Кольцевые структуры

Кольцевые структуры на поверхности Земли были известны геологам с давних пор. Однако с появлением космических фотографий возможности их исследования расширились. Почти каждый исследователь, анализирующий космический снимок того или иного региона, обнаруживает одно или несколько кольцевых образований, происхождение которых во многих случаях остается пока невыясненным.

Кольцевые структуры - это округлые одиночные или концентрические локальные образования, возникшие в результате внутренних и внешних процессов. Исходя из многообразия форм и генетических особенностей кольцевых образований их можно классифицировать по происхождению: эндогенные, экзогенные, космогенные и техногенные.

Кольцевые структуры эндогенного происхождения образовались в результате воздействия внутренних, глубинных сил Земли. Это вулканические конусы, массивы изверженных пород, соляные купола, складки округлой формы и другие подобные образования.

Кольцевые структуры экзогенного происхождения созданы внешними силами. К этой группе относят возвышенности, котловины, депрессии и т. п.

Космогенные кольцевые структуры объединяют ударно-взрывные (импактные) образования - астроблемы.

Техногенные кольцевые структуры возникли в районах интенсивной хозяйственной деятельности людей. Это крупные карьеры, терриконы, искусственные водохранилища и другие объекты, созданные человеком.

Кольцевые структуры эндогенного происхождения достаточно подробно изучены многими советскими и зарубежными учеными. Среди эндогенных структур Земли, связанных с вулканической и интрузивной деятельностью, можно выделить очаговые кольцевые структуры. Они встречаются на Земле и других планетах земной группы. На Земле эти структуры не превышают 50 км в поперечнике и образуются под воздействием магм, залегающих сравнительно неглубоко в земной коре континентального типа. Максимальное развитие они получили на активизированных "жестких" глыбах континентов.

Очевидно, что, помимо магматического фактора в образовании эндогенных кольцевых структур, определенную роль играют тектонические движения. Отдельные складки, приближающиеся по своим параметрам к куполам или чашам, имеют форму концентрических колец. К их числу следует отнести структуру Ришат, расположенную в Сахаре. Эта складка хорошо фиксируется на космических снимках. Она имеет четкое концентрическое строение, обусловленное выходами плотных песчаных пород, образующих в рельефе увалы. По поводу механизма ее образования существуют различные точки зрения. Структура Ришат могла возникнуть в результате падения метеоритного тела, но можно также предположить, что она связана с крупным телом долеритов. Кольцевые структуры, обусловленные диапиризмом, также относятся к группе эндогенных. Их образование связано с глубинным перемещением вязкой массы литосферы и ее внедрением на поверхность. Веществом, внедряемым в приповерхностные зоны литосферы, может явиться магматический расплав или вязкая каменная соль. При этом механизме, когда под давлением вышележащих толщ более вязкое вещество (соль, магма) устремляется к поверхности, деформируя и прорывая все слои на своем пути, возникают диапировые складки, имеющие в сечении кольцевую или близкую, к ней форму. Диаметр этих складок, равный сотням метров или нескольким километрам, меньше очаговых кольцевых структур или соизмерим с ним, но всегда значительно меньше диаметра эндогенных мегакольцевых структур.

К группе эндогенных кольцевых структур относятся кольцевые и дуговые разломы. В активизированных зонах земной коры с ним связаны многочисленные полезные ископаемые - олово, молибден, свинец, цинк и т. п., а на платформах - алмазоносные кимберлиты, редкие металлы, медно-никелевые руды. Можно выделить несколько типов этих структур, среди которых к эндогенной группе относятся кольцевые разломы, связанные с формированием соляных куполов и диапиров. Они образованы процессами гидровулканизма, возникшими в результате внедрения магматических расплавов или сводовыми поднятиями и проседанием пород. Диаметр этих структур от десятков метров до десятков километров. Они представляют собой вертикальные, цилиндрические или дугообразные трещины, ограничивающие вулканические кальдеры, соляные купола и прочие структуры. Большой интерес в поисковом отношении на нефть и газ представляют грязевые вулканы, которые четко фиксируются на космических снимках в виде округлых объектов. К эндогенным кольцевым структурам относятся также многочисленные гранитно-гнейсовые купола, широко развитые на древних щитах. Таким образом эндогенные кольцевые структуры подразделяются на четыре класса: тектоногенные, плутонические, метаморфогенные и вулканоидные.

Экзогенные кольцевые структуры слагаются образованиями криогенного, карстового, гляциального, эолового и биогенного происхождения.

Криогенные формы, связанные с промерзанием верхних горизонтов земной коры, хорошо видны в виде кольцевых структур на космических снимках. К ним относятся воронки и котловины, бугры пучения, гидролакколиты. Поискового интереса эти структуры не представляют, но они являются хорошим дешифровочным признаком для выявления районов вечной мерзлоты. К кольцевым структурам карстового происхождения относятся воронки, колодцы, цирки и другие формы рельефа, связанные с процессом растворения и выщелачивания карбонатных пород. Гляциальные кольцевые структуры образованы деятельностью ледников. Эоловые кольцевые формы формируются под действием ветра, образуя котловины выдувания или кольцевые дюны, хорошо видимые на космических снимках. Биогенные кольцевые формы - атоллы и рифы - так же легко распознаются на космических фотографиях.

Космогенные кольцевые структуры Земли привлекли к себе широкое внимание исследователей в последние годы.

На земном шаре известно около 100 образований (кратеров) (рис. 17), возникших в результате падения метеоритов различного размера. Их называют "астроблемами", что в переводе с греческого означает "звездная рана". Введение в научный обиход столь звучного термина американским геологом Р. Дитцем в 1960 г. отразило возросший интерес геологов к изучению ископаемых метеоритных кратеров. Они распределены по поверхности Земли очень неравномерно. В Северной Америке их насчитывается 36 (15 - в США, 21 - в Канаде); в Европе - 30 (в том числе 17 в СССР); в Азии - 11 (в том числе 7 в СССР); в Африке-8; в Австралии-8; в Южной Америке - 2.

Рис. 17. Схема расположения ударных структур, установленных на континентах Земли (по В. И. Фельдману): 1 - кольцевые образования ударный генезис которых не вызывает сомнений; 2 - предполагаемые метеоритные кратеры

По подсчетам специалистов, за последние 2 млрд. лет Земля испытала около 100 000 соударений с метеоритами, способными при падении образовать кратеры диаметром более 1 км. Примерно для 600 соударений следствием могли быть кратеры диаметром более 5 км, и приблизительно для 20 - кратеры еще большего диаметра (50 км и более). Поэтому ясно, что мы знаем пока лишь незначительную часть астроблем.

Известные астроблемы имеют округлую форму и диаметр от нескольких метров до 100 км и более. Чаще всего встречаются кратеры среднего размера, диаметром 8-16 км, а большая часть их принадлежит структурам диаметром 2-32 км (табл. 4). Мелкие (диаметром менее 0,5 км) кратеры часто образуют сплошные поля. Известно 8 кратерных полей, охватывающих от 2 до 22 кратеров (Сихотэ-Алинское в СССР, Эро во Франции, Хентери в Австралии и т. п.).

Таблица 4. Размеры известных астроблем (по В. И. Фельдману)

Возраст кратеров (табл. 5) колеблется от четвертичного (Сихотэ-Алинь, СССР) до 2000 млн. лет.

Таблица 5. Возраст известных астроблем (по В. И. Фельдману)

На Земле, где действуют мощные факторы уничтожения геологических структур, распознать метеоритный кратер не так уж легко.

Среди признаков, служащих для выделения метеоритных кратеров, первое место отводится остаткам метеоритного вещества. Оно обнаружено в 20 кратерах в виде обломков метеоритов (главным образом железных), сферул железо-никелевого состава и специфических изменений в породах.

Остальные признаки выделения кратеров определяются спецификой воздействия ударной волны, возникающей при столкновении с горными породами метеоритов, движущихся со скоростью больше 3-4 км/с. При этом возникает огромное давление, температура достигает 10 000°С. Время воздействия ударной волны на породу - миллионные доли секунды, а нарастания давления - не более миллиардных долей секунды. В минералах и породах происходят пластические деформации и твердофазные переходы: плавление, а затем и частичное испарение вещества. Воздействием ударной волны определяются черты метеоритных кратеров: округлая форма и характерный поперечный профиль; простой чашеобразный кратер при диаметре до 1 км; несколько уплощенный кратер с центральной горкой при диаметре 3-4 км; блюдцеобразный кратер с дополнительным внутренним кольцевым валом при диаметре 10 км. Для них также типичны кольцевой вал, сложенный выброшенным при взрыве материалом, кольцевое поднятие вдоль борта, зона деформаций за пределами кратера, аномалии магнитного и гравитационного полей, наличие брекчий, аутигенных, т. е. состоящих из раздробленных, но не перемещенных взрывом пород, и аллогенных из перемещенных при взрыве обломков;

конусы разрушения (известны в 38 кратерах), имеющие форму конусов с бороздчатой поверхностью высотой от нескольких сантиметров до 12 м, ориентированных вершинами к центру взрыва или от него;

присутствие в кратерах ударных и плавленых стекол и стекло-содержащих пород;

наличие минералов, в которых есть системы ориентированных трещин и появились изменения механических свойств;

наличие минералов, возникающих при нагрузках 25-100 кбар (коэсит, стишевит и др.);

наличие пород, образующихся из ударных расплавов и имеющих специфический химический и минеральный состав.

В качестве примера рассмотрим Зеленогайскую структуру на Украинском кристаллическом массиве. Эта структура представляет собой воронку диаметром около 1,5 км и глубиной до 0,2 км. Она расположена в древних породах фундамента Восточно-Европейской платформы, вблизи деревни Зеленый Гай Кировоградской области. Воронка заполнена плохо отсортированными песчано-глинистыми породами и принесенной (аллогенной) с образовавшейся на месте (аутигенной) брекчией, состоящей из обломков гранита. В породах воронки установлены изменения - признаки ударного метаморфизма, которые могут быть объяснены только сверхскоростным ударом. По этим изменениям ученые рассчитали давление, которое оказалось более 105 атм. Некоторые астроблемы бывают ограничены кольцевыми или дуговидными трещинами экзогенного происхождения, возникающими в результате механического воздействия взрывной волны. Кольцевые структуры космогенного происхождения имеют практическое значение - с ними могут быть связаны комплексы полезных ископаемых.

Кольцевые структуры техногенного типа - продукт антропогенной деятельности. С точки зрения поисков полезных ископаемых они не представляют интереса.

Есть кольцевые структуры и невыясненного генезиса. Они стали обнаруживаться уже при обработке первых космических фотографий. При этом была отмечена интересная особенность: чем древнее изучаемый комплекс пород, тем больше кольцевых структур в нем дешифрируется. Также отмечается увеличение этих структур на древних щитах и в частях континентов, ближе лежащих к океанам. Многие из этих образований стали проявляться в фундаменте под чехлом рыхлых образований (рис. 18). Кольцевые структуры стали выявляться повсеместно на космофотоснимках различных участков земного шара. Диаметр их разнообразен и колеблется в широком диапазоне. Вопрос об их происхождении до сих пор остается открытым. Не исключено, что они более древние погребенные или разрушенные аналоги известных эндогенных или экзогенных кольцевых образований. Они могут также представлять собой разрушенные древние астроблемы, которыми покрыты поверхность Луны и Маркса, т. е. являются свидетелями лунной (нуклеарной) стадии развития нашей планеты. В качестве примера можно привести кольцевые структуры, выявленные на региональном снимке района Приаралья и Кызылкума. Там выделено 9 кольцевых объектов - пологих сводовых поднятий диаметром от 20 до 150 км. Сравнение данных дешифрирования с результатами геофизических съемок позволило установить, что внутренним частям кольцевых структур почти всегда соответствуют отрицательные аномалии силы тяжести и магнитного поля, а краевым - положительные. Анализ данных позволил сделать предположение, что кольцевые структуры Казахстана имеют длительную геологическую историю. Они являются результатом изостатического выравнивания верхних горизонтов континентальной земной коры над областями скопления вещества пониженной плотности.

Рис. 18. Кольцевые структуры, выявленные при дешифрировании космических снимков в юго-восточной части Восточно-Европейской платформы (по А. Г. Рябухину): 1 - кольцевые структуры; 2 - разломы

О древнем заложении кольцевых структур говорят также данные, полученные по телевизионным космическим снимкам территории Восточной Сибири, на которых установлено более 20 таких структур. Диаметры отдельных из них достигают 700 км. Нередко эти кольцевые структуры "срезаются" древними разломами, геологическая активность которых началась 2-2,5 млрд. лет назад. Если кольцевые структуры разрушены разломами, то, значит, они существовали еще раньше, т. е. возникли на более ранних стадиях развития Земли.

Становится очевидным, что кольцевым структурам принадлежит весьма существенная роль в строении литосферы Земли. Они заслуживают самого пристального внимания. Их выявление на космических снимках и изучение в природе может существенным образом изменить промышленно-экономический потенциал того или иного района. Космические снимки показали также широкое развитие кольцевых образований на Луне и планетах земной группы (рис. 19). Детальное изучение их позволит пролить свет на природу этих во многом еще загадочных структур.

Рис. 19. Примеры кольцевых структур на планетах земной группы и их спутниках: слева - фотография поверхности Луны, полученная с борта автоматической межпланетной станции 'Зонд-7' с расстояния 10 тыс. км. На снимке видны кольцевые структуры на поверхности Луны; справа - фотография поверхности Марса, переданная с автоматической межпланетной станции 'Марс-5'. На поверхности читаются кольцевые структуры, подобные лунным