Кац Я. Г., Козлов В. В., Макарова Н. В., Сулиди-Кондратьев Е. Д. Геологи изучают планеты

Предисловие

За последние годы накоплен обширный материал, позволяющий изучать отдельные проблемы геологии планет. Познание геологии планет может иметь определенное значение для выявления некоторых закономерностей строения Земли. В настоящее время ученые пришли к выводу о том, что фундаментальные закономерности в строении и эволюции Земли как планеты могут быть выявлены только в сравнении с другими небесными телами. Так, например, еще академик А. П. Павлов выделил "лунную стадию" в развитии Земли, когда на ней преобладали вулканические процессы; В. Пикеринг объяснил происхождение впадины Тихого океана отрывом Луны от Земли; А. В. Хабаков наметил аналогии в строении лунных и земных вулканических аппаратов и в проявлении на этих планетных телах систем разрывных нарушений.

С началом космической эры, когда был запущен первый искусственный спутник Земли и затем к Луне и к планетам Солнечной системы устремились автоматические межпланетные станции (АМС), а на Луне были проложены первые геологические маршруты, подобные сравнительно-планетологические исследования становились все более многочисленными. На первых порах при неполноте ранних сведений о других планетах возникало естественное стремление объяснить все непонятные феномены привычными в земных условиях геологическими явлениями: кольцевые формы на других планетах пытались сопоставить с земными вулканическими аппаратами; светлые породы на лунных материках сравнивали с гранитами земных континентов. Множество проблем при таком сравнении было решено однозначно. Например, темные породы лунных морей большинство геологов всегда считало базальтовыми лавами. Во всяком случае, различные формы поверхности, выявленные на снимках Луны, Марса, Меркурия, а потом и далеких спутников Юпитера и Сатурна, на радиолокационных снимках Венеры под покровом атмосферы, сразу же получали вполне достоверное геологическое обоснование.

Геологическое изучение других планет дало новый импульс познанию Земли. Успешно расшифровываются все более ранние этапы геологической летописи нашей планеты. Становятся более понятными процессы дифференциации вещества, приводящие к образованию оболочек Земли — геосфер. Выявляется все больше земных гигантских метеоритных кратеров — аналогов кольцевых образований такого же происхождения на других небесных телах. Изучение далеких планет способствовало формированию новых представлений о путях эволюции Земли, рассмотрению ее строения в глобальном аспекте, во взаимосвязи с развитием Солнечной системы и Галактики в целом.

Задача этой книги — в популярной форме рассказать всем, кто интересуется вопросами строения и развития Земли и других планет с геологических позиций, об общности и различиях их природы.

Сейчас, когда популяризации достижений в изучении космического пространства уделяется большое внимание, многим читателям будет интересно ознакомиться с проблемами геологии планет. Мы надеемся, что эта книга привлечет внимание широкого круга читателей и специалистов-геологов.

Конечно, геология планет во многом еще является наукой будущего, но уже и сейчас накоплен огромный фактический материал, выдвинуты интересные гипотезы, намечены пути решения многих геологических проблем на базе сравнительно-планетологических исследований. Пользуясь случаем, авторы выражают искреннюю благодарность своим коллегам по работе: М. Д. Полторак, Г. М. Симоновой и Т. Н. Хохловой за помощь в оформлении книги.

Геология в век изучения космоса

Геология — одна из молодых наук о Земле. Однако геологические наблюдения велись с давних времен, когда человечество стало добывать полезные ископаемые с помощью подземных выработок и проводить глубокие оросительные каналы.

Горные породы первоначально были необходимы в качестве орудий охоты, средств труда и материалов для строительства, позже они стали использоваться как топливо и сырье для выплавки металлов. С горными породами связаны многие области человеческой деятельности; от знания горных пород, от умения их добывать и использовать зависело дальнейшее развитие общества. Потребность в изучении полезных свойств горных пород и выяснение основных закономерностей их размещения на поверхности и в глубинах Земли обусловили быстрый рост геологических знаний.

В настоящее время все области науки, включая геологию, переживают качественный скачок, связанный с научно-технической революцией. Изучение дна Мирового океана, обширные геолого-геофизические исследования на континентах, включая Антарктиду, бурение глубоких и сверхглубоких скважин, моделирование условий земных недр, анализ космических снимков — все это способствовало познанию Земли в планетологическом аспекте. В земных лабораториях уже анализируются образцы лунных пород и дешифрируются с геологических позиций снимки Луны, Марса, Венеры, Меркурия, спутников Юпитера и Сатурна. Появился богатый материал для сравнительного анализа.

Космические методы предоставили геологам богатейшие сведения, позволяющие в глобальном масштабе изучать строение земной поверхности, решать важнейшие проблемы теоретической геологии и выявлять закономерности размещения полезных ископаемых. Для анализа и обобщения приобретенной космическими путями информации возникла необходимость в создании нового направления в геологической науке — космической геологии. Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что ему принадлежит будущее как в изучении строения земной коры, так и в изучении геологии планет Солнечной системы.

Среди многих преимуществ космической съемки важнейшей является возможность широкого охвата местности. Высокая обзорность обеспечивает анализ изображений огромных площадей, полученных при одинаковых условиях съемки. Высокая обзорность достигается за счет большой высоты съемки и использования широкоугольной оптики и сканирующих устройств. Следующим достоинством космической съемки является ее объективность. На одном космическом снимке перед исследователем предстают геологические структуры, развитые на огромной площади, контуры которых не искажены геологом или картографом. Существенное значение имеет периодичность космической съемки, т. е. получение изображений геологических объектов через определенные промежутки времени, что способствует изучению динамики геологических структур. Преимущество космической съемки заключается еще и в возможности изучения геологической структуры, отснятой одновременно с помощью специальной аппаратуры в нескольких зонах спектра.

Космической съемке свойственны оперативность, большая эффективность и значительная экономичность. Она позволяет детально изучать труднодоступные районы земной поверхности. Материалы космических съемок удобны еще и тем, что их с успехом можно обрабатывать с помощью ЭВМ. Преимущества такой съемки очевидны, однако наиболее оптимальные результаты она дает только при комплексном ее использовании с другими традиционными наземными видами геологических работ.

Как же космическая геология способствует поиску минеральных богатств Земли? Изучение космических снимков позволило четко выделить несколько типов геологических структур, которые наземными методами либо не устанавливались, либо устанавливались со значительными трудностями. К ним относятся прямолинейные структуры — линеаменты, прослеженные на многие сотни и даже тысячи километров, и кольцевые образования различных радиусов. Оба типа геологических структур интересны в теоретическом и практическом отношениях.

Линеаменты — это линейные или пологие дугообразные структуры планетарного значения, связанные в начальном этапе, а иногда на протяжении всей истории развития земной коры с глубинными расколами. Они устанавливаются геологическими, геоморфологическими и геофизическими методами, а теперь в большом количестве обнаруживаются и на космических снимках. При этом установлены две интересные особенности их проявления. Во-первых, степень и количество выявленных структур зависят от масштаба съемки: чем меньше масштаб, тем ярче, отчетливее и протяженнее выглядят линеаменты на космических снимках. Следовательно, особенность космической съемки заключается в генерализации мелких деталей строения в единое целое. Во-вторых, современная геологическая структура, как правило, является секущей по отношению к линеаментам. Это свидетельствует о том, что линеаменты — более древние образования, чем современная геологическая структура. Какова же природа линеаментов, выделяемых по космическим снимкам? Пока на этот вопрос существует несколько ответов: первый отождествляет линеаменты с глубинными разломами земной коры; второй связывает их с зонами повышенной трещиноватости и третий рассматривает линеаменты как поверхностные образования.

Изучение линеаментов показало, что в большинстве случаев они связаны с расколами в земной коре и отождествляют собой зоны повышенной трещиноватости, где, как известно, происходит концентрация большинства полезных ископаемых. Значит, выявляя с помощью космических снимков новые линеаменты, мы увеличиваем перспективы поисков новых месторождений полезных ископаемых.

Другим важным объектом, который устанавливается с помощью космических снимков, являются кольцевые структуры. Диаметр их разнообразен и колеблется в широком диапазоне. Вопрос о происхождении многих из них до сих пор остается открытым. Пока еще трудно определить, являются ли они следами древней метеоритной бомбардировки, как на Луне, Марсе и других планетах, отражением глубинной структуры Земли или представляют собой кольцевые разломы. Какое из объяснений окажется ближе к истине — покажут дальнейшие исследования.

Очевидно одно — что с помощью космических снимков устанавливается огромное число ранее неизвестных кольцевых структур, которым принадлежит весьма существенная роль в строении земной коры и с которыми связываются некоторые типы рудных месторождений.

Прогресс в развитии космической техники позволил вплотную подойти к изучению геологии отдельных планет Солнечной системы и выделить новую отрасль естествознания — сравнительную планетологию, т. е. научное направление, которое должно заниматься сравнительным анализом геологического строения планет и Земли.

Планеты солнечной системы

Что же дает сравнительная планетология для познания геологии нашей планеты? Прежде всего, методы сравнительной планетологии позволяют понять процессы формирования первичной коры Земли, ее состава, ранних стадий развития, процессов океанообразования, возникновения рифтогенеза, вулканизма и т. п. Все эти данные помогают выявить новые закономерности размещения месторождений полезных ископаемых в земной коре. Сравнительно-планетологические исследования смыкаются с такими прогрессивными методами как глубинное сейсмическое зондирование и проходка сверхглубоких скважин.

Во-вторых, сравнительно-планетологический метод показал, что в развитии тектонических структур планет земной группы^[1] имеется много сходных черт. Было установлено, что все планеты земной группы имеют ядро, мантию и кору. Кора всех планет может быть подразделена на континентальную, океаническую и переходную. Примечательной особенностью всех планет земной группы является их глобальная асимметрия, выраженная в несимметричном расположении участков коры океанического или континентального происхождения. В коре всех планет и Луны установлены системы разломов. Отчетливо видны трещины растяжения, приведшие к образованию на Земле, Марсе и Венере рифтовых систем. Только на Земле и Меркурии пока установлены структуры сжатия. Только на Земле выделяются складчатые пояса, гигантские сдвиги и шарьяжи. В дальнейшем предстоит выяснить, в чем же причина отличия строения коры Земли: связана она с повышенными ресурсами внутренней энергии или обусловлена другими причинами.

Обнаружение древних вулканов на Марсе и современного вулканизма на спутнике Юпитера Ио показало общность процессов дифференциации вещества, становления литосферы и ее последующих преобразований. Похожими оказались даже формы вулканических аппаратов. С другой стороны, изучение метеоритных кратеров Луны, Марса и Меркурия привлекло внимание к поискам подобных образований на Земле. Сейчас уже выявлены многие десятки достоверно доказанных древних метеоритных кратеров — астроблем, диаметром до сотни километров.

Сравнительно-планетологический метод имеет практические аспекты применительно к геологии. Проникая все глубже в недра в поисках рудных залежей, геологи теснее сталкиваются с проблемами становления начальной коры. Намечается связь рудных месторождений с элементами строения кольцевых структур.

Фотопортреты планет

Одним из ведущих методов изучения планет земной группы и Луны является интерпретация снимков поверхности — своего рода фотопортретов, на которых четко видны все особенности рельефа и структуры, доступные для геологического дешифрирования. В геологических исследованиях аэрофотоснимки давно уже находят самое широкое применение. Одним из инициаторов развития этого направления исследований был академик А. Е. Ферсман. В послевоенные годы в связи с потребностями страны в быстрейшем выявлении минеральных ресурсов были созданы специализированные аэрогеологические экспедиции. Уже в те годы над заснеженными хребтами Алтая и бескрайней тайгой Эвенкии можно было увидеть самолеты с надписью "Аэрогеология" на фюзеляже.

Космические снимки земной поверхности сразу же привлекли внимание геологов. На них удалось увидеть целиком крупные регионы, складчатые пояса, зоны разломов — гигантских трещин в земной коре, своеобразные кольцевые структуры поперечником в десятки и сотни километров. Аэрофотоснимки и космические снимки стали такими же неизменными спутниками геолога, как геологический молоток и горный компас. В зависимости от задач в геологических исследованиях применяются снимки всего масштабного ряда, когда съемка ведется с искусственных спутников Земли, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, самолетов на разных высотах. Поэтому иногда говорят об "этажерке" — наборе снимков разной детальности, или разных уровней генерализации.

Снимки глобального уровня были получены с автоматических межпланетных станций серии "Зонд" и пилотируемых кораблей "Аполлон", уходивших в сторону Луны. На этих снимках целиком виден весь земной шар. Однако большая часть его поверхности всегда закрыта облачным покровом. Чаще из-под облаков выступают Северная Африка, Средиземноморье, Аравия, районы Ближнего Востока и Средней Азии. На таких снимках четко прослеживаются структуры Альпийско-Гималайского складчатого пояса, выделяются протяженные линеаменты, в которые группируются мелкие разрывы и зоны трещин в земной коре.

Вид Земли с высоты 7000 км (АМС 'Зонд-7')

Снимки континентального уровня охватывают значительные части континентов. Их получают с автоматических искусственных спутников, предназначенных в первую очередь для метеорологических целей, главным образом для изучения облачного покрова. В СССР это спутники системы "Метеор". Несмотря на свое назначение, эти снимки оказались интересными и для геологов. При малом разрешении — всего 1-2 км на местности — на обширных пространствах при отсутствии облаков на снимках отчетливо дешифрируются крупные черты геологической структуры, в том числе гигантские разломы, складчатые зоны и кольцевые структуры. Эти снимки — ценный материал для тектонического районирования. Благодаря эффекту генерализации, на них как бы проступают глубинные структуры земной коры. Это явление даже было названо "просвечиванием", или "рентгеноскопичностью" мелкомасштабных космических снимков, хотя эти понятия и не соответствуют каким-либо физическим явлениям.

Следующий уровень обычно называют региональным. Разные исследователи предлагают несколько отличные границы по пространственному разрешению для снимков этого уровня генерализации. Наиболее часто в состав таких снимков включают изображения земной поверхности, на которых на местности видны детали размером 50-250 м. Большое число таких снимков получено с пилотируемых космических кораблей и орбитальных научных станций. Например, со станции "Салют-4" съемка выполнялась стационарными камерами КАТЭ-140 и ФМС-80. Она проводилась в ориентированном режиме, т. е. тогда, когда оптические оси аппаратов были направлены строго перпендикулярно к земной поверхности. Камера КАТЭ-140 широкоформатная, с очень высокими оптическими характеристиками. Благодаря высокому качеству негативов возможно получение фотоснимков с многократным увеличением.

Камера ФМС-80 представляет собой блок из четырех фотоаппаратов, работавших одновременно. Благодаря набору пленок и светофильтров каждый аппарат мог получать изображение в определенной зоне спектра. Таким способом весь фотографический диапазон был, как бы разрезан на три части. Фотоснимки с минимальными длинами волн (500-600 нм) оказались наиболее интересными для изучения мелководий шельфа, так как на них проступает рельеф дна на небольших глубинах, видны так называемые подводные ландшафты. Снимки средней зоны (600-700 нм) явились основным материалом для расшифровки геологического строения во многих горных районах. В ряде местностей особенно эффективным оказалось использование снимков с длинами волн 700-850 нм, которые захватывают ближний инфракрасный диапазон, невидимый человеческому глазу. На них резко выделяются местности с повышенной увлажненностью, видна вся система даже самых незначительных водотоков. Такие снимки — ценный материал для гидрогеологов, мелиораторов, специалистов в области инженерной геологии. Они оказывают большую помощь при расшифровке глубинного строения равнинных территорий, где особенности строения горных пород на глубине получают отражение в ландшафте. Четвертый аппарат в этой системе был заряжен цветной диапозитивной пленкой с тем, чтобы получать изображение поверхности Земли в цветах, близких к естественным.

Большое место в работе экипажей орбитальных станций уделяется фотосъемке с помощью ручных камер. Такая съемка выполняется через иллюминаторы станции без предварительного ориентирования или в режиме гравитационной стабилизации, когда станция ориентирована своей осью в сторону Земли, сохраняя такое положение длительное время. Снимки при этом получаются преимущественно перспективные. Сами космонавты в соответствии с программой исследований выбирают сюжеты съемки и определяют наиболее благоприятные условия фотографирования. При длительной работе экипажа накапливается ценный материал по условиям космической фотосъемки геологических и других природных объектов. Особенно большая работа по съемке ручными камерами была выполнена космонавтами на станции "Салют-6". В результате съемок Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, В. В. Коваленка, A. С. Иванченкова, В. А. Ляхова, В. В. Рюмина, В. П. Савиных получены тысячи космических фотоснимков, запечатлевших разломы и кольцевые структуры, вулканы, прихотливо изогнутые в сложные складки пласты горных пород в Загросе и Высоком Атласе и следы отступания Каспия. Большое впечатление оставляет снимок газово-пеплового шлейфа во время извержения вулкана Горелый на Камчатке. Снимки представляют особый интерес для целей сравнительно-планетологического анализа. Чтобы убедиться в этом, достаточно положить рядом снимки вулкана Олимп на Марсе и потухшего вулкана Эми-Куси в нагорье Тибести, в центре Сахары. Эти вулканические сооружения оказались удивительно похожими.

Снимками детального уровня являются многозональные фотографии, полученные космонавтами В. Ф. Быковским и B. В. Аксеновым с пилотируемого космического корабля "Союз-22". Они были выполнены с помощью камеры МКФ-6 в процессе эксперимента "Радуга" в результате международного сотрудничества ученых СССР и ГДР в рамках программы "Интеркосмос". Съемка производилась в шести зонах спектра. На снимках, полученных при благоприятных условиях, видны детали размером порядка 15 м на местности. Эти материалы пригодны для обработки с помощью оптико-электронных средств и ЭВМ как в аналоговой, так и в цифровой формах.

Еще более детальные снимки получают с помощью самолетов. При высоте полета более 10 км аэрофотосъемка считается высотной. Ее масштаб варьирует в пределах 1:200000-1:100000. С помощью низколетящих самолетов и вертолетов можно получить снимки практически любой необходимой детальности, на которых будут видны даже одиночные деревья и крупные камни. Наряду с обычными аэрофотоснимками все более широкое применение получают радиолокационные изображения и снимки в инфракрасном тепловом диапазоне, полученные с помощью тепловизоров. Инфракрасная съемка основана на изучении тепловых контрастов и пригодна для распознавания геологических объектов. Особенно эффективно ее использование при изучении районов с активной вулканической деятельностью, при гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях, при поисках грунтовых и подземных вод. Радиолокационная съемка может быть осуществлена в любое время суток и при любой погоде, так как облачность, туман и освещенность не влияют на прохождение радиоволн.

В целом геологи сейчас обеспечены большим набором разномасштабных изображений земной поверхности, полученных к тому же в различных зонах спектра. Специалист в области геологического дешифрирования уверенно выделяет на них разломы, кольцевые структуры, трещины, слои горных пород, вулканы и лавовые покровы — все многообразие различных геологических объектов. Накопленный опыт используется для расшифровки снимков других планет, хотя на их фотопортретах выявляется немало загадочного, над чем ученым приходится задумываться.

Как обеспечены снимками другие небесные тела, чем отличаются их фотопортреты от земных? Начнем с Луны, так как благодаря близости к Земле она была давно уже доступна для фотографирования с помощью телескопов. Со времен Галилео Галилея многочисленные исследователи наблюдали, а в дальнейшем и фотографировали видимое с Земли полушарие Луны. Из лучших фотографий, полученных наиболее совершенными инструментами ведущих обсерваторий, собраны фотографические атласы. Для видимого полушария были составлены различные карты, вплоть до масштаба 1:1000000, а также фотокарты.

Снимки Луны многократно дешифрировались, в том числе и с геологических позиций. Особое внимание уделялось происхождению многочисленных кратеров, которым приписывалось как метеоритное, так и вулканическое происхождение. Темные покровы в лунных морях большинство исследователей Луны интерпретировали как потоки застывшей базальтовой лавы, хотя высказывались и другие гипотезы. Например, Т. Голд считал их скоплением пыли, а Дж. Вильсон — застывшими битумами. Были введены даже особые названия для предполагаемых лунных пород. Так, светлые породы лунных материков были названы Дж. Сперром луноритом, а темные образования морей — лунобазой. На наиболее совершенных телескопических фотоснимках видны детали размером 800 м на лунной поверхности; при наблюдениях в телескопы, особенно на высокогорных обсерваториях с большой прозрачностью атмосферы, удавалось фиксировать объекты до 500 м в поперечнике.

Видимая сторона Луны — Залив Радуги Океана Бурь. Отчетливо видно, как молодые лавовые потоки базальтов перекрывают древние кратерированные материковые поверхности

В результате полетов автоматических и пилотируемых станций получено множество снимков лунной поверхности самой различной детальности, в земные лаборатории доставлены сотни килограммов лунных пород, на поверхности Луны выполнены первые геологические маршруты. Остановимся лишь на главнейших вехах этих выдающихся исследований. Одной из важнейших задач исследовании Луны с помощью АМС^[2] было получение снимков ее обратной стороны, невидимой с Земли, о строении которой высказывались самые различные гипотезы. В 1959 г. АМС "Луна-3" выполнила фотографирование большей части обратной стороны Луны с площадью около 10 млн. км². Было установлено, что обратная сторона занята в основном материковыми областями светлой окраски с малым числом морских впадин. Исследования в этом направлении были продолжены в 1965 г., который ознаменовался успешным запуском в сторону Луны станции "Зонд-3". В результате с расстояния около 10 тыс. км была сфотографирована 1/3 поверхности обратного полушария Луны. На снимках были видны кратеры разных размеров, протяженные цепочки кратеров, крупные трещины. Не подтвердились гипотезы о развитии сплошного пояса морских впадин и о наличии на обратной стороне предполагаемого Океана Антиподов. В целом обратная сторона естественного спутника Земли перестала оставаться загадкой для человечества.

В 1964 г. поверхности Луны достигла станция "Рейнджер-7". Она совершила посадку в Море Познанном. Станция производила съемку с приближением к поверхности, вплоть до высоты 480 м. На последнем снимке на площади 50X30 м различаются объекты до 0,5 м в поперечнике. Следующие аппараты прилунились в Море Спокойствия и в кратере Альфонс.

На следующем этапе были получены детальные снимки непосредственно на самой поверхности Луны. 3 февраля 1966 г. автоматическая станция "Луна-9" впервые совершила мягкую посадку на восточной окраине Океана Бурь. Станция передала круговые панорамы лунной поверхности. На них видны мельчайшие детали строения грунта, отдельные камни, небольшие кратеры. В этом же году на окололунную орбиту был выведен первый искусственный спутник — автоматическая научная станция "Луна-10". 2 июня 1966 г. мягкую посадку в Океане Бурь вблизи кратера Флеистид совершил космический корабль "Сервейор-1". При съемке на поверхности были использованы светофильтры, что позволило воспроизвести цветные изображения. Поверхность Луны оказалась серо-коричневой. ...