Историческая планетология

Историческая планетология

Геологи широко используют сравнительно-исторический метод познания. Изучая слои горных пород, окаменевшие остатки ископаемых организмов, пользуясь самыми совершенными методами определения возраста горных пород и минералов, геологи стремятся воссоздать историю развития различных регионов и всей Земли в целом. Считается, что возраст Земли близок ко времени формирования вещества метеоритов, то есть 4,6 млрд. лет. Земля сформировалась в результате аккреции протопланетного вещества. Этот процесс был очень сложным, так как уже в период аккреции могли происходить частичная дифференциация вещества и его разогрев. Довольно быстро образовалась первичная кора, о строении и составе которой пока можно только догадываться.

В это же время Земля подвергалась своего рода "тяжелой бомбардировке" из остаточного метеоритного роя, а ее поверхность должна была во многом напоминать современную поверхность Луны или даже скорее Марса. Еще акад. А. П. Павлов в начале века назвал эту стадию развития Земли лунной, хотя нам кажется, что более правильно называть ее марсианской, так как уже на самых ранних этапах на Земле, подобно современному Марсу, должны были проявляться элементы атмосферы и гидросферы. От гигантских кольцевых структур этого времени сохранились лишь реликты первичного кольцевого рисунка, которые усматриваются на космических изображениях земной поверхности. Интересно отметить, что в земных породах пока не установлено достоверных датировок древнее 3,8 млрд. лет. Не связано ли это с этапом 4 "тяжелой бомбардировки", которая, кстати, у Земли ввиду ее большой массы и, соответственно, суммарной массы остаточного роя метеоритов, должна была быть гораздо более интенсивной, чем у Луны или Марса. По-видимому, реликтов истинной первичной коры на Земле могло и не сохраниться, так как до сих пор не найдено горных пород более древнего возраста. Поэтому этап аккреции, формирования протокоры и "тяжелой бомбардировки" часто называют догеологической эрой, о событиях которой можно судить пока только на основе сравнительно-планетологического метода. Будем надеяться, однако, что материалы для суждения об этом далеком времени будут все-таки получены в результате сверхглубокого бурения, если в недрах земной коры или верхней мантии будут вскрыты реликты протокорового вещества.

Дальнейшая история Земли может рассматриваться как собственно геологическая. Известны лишь немногие пункты нахождения древнейших горных пород с достаточно достоверными датировками. Например, в Гренландии выявлены амфиболиты, анортозиты и граниты с возрастом 3,75 млрд. лет. Многие исследователи допускают, что первоначально в пределах современных континентов возник гранулито-базитовый слой коры в процессе дифференциации мантийного вещества. В дальнейшем были широко проявлены процессы гранитизации. Об источниках гранитного материала ведутся споры. Предполагается, что он мог образоваться в результате дальнейшей дифференциации глубинных пород. Однако более вероятно, что появлению в коре Земли кислых пород, образовавших граниты и мигматиты, способствовало разделение вещества при формировании осадков в древнейших морских бассейнах.

По крайней мере, уже на раннем этапе геологического развития Земли появился чехол древнейших осадочных и вулканических пород. Неоднократное проявление гранитизации, многофазный метаморфизм, расколы с образованием глубоких прогибов, местами с выдавливанием вдоль них мантийного материала, сложный вулканизм - эти события были далеко не одинаковыми в каждом из регионов Земли. Только в конце этого этапа при формировании так называемой зрелой континентальной коры был проявлен процесс, который был назван А. А. Богдановым кратонизацией. Для него характерны интенсивный вулканизм и формирование массивов калиевых гранитов типа рапакиви. В дальнейшем такие участки коры оставались в большинстве случаев сравнительно стабильными, выделяясь в виде древних платформенных областей, частично перекрытых чехлом более молодых осадков, отложенных реками, в озерах и мелководных морях.

Океанические впадины, существующие в настоящее время, возникли сравнительно недавно. Возраст базальтов, выполняющих их ложе, не древнее мезозоя: 240 млн. лет. Отмечается омоложение возраста базальтов от краев океанов к срединно-океаническим хребтам. Только для Тихого океана допускается более древний возраст на основе изучения горных пород его обрамления, так называемого Тихоокеанского кольца. По поводу происхождения океанической коры существуют две основные гипотезы. Одна из них связывает образование такой коры с процессом базификации. Чл.-корр. АН СССР В. В. Белоусов полагает, например, что этот процесс связан с дифференциацией мантии, насыщением и переработкой более ранней континентальной коры при подъеме пород основного состава, и как следствие этого - утяжелением коры с образованием океанических впадин.

В последние годы стала особенно популярной концепция "новой глобальной тектоники", или "литосферных плит". В ее основе лежат представления о том, что океанические впадины возникают путем расхождения (спрединга) литосферных плит, которые дрейфуют по слою пониженной вязкости - астеносфере. Скорость движения плит составляет около 1 см в год, лишь в некоторых районах она возрастает до 10 см. В пересчете на многие миллионы лет это дает эффект горизонтального перемещения плит на сотни и тысячи километров. В местах расхождения плит прослеживаются гигантские трещины - мировая рифтовая система. Вдоль таких трещин формируется молодая океаническая кора. В местах столкновения плит возникают горные сооружения, складчатые системы, иногда породы океанической коры и даже верхней мантии оказываются выжатыми на поверхность. В других случаях края океанических плит погружаются в мантию. Этот процесс назван субдукцией. Он наблюдается вдоль островных вулканических дуг, сопровождаемых глубоководными желобами. Примерами таких дуг служат Курильские и Японские острова. Такое погружение приводит к концентрации очагов землетрясений вдоль наклонных поверхностей, получивших название зон Заварицкого - Беньофа. Плавление погружающегося материала приводит к появлению вулканов на поверхности. Такие поверхности прослежены по очагам глубокофокусных землетрясений до глубин в 700 км. По мнению акад. А. В. Пейве, срывы пластин земной коры могут происходить на разных уровнях, прежде всего по поверхности Конрада и Мохоровичича. В результате подобного скучивания и возникают горные сооружения, в пределах которых породы разной глубинности смяты в складки и находятся в сложных тектонических взаимоотношениях.

Сейчас уже накоплено много данных в пользу таких представлений. Впечатляет близость очертаний противоположных берегов Атлантического океана, отмеченная еще А. Вегенером в начале этого столетия. Предполагается, что все южные континенты Земли до мезозоя составляли единый суперматерик Гондвану, о чем свидетельствуют общность населявших их в прошлом животных и растений, а также палеомагнитные и палеоклиматические данные.

Вызывает большие споры вопрос о том, могли ли происходить аналогичные перемещения литосферных плит на заре геологической истории. Этот вопрос пока остается еще более неясным. Реликты океанической коры встречаются в современных горных сооружениях, например в Альпах, на Кавказе и на Урале. По мнению одних исследователей, такие коры возникали в результате расхождения литосферных плит с образованием в этих местах океанических впадин, близких по размерам современному Атлантическому океану. Однако не исключено, что здесь могли возникать достаточно глубокие, но сравнительно небольшие впадины, отвечающие по размерам современным глубоководным впадинам Средиземного и Красного морей, где кора близка к океанической.

Возможны и другие объяснения происхождения океанической коры. По мнению Е. Е. Милановского, более вероятно образование такой коры при пульсациях (сменах расширений и сжатий) Земли, происходящих на фоне некоторого общего расширения.

Во всяком случае, каковы бы ни были причины деформаций масс горных пород на Земле, важно подчеркнуть, что наша планета до сих пор не утратила своей активности. Современные движения в виде поднятий и опусканий отдельных участков, горизонтальных перемещений блоков коры устанавливаются инструментально, например, путем проведения высокоточных повторных нивелировок, в том числе с использованием лазерных дальномеров. В районах высокой активности проявляются сейсмичность и вулканизм. Общеизвестны гигантские катастрофы, происходящие уже в историческое время. Достаточно вспомнить о грандиозном взрыве вулкана Санторин, что привело к гибели в пучинах Эгейского моря целой цивилизации, возможно даже Атлантиды.

А как же эволюционировали другие планеты земной группы?

История Луны сейчас уже достаточно хорошо известна. Правда, по-прежнему ведутся споры о том, где же она все-таки возникла: в окрестностях Земли или совсем в другом месте. Особенности состава лунных пород дали основания для предположений о том, что первоначально она возникла из высокотемпературной части протопланетной туманности, ближе к Солнцу, располагаясь внутри орбиты Меркурия. В дальнейшем из-за приливных эффектов она переместилась ближе к Земле и попала в сферу ее тяготения. По другим представлениям, Луна образовалась одновременно с Землей из единого сгустка протопланетного вещества. При этом Луна возникла в краевой части сгустка, что хорошо согласуется с данными о ее гораздо меньшей плотности по сравнению с Землей. Ведь уже на самых ранних стадиях аккреции планетных тел должна начинаться дифференциация вещества под действием гравитационных сил.

Ранний этап эволюции - это формирование континентальной коры Луны габбро-анортозитового состава. Он продолжался около 4 млрд. лет. В это время происходили сложные процессы магматической дифференциации с выплавлением основных магм, их подъемом к верхним частям коры с застыванием в близповерхностных условиях под тонким чехлом уже сформированной коры. Поверхность Луны в это время интенсивно перерабатывалась под воздействием ударов крупных метеоритов. В результате их взрывов горные породы преобразовывались в импактные брекчии. Возникло множество крупных кратеров поперечником в десятки и сотни километров. В конце этого этапа имело место усиление метеоритной бомбардировки. На этапе формирования лунной коры континентального типа Луна уже, несомненно, была спутником Земли.

На рубеже 4 млрд. лет поверхность Луны подверглась особенно значительной бомбардировке огромными телами астероидных размеров. Этот этап так и называют - этапом "тяжелой бомбардировки". Возникшие депрессии были заполнены базальтами. Формирование лунных морей было длительным и, возможно, в отдельных случаях затянулось до рубежа, близкого к 3 млрд. лет. Наиболее молодая датировка кристаллической лунной породы составляет 3,16 млрд. лет. Ввиду меньшей мощности континентальной коры на видимой стороне взрывы метеоритов открывали выход базальтовой магме. Поэтому именно здесь сконцентрированы основные моря, а днища многих крупных кратеров также выполнены базальтами.

Послеморская история развития Луны менее богата событиями. Продолжалась метеоритная бомбардировка. Достоверных следов молодого вулканизма не обнаружено. Разрушение поверхностного слоя горных пород привело к образованию мощного покрова реголита. Тектонические движения проявлялись в возникновении крупных трещин. Сейчас Луна практически утратила свою тектоническую активность. Из большого числа слабых лунотрясений, зафиксированных сейсмографами за 8-летний период работы, лишь несколько десятков могут быть причислены к тектоническим. Большинство из них связано с источниками на глубинах порядка 800-100 км, где могут существовать частично расплавленные породы. Здесь предполагается развитие астеносферы. Лишь очень небольшое число очагов тектонических лунотрясений располагается на малых глубинах - в верхней части лунной литосферы. Эффект этих слабых сейсмических толчков крайне незначителен. Огромная мощность лунной литосферы по сравнению с земной при слабом развитии астеносферы - вот причина незначительной современной тектонической активности.

Тектоническая эволюция Меркурия во многом близка к лунной, хотя здесь есть и существенные отличия. От раннего этапа развития сохранились кратерированные равнины - аналоги лунных континентов. В дальнейшем на Меркурии был проявлен этап древнего вулканизма, следы которого - это обширные вулканические плато, образовавшиеся среди кратерированных равнин. Судя по степени насыщенности кратерами, так же как и на Луне, примерно 4 млрд. лет назад здесь происходила "тяжелая бомбардировка", в результате которой возникли впадина Калорис и другие депрессии, заполнившиеся вулканическими образованиями. В этот же период возникли разломы - взбросы и надвиги, свидетельствующие о сжимающих усилиях в коре планеты. Подсчеты показывают, что они являются следствием сокращения радиуса Меркурия на 1-2 км. Признаки дальнейшей тектонической активности не установлены.

Эволюция Марса была более сложной и насыщенной событиями. Первоначально здесь также возникла кора континентального типа. Судя по степени насыщенности кратерами, формирование поверхности кратерированных равнин южного полушария завершилось, так же как и на других планетных телах, до рубежа 4 млрд. лет. После этого возрастного рубежа усилилась вулканическая активность, в результате которой образовалась выполненная базальтами Великая Северная равнина (океаническое полушарие) и возникли обширные вулканические плато на континентальном южном полушарии. В отличие от Луны, вулканическая деятельность, несомненно, была более длительной и отчетливо многофазной. По имеющимся оценкам этот процесс мог завершиться на рубеже порядка 2 млрд. лет, хотя, безусловно, на отдельных участках мог продолжаться и позднее, например, на плато Гесперия. В отличие от Луны и Меркурия, на этом тектономагматическая эволюция Марса не закончилась. В приэкваториальной части возникли обширные сводовые поднятия Фарсида и Элизий, увенчанные грандиозными щитовыми вулканами, образовались многочисленные гигантские разломы, в том числе рифтовая система Маринер. Оценки возраста этих событий пока еще очень противоречивы. Однако свежесть форм рельефа в сочетании со слабой кратерированностью позволяют предполагать, что последние вулканические излияния на Марсе происходили в интервале 0,5-0,2 млрд. лет. Дальнейшая история Марса ознаменовалась существенными преобразованиями поверхности за счет деятельности ветра, "потоков воды", таяния мерзлоты, проявления оползней и обвалов на крутых склонах.

Судить об этапах эволюции других планет земной группы и спутников планет-гигантов еще более трудно, так как выделение возрастных рубежей только по степени насыщенности поверхностей метеоритными кратерами не очень надежно. Вместе с тем даже сопоставление развития Земли, Луны, Меркурия и Марса позволяет установить некоторые общие закономерности, что представляет особый интерес для целей сравнительной планетологии.

Первым этапом эволюции для небесных тел было становление первичной коры континентального типа. На рубеже около 4 млрд. лет проявилась "тяжелая бомбардировка", причины которой, включая вероятную синхронность этого события, еще нуждаются в своем объяснении. Если предположить, что метеориты астероидных размеров происходили из остаточного роя протопланетного вещества, то трудно объяснить синхронность событий для разных небесных тел с совершенно различными массами. Более того, непонятно, почему наиболее крупные метеориты осуществили бомбардировку поверхности на заключительной стадии аккреции. И почему, наконец, этап "тяжелой бомбардировки" так сильно отстал от формирования небесных тел, более чем на 0,5 млрд. лет. Заманчиво предположить, что "тяжелая бомбардировка" связана с галактическими процессами более общего порядка, приведшими к резкому изменению орбит значительной части астероидов в Солнечной системе, или даже с прохождением Солнечной системы через район Галактики, насыщенный астероидами. Но все это не более чем гипотезы, тогда как решение этой важной планетологической проблемы - дело будущего.

Последующая эволюция небесных тел находилась в явной зависимости от их масс и запасов заключенной в них внутренней энергии. Поэтому на Земле продолжаются интенсивные тектонические движения, сопровождаемые сейсмичностью, вулканическими процессами, значительными поднятиями и опусканиями участков коры, медленными перемещениями литосферных плит. На Марсе эти процессы закончились сравнительно недавно, тогда как активная тектоническая деятельность на Луне и Меркурии завершилась на рубеже порядка 3 млрд. лет. При этом проявлении тектонической активности на других небесных телах, по сравнению с Землей, гораздо менее значительны. Правда, и в этой закономерности оказались свои исключения. Несмотря на небольшие размеры, спутник Юпитера - Ио (который лишь немного больше Луны) обладает активной вулканической деятельностью. Однако этот факт получил свое объяснение, так как на Ио имеет место приливный разогрев недр.

Во всяком случае, историческая планетология, которая только начинает развиваться, будет способствовать выделению этапов преобразования поверхностей и недр небесных тел, выявлять общие закономерности в их эволюции, помогая тем самым расшифровать и объяснить последовательность событий в геологической истории Земли, особенно на ранних стадиях развития.