Что такое реголит и как он образуется?

Что такое реголит и как он образуется?

На Земле главнейшими факторами образования и разрушения пород на поверхности являются атмосфера, гидросфера и биосфера, вследствие чего на ее поверхности образуются мощные толщи осадочных пород, занимающие почти 75% площади. Исследования поверхности небесных тел, не имеющих атмосферы, гидросферы и биосферы, таких как Меркурий, Луна и спутники Марса - Фобос и Деймос, показали, что на них нет осадочного чехла. В то же время их поверхность покрыта слоем своеобразных рыхлых пород, получивших название "реголиты". Их образование происходило и происходит в настоящее время под действием метеоритной бомбардировки, ультрафиолетовых лучей, солнечного ветра и температурного выветривания. Первые три фактора не характерны для Земли, т. е. ее поверхность защищена от их влияния мощным слоем атмосферы. Для небесных тел, не имеющих атмосферы, они являются решающими в преобразовании их поверхности.

Впервые был детально изучен реголит Луны, доставленный в земные лаборатории советскими и американскими космическими аппаратами. Он был отобран преимущественно из морских впадин Луны - моря Изобилия, и лишь два образца взяты из континентальной области. Реголит представляет собой пылевато-песчаный порошок от серого (в континентальной области) до темно-коричневого и черного (в морских областях) цвета, имеющий специфический запах гари и легко формирующийся в отдельные рыхлые комки. Реголит рыхлый; по крайней мере, рыхлым является его верхний слой мощностью до 0,6 м. Об этом свидетельствуют результаты бурения американскими астронавтами, их непосредственные наблюдения, а также характер следов, оставленных "луноходами" на поверхности Луны. Реголит в основной массе состоит из частиц горных пород, минералов, стекол размером от 1 до 0,5 мм и меньше. Выделяются две разновидности частиц: угловатые и окатанные. Последние носят следы оплавления, спекания и похожи на стеклянные и металлические капли. В составе реголита встречаются зерна следующих минералов: анортита, авгита, ильменита, плагиоклаза, пироксена, оливина, шпинели. Первые три минерала преобладают в составе реголита морских впадин, тогда как в реголите материковой области преобладают плагиоклазы, пироксены и оливин. Частицы металлического железа чаще встречаются в материковом реголите и значительно реже в морском.

Помимо основной тонкообломочной массы в состав реголита входят и крупные обломки размером от нескольких сантиметров до нескольких метров. Они имеют угловатую или округленную форму и неравномерно рассеяны по поверхности; большая их часть углублена в грунт. Обломки представляют собой раздробленные породы, выброшенные из более глубоких слоев в результате ударов метеоритов, а возможно, и вулканические бомбы. Их состав преимущественно базальтовый.

На основании изучения состава реголита, доставленного из различных районов Луны, было определено, что морские впадины сложены базальтовыми породами, а континентальные области - породами, представляющими собой анортозиты. И те, и другие в целом по химическому составу близки к аналогичным земным породам.

Мощность реголита, по-видимому, неодинакова в разных районах и на разных участках. Она зависит главным образом от глубины раздробленности пород метеоритными кратерами и глубины переработки процессами выветривания. По данным станции "Луна-16", мощность реголита в Море Изобилия равна 5,3 м, а в горах у Моря Кризисов, по данным "Луны-20", - 11 м. Однако, возможно, она может быть и больше.

Каким же образом на Луне образуется реголит, как происходит разрушение поверхности?

Наблюдения показывают, что на Луне, несомненно, происходят процессы разрушения поверхности. На телескопических фотографиях хорошо видно, что древние кольцевые горы резко отличаются по степени сохранности от молодых кратеров. Как разрушаются, каким образом могут перемещаться и где накапливаются продукты разрушения лунных гор?

Разрушение или "выветривание" (пользуясь земным термином) горных пород на Луне должно происходить в результате сильных колебаний температуры в течение лунных суток, метеоритной бомбардировки, воздействия солнечного ветра и, возможно, сейсмических явлений. Не исключено, что в прошлом при значительных масштабах лунного вулканизма большая роль могла принадлежать разрушению горных пород под ударами многочисленных вулканических бомб.

Температурное выветривание на Луне является, по-видимому, существенным фактором в разрушении пород. Суточные колебания температуры, достигающие 300° (от +125° С днем до -175°С ночью), приводят к постепенному растрескиванию и размельчению лунных пород.

Поверхность Луны постоянно подвергается ударам метеоритов различных размеров. Падая на поверхность с космической скоростью (20-30 км/с), метеориты производят удар, при котором, по данным И. И. Черкасова и В. В. Шварева, выделяется огромная кинетическая энергия, в 3 раза превосходящая энергию, выделяемую, например, при взрыве такого же по массе количества нитроглицерина. В результате постоянной бомбардировки поверхностный слой Луны полностью преобразован: структура его изменена, наблюдается дробление пород, переплавление их, образование конгломератов, частиц, насыщенных примесью метеоритного вещества. Кроме того при метеоритных ударах путем разбрызгивания жидких частиц и их последующего застывания образуется большое количество стеклянных, сферических частиц - шариков. Разрушение поверхностного грунта происходит и под действием микрометеоритов. Так, например, на отдельных зернах реголита Луны зафиксировано до 8 следов удара микрометеоритов.

Луна постоянно подвергается воздействию космического излучения, главным образом солнечного ветра, представляющего собой поток электронов и протонов. Лабораторные исследования показывают, что лунный реголит на глубину до 35 см несет признаки влияния солнечного ветра. В образцах содержится большое количество нейтральных "солнечных" газов - гелия, неона, ксенона, криптона, аргона, водорода. По данным А. П. Виноградова, их концентрация на несколько порядков выше, чем в земных породах и метеоритах. При воздействии солнечного ветра минералы теряют прочность, происходит нарушение их кристаллических решеток, спекание частиц между собой. Однако это ведет не к полному разрушению пород, а лишь частичному "распылению" поверхностных слоев реголита, при котором образуются мельчайшие пылинки лунного вещества.

Для изучения этого явления были проведены опыты, при которых сыпучие среды помещались в разреженной плазме водорода и инертных газов и подвергались бомбардировке пучками ионов. За 120 ч обработки создавался эффект, равный воздействию солнечного ветра в течение 250 млн. лет. Базальтовый порошок образовал корку с изъеденной поверхностью. Стальные шарики становились шероховатыми с поверхности и спекались. Почернение материалов объяснялось их обогащением металлами. Было подсчитано, что за время существования Луны величина разрушения под действием солнечного ветра может достигать 20 м. В этих опытах особый интерес представляет тот факт, что частицы вещества обычно спекались и покрывались коркой с поверхности. Важно также потемнение вещества в результате действия солнечного ветра, так как этим путем можно объяснить темную окраску лунной поверхности.

Роль сейсмических явлений в процессе преобразования лунной поверхности может рассматриваться пока только предположительно. Во всяком случае, на Земле давно установлена тесная связь сейсмичности и вулканизма. Предполагаемые грандиозные вулканические процессы на Луне должны были сопровождаться катастрофическими лунотрясениями. При этом должно было происходить образование трещин, сейсмических срывов и обвалов.

Также неясна пока роль вулканической бомбардировки. Во всяком случае, имеется точка зрения, выдвинутая американским селенологом Дж. Грином, который показал, что наблюдаемые на детальных фотографиях мелкие кратеры вполне могут быть воронками крупных вулканических бомб или целых глыб, выброшенных из жерл лунных вулканов. Отдельные "образования типа камней", попросту говоря, крупные обломки, которые так хорошо видны на панорамах лунной поверхности, переданной на 3емлю станциями "Луна", также могут оказаться вулканическими бомбами, хотя они и не имеют формы настоящих земных вулканических бомб.

Продукты разрушения горных пород должны, несомненно, перемещаться вниз по склонам под действием гравитационных сил. А. Т. Базилевский считает, что процесс перемещения рыхлого материала вниз по склону под действием силы тяжести является одним из основных в процессе преобразования лунного реголита. Перемещению лунного грунта по склонам кратеров способствует меньшее, по сравнению с Землей, ускорение силы тяжести, равное 162 см/с2. Оно обуславливает значительную рыхлость и пористость поверхностного слоя, снижает связность его частиц и устойчивость на склонах. Американские астронавты в 1969 г. непосредственно видели оползни на крутых откосах одного из кратеров.

За миллиарды лет существования Луны процессы разрушения горных пород должны были бы дать значительные скопления обломочного материала, но они пока не установлены. По расчетам Т. Голда, на Луне должен быть разрушен слой мощностью до 4 км. По мнению Б. Ю. Левина, лишь метеоритная бомбардировка могла привести к разрушению лунных пород мощностью не менее километра. Куда исчезли продукты разрушения? Может быть, произошло испарение вещества при метеоритных взрывах с последующим частичным рассеянием его в космическом пространстве? Ведь широко распространены представления о том, что в некоторых случаях обломочный материал мог даже достигать поверхности Земли. С другой стороны, не исключено, что рельеф Луны гораздо моложе, чем обычно предполагают, а древние продукты разрушения были вовлечены в результате последующих тектонических движений и вулканизма в сферу переработки эндогенными процессами.

Меркурий по физическим свойствам и внешнему виду очень похож на Луну. Он не имеет атмосферы. Его поверхность также испещрена кратерами и так же, как на Луне, отчетливо выделяются континентальная и морская области. Поверхность Меркурия, по-видимому, повсеместно покрыта темным мелкозернистым материалом, фотометрические свойства которого близки к свойствам лунного реголита. Химический состав этого материала, судя по спектральным данным, полученным "Маринером-10", также похож на состав реголита Луны. Важной составной частью меркурианского материала является субмикроскопическое железо. Происхождение его дискуссионно, но является, по-видимому, результатом процессов изменения вещества под действием солнечного ветра и метеоритных ударов. Помимо этих процессов в преобразовании поверхностного материала большое значение должно иметь температурное выветривание, так как контраст дневных и ночных температур на Меркурии значительно больше, чем на Луне, и достигает 600° (от +420°С днем до -180°С ночью).

На Марсе очень разреженная атмосфера и криолитосфера, вследствие чего на этой планете могут идти одновременно процессы образования обычных осадочных пород ледникового и ветрового происхождения и реголита. Пока еще о составе реголита на Марсе можно говорить только предположительно. На снимках поверхности планеты, полученных со спускаемых аппаратов станций, видна каменистая пустыня с отдельными глыбами размером до 0,3-0,5 м и песчаными наносами. Некоторые глыбы обнаруживают пористое или пузырчатое строение, что характерно для земных вулканических лав.

Верхняя часть поверхностного слоя Марса представлена реголитом - раздробленной и измененной различными процессами первичной породой.

По изменениям тепловой энергии марсианского реголита оказалось возможным определить средний размер частиц, составляющих его основную массу. Он колеблется от 1 до 10 мм. В целом породы сильно раздроблены, их плотность равна 0,85-2 г/см³. Напомним, что плотность земных пород от 2,5 до 3,3 г/см³.

Марс издавна был известен своим красным цветом. Предполагается, что реголит Марса состоит из железистых соединений, возникших при разрушении базальта и метеоритного вещества. Это могут быть богатые железом глины или гидраты окислов железа - гётит и лимонит. Кроме железа в составе мелкозернистой части грунта имеются кремний (самый распространенный элемент), кальций, алюминий, магний, сера и титан.

Однако гидраты окиси железа на Земле образуются под действием воды и кислорода. Образования их в условиях Марса, лишенного воды и почти лишенного кислорода, можно объяснить предположением, что раньше в атмосфере Марса были и вода, и кислород, впоследствии улетучившиеся, которые способствовали химическому выветриванию вулканических пород.

В результате ветровой деятельности реголит Марса во многих месторождениях разрушается или засыпается эоловой пылью. Отдельные районы Марса, как, например, равнина Большого Сирта, имеющие особенно темный цвет, по-видимому, лишены реголита, так что на поверхности обнажаются черные коренные базальты. Более интенсивно, чем на Луне, идут процессы гравитационного перемещения материала.

Таким образом, по характеру развития поверхностных отложений планеты земной группы делятся на три типа: на которых происходит седиментация (отложение) осадочных пород (Земля), на которых происходит образование реголита (Меркурий, Луна), и промежуточные, к которым относится Марс и, возможно, Венера.