Земний родовід
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Протягом сотень років геологи вивчали сушу планети, об’їздили вздовж і поперек рівнини і гори, але не помічали численних «кілець» у себе під ногами. Супутникова геологія сповістила початок нового етапу досліджень. Варто було геологам «піднятися» над поверхнею планети, знайти завдяки космічним зображенням новий кут зору, як на знімках земної поверхні стали очевидні структури, що утворюють в земній корі характерний кільцевий малюнок.
Округлі геологічні утворення в земній корі малюють зараз на картах майже у всіх регіонах світу. На дрібномасштабні карти потрапляють кільця діаметром до півтори тисячі кілометрів, на великомасштабних зображуються кола з кілометровим поперечником — в таких межах (від метрів до десятків кілометрів) змінюється розмір цих геологічних структур.
І на поверхні Місяця, Марса і Венери астрономічні спостереження, зйомки з космічних апаратів виявляють у великих кількостях кільця і овали. Саме цирки та кратери місячної поверхні спочатку привернули увагу до кільцевих структур. Понад півстоліття триває дискусія про їхнє походження. Прихильникам вулканічного родоводу протистоять прихильники ударної-метеоритної гіпотези. Дійсно, метеорити протягом багатьох мільйонів років довбають і продовжують довбати незахищену поверхню земної супутниці і сусідніх планет. І це не може пройти безслідно. Якщо падає метеорит, що має в поперечнику кілька десятків кілометрів, то зустріч з «посадковим майданчиком» буде подібна вибуху. Удар породить на поверхні планети температуру в багато тисяч градусів і тиск в мільйони атмосфер.
Мішень миттєво перетвориться на своєрідний реактор, в якому почнуться процеси випаровування і плавлення гірських порід, а потім піде розрив реактора, і розплавлена і подрібнена кам’яна речовина розлетиться навколо. На поверхні з’явиться метеоритний кратер, навколо якого кільцем ляже підкинута вгору гірська порода.
У фокус суперечки потрапили і кільцеві структури Землі, багато в чому подібні з кратерами на Місяці. Їм теж стали приписувати космічне походження, називаючи «ударними кільцевими структурами», «метеоритними структурами», «астроблемами» і так далі. Була розроблена теорія так званих шок-процесів, що протікають дуже швидко, тільки в момент удару і не порівнянних за інтенсивністю зі звичайними земними. Завдяки потужності цього моментального процесу в місці зустрічі метеорита і земної поверхні з’являються рідкісні мінерали, зокрема коесит, які спочатку були синтезовані в лабораторних умовах при високих тисках і температурах, а вже потім знайдені в шок-структурах.
Ідеї ударного метаморфізму захопили багатьох дослідників… Досить було в кільцевій структурі виявити сліди цього процесу, щоб тут же вказати на причину її виникнення — приліт космічних «прибульців». На Землі, на думку цих вчених, немає сил, здатних настільки докорінно перетворювати гірські породи.
Однак з плином часу геологічне вивчення великих астроблем показало, що вони виникли не миттєво, не за один раз, а в кілька прийомів. Їх породив багатоактний процес, ланцюг геологічних подій, розтягнутий в часі на десятки мільйонів років. Вчені встановили, наприклад, що відомі кільцеві структури Седбері в Канаді і Вредефорт в Південній Африці утворилися за двісті мільйонів років.
З іншого боку, в ряді районів зустрінуті кільцеві структури, розташовані по сусідству з добре знайомими геологам трубками вибуху. Це, наприклад, відомі кільцеві структури Рис і Штейнхейм, розташовані поруч з трубками вибуху Південної Баварії, западина Попігай і кільця в нижній течії річки Оленек на півночі Сибіру, структури в центральній частині території США та інші. Трубки вибуху – це канали, що утворилися при прориві газів через пласти земної кори. Вони бувають заповнені уламками порід, так званою брекчією. Досить часто брекчії виявляються алмазоносними, тому трубки вибуху ретельно вивчені геологами. Діаметр їх не дуже великий, зазвичай не перевищує кілометра в поперечнику. Кільцеві структури, виявлені поруч з трубками вибуху, найчастіше виявляються з ними одного віку і відрізняються тільки масштабами і напруженістю процесів, що створили їх. Логічно припустити, що і ті й інші породжені однією дією — земними вибухами, оскільки трубкам вибуху в місцевому походженні ніхто не відмовляє.
Було виявлено, що так звані астроблеми часто асоціюються з певними типами магматичних порід, багатих газами, що надходять із земних надр. І нарешті, розподіл кільцевих структур носить не такий випадковий характер, як це повинно було бути при обстрілі з космосу. Найчастіше вони зосереджені в певних тектонічних зонах, пов’язаних з підняттям фундаменту земної кори або розломами в ній. Значить, імпульс, який створив геологічні кільця, був спрямований знизу — із земних глибин, а не зверху, не з космосу.
Зібрані разом і ретельно вивчені відомості про земні кратери привели до висновку, що більшість кільцевих структур Землі утворено вулканічною діяльністю. Однак в це положення вносяться серйозні зміни, виділяючи з п’яти різних типів вулканічних вивержень один, який міг зробити роботу, порівнянну за швидкістю з могутньою діяльністю метеоритного удару. Йдеться про газовий викид — про вулканізм бандайсанського типу.
Більше ста років тому в двохстах кілометрах на північ від Токіо буквально вибухнув вулкан Бандай-сан, що мовчав тисячу років. Один з конусів вулкана зменшився на 600 метрів, одночасно з’явився кратер глибиною в півкілометра. Лави під час цього виверження не було — грандіозні руйнування справив викид газів. Саме такому типу вивержень під силу роздрібнити і подрібнити в пил монолітні породи, підняти температуру і тиск до таких величин, що народжуються рідкісні мінерали, породити процеси надзвичайної сили. Тиск ударної хвилі при проходженні через гірські породи може досягати півмільйона атмосфер.
Такого роду вулканічний видих привів до однієї з найбільш грандіозних природних катастроф — виверження вулкана Кракатау в 1883 році. Половина гористого острівця, на якому він розташований, була перетворена в найдрібніший порошок. У вигляді вулканічного попелу він розсіявся на величезній території в 800 тисяч квадратних кілометрів і частково залетів в стратосферу на висоту 60-80 кілометрів. До катастрофи на острівці височіли дві гори довжиною вісім кілометрів і шириною до п’яти кілометрів. Уламки завбільшки з голову людини Кракатау катапультував на відстань до двадцяти кілометрів. Частина викинутого матеріалу подолала земне тяжіння і пішла в міжпланетний простір.
Нещодавно було детально вивчено виверження вулкана Толбачик на Камчатці. Аналізуючи зібрані матеріали, вчені встановили, що газ виривався з жерла Толбачика з надзвуковою швидкістю!
Виявляється, енергії газового виверження досить для того, щоб переробити породи, роздрібнити їх, переплавити, випарувати — словом, зробити те ж, на що здатний удар метеорита!
Можливості ударної вибухової хвилі були перевірені при підземних ядерних вибухах в США. Навіть на значній відстані від центрів ядерних вибухів були виявлені прояви шок-метаморфізму, поблизу ж гранітні породи випарувалися повністю. За оцінками вулканологів, дегазація Землі супроводжується куди більш потужним виділенням енергії. Виверження Кракатау, наприклад, в мільйон разів (!) перевершувало за силою вибух ядерного пристрою, що випарував гранітну породу.
Газ і рідина, що рвуться наверх з великих глибин, можливо, створюють ефект гідравлічного удару, проникаючи в земну кору. Така ситуація може виникнути, наприклад, коли у вогнища землетрусу відбувається різке зближення двох блоків кори або мантії, розділених розломами. У таких розломах, як правило, накопичуються гази. Замкнені, здавлені зсунутими блоками кори, вони будуть зі страшною силою рватися назовні.
Різкі видихи притаманні не тільки Землі. Сліди первинного бомбардування Місяця метеоритами давно поховані під його корою, а його рельєф — це збережений вулканічний ландшафт. Кора Місяця має товщину від десяти до шістдесяти кілометрів і складається з вивержених порід, що надійшли з його надр. Внаслідок охолодження Місяця магма в її надрах могла зберегтися тільки на глибині 800-1000 кілометрів і, звичайно, прорватися наверх крізь кору такої потужності не може. Але дегазація Місяця триває. Це підтверджують прямі спостереження: в деяких кратерах відбувається витікання газів, в інших помітно підвищення температури — на сто градусів вище, ніж в прилеглій місцевості. В середині кратерів іноді видно поглиблення — це вулканічні жерла, пробуравлені газами. З великих вулканів газові виверження викинули матеріал на відстані, рівній четвертій частині кола Місяця. Астрономи давно помітили сліди цих викидів, що тягнуться у вигляді світлих «променів» на всі боки від найбільших місячних вулканів.
Вибуховий вулканізм є на Марсі, Меркурії та інших планетах Сонячної системи. На Марсі, як і на Місяці, виявлено безліч двоярусних кільцевих структур, в деяких помічено по кілька кілець. Оскільки метеорити не можуть зі снайперською точністю потрапляти в одну і ту ж точку, логічніше припустити — багатокільцева будова створена повторними газовими виверженнями. На поверхні Іо — супутника Юпітера — вісім вулканів викидали попіл на висоту до 320 кілометрів зі швидкістю до тисячі метрів в секунду. Таку кінетичну енергію твердим частинкам могли повідомити тільки глибинні гази.
Американські вчені знайшли, що вулканічна активність можлива і на невеликих супутниках Юпітера і Сатурна, які складаються з… льоду! Роль магми в них виконує аміачно-водний розчин, відбувається там і дегазація.
Вирішальним для з’ясування біографії кільцевих структур Місяця, Марса, Меркурія і Землі може бути вивчення слідів метеоритного удару з точки зору законів механіки. Більшість метеоритів падає на поверхню не вертикально, а під кутом. Експерименти показують, що косий удар швидкоплинного твердого тіла об бетон залишає асиметричну вм’ятину. Те ж повинно спостерігатися при падінні метеоритів, і чим більше вони, тим помітніше виявиться асиметрія кратерів: буде різною крутизна стінок, висота валу, що оточує западину, кратер буде витягнутий в плані і так далі. Це не спостерігається у більшості кільцевих структур ні на Землі, ні на поверхні сусідніх планет. Навпаки, кільцеві структури повсюдно наближаються за формою до кола і набагато рідше — до еліпса або овалу.
Цікаво, що творець теорії «планетезималей» — великих частинок, з яких колись сформувалися планети,— відомий американський астроном Т. Чемберлін ще в 1929 році звернув увагу на круглу форму кільцевих структур і ще тоді прийшов до висновку, що кратери Місяця — результат вулканічних вивержень, а не падіння метеоритів на його поверхню. Однак надалі його міркування були забуті. Але в 1949 році геолог А. Хабаков в чудовій книзі «Історія розвитку поверхні Місяця» вказував на вулканічну природу більшості кратерів цієї планети. Вивчення зразків місячного грунту показало, що він являє собою в основному вулканічний попіл, а не результат дроблення порід метеоритами.
Однак газовий вулканізм не пояснює всього різноманіття кільцевих структур. Два геологи нещодавно запропонували їх класифікацію: у ній три типи, що включають десять груп, які, в свою чергу, складаються з двадцяти дев’яти різних видів! Перший тип — це структури, утворені діяльністю зовнішніх агентів на поверхні Землі, до другого відносяться ударно-вибухові — сліди падіння метеоритів, і третій тип — ендогенні, що виникли в результаті впливу підземних сил.
Мабуть, земна кора так вже влаштована, що, незважаючи на різноманітні впливи — удари метеоритів, руйнування вітром і водою, поштовхи знизу, прориви газів з глибини, вона реагує на них приблизно однаково: в ній виникають кільцеві утворення, подібні за зовнішніми ознаками, але такі, що відрізняються за більш тонким прикметами.
Автор: В. Друянов.