпланетное пространство.
Недавно было детально изучено извержение вулкана Толбачик на Камчатке. Анализируя собранные материалы, ученые установили, что газ вырывался из жерла Толбачика со сверхзвуковой скоростью!
Оказывается, энергии газового извержения достаточно для того, чтобы переработать породы, раздробить их, переплавить, испарить — словом, произвести то же, на что способен удар метеорита!
Возможности ударной взрывной волны были проверены при подземных ядерных взрывах в США. Даже на значительном удалении от центров ядерных взрывов были обнаружены проявления шок-метаморфизма, вблизи же гранитные породы испарились полностью. По оценкам вулканологов, дегазация Земли сопровождается куда более мощным выделением энергии. Извержение Кракатау, например, в миллион раз (!) превосходило по силе взрыв ядерного устройства, испарившего гранитную породу.
Газ и жидкость, рвущиеся наверх с больших глубин, возможно, создают эффект гидравлического удара, внедряясь в земную кору. Такая ситуация может возникнуть, например, когда у очага землетрясения происходит резкое сближение двух блоков коры или мантии, разделенных разломами. В таких разломах, как правило, накапливаются газы. Запертые, сдавленные сдвинувшимися блоками коры, они будут со страшной силой рваться наружу.
Резкие выдохи присущи не только Земле. Следы первичной бомбардировки Луны метеоритами давным-давно погребены под ее корой, а ее рельеф — это сохранившийся вулканический ландшафт. Кора Луны имеет толщину от десяти до шестидесяти километров и состоит из изверженных пород, поступивших из ее недр. Вследствие охлаждения Луны магма в ее недрах могла сохраниться только на глубине 800—1000 километров и, конечно, прорваться наверх сквозь кору такой мощности не может. Но дегазация Луны продолжается. Это подтверждают прямые наблюдения: в некоторых кратерах происходит истечение газов, в других заметно повышение температуры — на сто градусов выше, чем в близлежащей местности. В середине кратеров иногда видны углубления — это вулканические жерла, пробуравленные газами. Из крупных вулканов газовые извержения выбросили материал на расстояния, равные четвертой части окружности Луны. Астрономы давно заметили следы этих выбросов, тянущиеся в виде светлых «лучей» во все стороны от крупнейших лунных вулканов.
Взрывной вулканизм есть на Марсе, Меркурии и других планетах Солнечной системы. На Марсе, как и на Луне, обнаружено множество двухъярусных кольцевых структур, в некоторых замечено по нескольку колец. Поскольку метеориты не могут со снайперской точностью попадать в одну и ту же точку, логичнее предположить — многокольцевое строение создано повторными газовыми извержениями. На поверхности Ио — спутника Юпитера — восемь вулканов выбрасывали пепел на высоту до 320 километров со скоростью до тысячи метров в секунду. Такую кинетическую энергию твердым частицам могли сообщить только глубинные газы.
Американские ученые нашли, что вулканическая активность возможна и на небольших спутниках Юпитера и Сатурна, которые состоят из… льда! Роль магмы в них исполняет аммиачно-водный раствор, происходит там и дегазация.
Решающим для выяснения биографии кольцевых структур Луны, Марса, Меркурия и Земли может быть изучение следов метеоритного удара с точки зрения законов механики. Большинство метеоритов падает на поверхность не вертикально, а под углом. Эксперименты показывают, что косой удар быстролетящего твердого тела о бетон оставляет асимметричную вмятину. То же должно наблюдаться при падении метеоритов, и чем больше они, тем заметнее окажется асимметрия кратеров: будет различной крутизна стенок, высота вала, окружающего впадину, кратер будет вытянут в плане и так далее. Это не наблюдается у большинства кольцевых структур ни на Земле, ни на поверхности соседних планет. Напротив, кольцевые структуры повсеместно приближаются по форме к кругу и гораздо реже — к эллипсу или овалу.
Интересно, что создатель теории «планетезималей» — крупных частиц, Из которых некогда сформировались планеты,— известный американский астроном Т. Чемберлин еще в 1929 году обратил внимание на круглую форму кольцевых структур и еще тогда пришел к выводу, что кратеры Луны — результат вулканических извержений, а не падения метеоритов на ее поверхность. Однако в дальнейшем его соображения были забыты. Но в 1949 году геолог А. Хабаков в замечательной книге «История развития поверхности Луны» указывал на вулканическую природу большинства кратеров этой планеты. Изучение образцов лунной почвы показало, что она представляет собой в основном вулканический пепел, а не результат дробления пород метеоритами.
Однако газовый вулканизм не объясняет всего многообразия кольцевых структур. Два геолога недавно предложили их классификацию: в ней три типа, включающие десять групп, которые, в свою очередь, состоят из двадцати девяти различных видов! Первый тип — это структуры, образованные деятельностью внешних агентов на поверхности Земли, ко второму относятся ударно-взрывные — следы падения метеоритов, и третий тип — эндогенные, возникшие в результате воздействия подземных сил.
Видимо, земная кора так уж устроена, что, несмотря на разнообразные воздействия — удары метеоритов, разрушения ветром и водой, толчки снизу, прорывы газов из глубины, она реагирует на них примерно одинаково: в ней возникают кольцевые образования, сходные по внешним признакам, но отличающиеся по более тонким приметам.
Автор: В. Друянов.