3.3. Кольцевые структуры и их природа

Развитие космической геологии вызвало повышенный интерес к кольцевым структурам и их природе. Еще в 1975 г. В. М. Рыжо­вым и В. В. Соловьевым была опубликована карта морфоструктур центрального типа территории СССР в масштабе 1:10 000 000. Все указанные на карте кольцевые структуры (несколько сотен) были раз­делены на купольные, кольцевые и купольно-кольцевые. В возрастном отношении они образуют две группы: домезозойскую и мезозойскокайнозойскую. Наиболее крупные из структур, достигающие в поперечни­ке 1000 км, расположены в районе Западно-Сибирской низменности, в Казахстане и на северо-востоке России. В крупные структуры впи­сываются более мелкие кольца, полукольца и полуовалы, диаметр самых мелких из которых составляет не более 50 км. Одна из самых крупных кольцевых структур, расположенная на Северо-востоке и имеющая в диаметре 900 км, состоит из сочетания 35 колец, овалов и полуколец.

На основании изучения кольцевых структур среди них выделяют не­сколько генетических типов. Наиболее распространены: структуры магматогенного происхождения (вулканогенные, вулканоплутонические, плутонические); метаморфогепные (гранитогнейсовые купола); струк­туры, связанные с диапиризмом соленосных и глинистых толщ, льда; связанные с грязе- и гидровулканизмом; взрывные структуры; структу­ры ударного (метеоритного) происхождения; сводовые поднятия и по­гружения (связанные главным образом с нарушением изостатического равновесия); структуры гетерогенного происхождения, так или иначе от­раженные в рельефе земной поверхности.

Кольцевые структуры бывают выражены как положительными, так и отрицательными формами рельефа, однако этот признак не может быть основой их разделения, так как и те и другие могут возникнуть при одних и тех же процессах.

В данном разделе рассмотрим лишь метеоритные кратеры и структуры, установленные только па аэро- и космофотоснимках.

Метеоритные кратеры и астроблемы. К метеоритным кратерам и астроблемам¹ относят крупные понижения и котловины на поверхности Земли, образование которых связано с кратковременным воздействием мощных ударных волн, возбуждаемых падением на земную поверхность сравнительно крупных космических тел. Метеоритные кратеры и астро­блемы известны на всех континентах. Всего их насчитывается более 150, из них 40 — на территории Канады и 25 — на территории, входившей в СССР, но природа ряда из них спорна. Размеры метеоритных кратеров различны: от 25 м до 100 км и более. К настоящему времени установлено около 20 крупных структур этого рода с диаметром более 20 км. Из них семь находятся на территории бывшего СССР, в том числе и самая боль­шая из известных — Попигайская астроблема (рис. ниже).

Обычно метеоритный кратер представляет собой округлую структу­ру, окруженную приподнятым валом, а иногда и внешней, опрокинутой от центра синклиналью. Кратеры заполнены ударной брекчией, лежащей на расколотых и трещиноватых породах. В середине кратеров часто присут­ствует центральное поднятие, сложенное хаотической брекчией, состоящей из вынесенных наверх пород дна кратера. В астроблемах из-за позднейших разрушений, оползней, оплывин и эрозии некоторые из элементов строе­ния кратеров могут быть выражены очень слабо или совсем отсутствовать. В связи с возникающими при ударе огромными давлением (до 100 Па) и температурой (до 2000 °С) в метеоритных кратерах обнаружены минералы высокобарических фаз кремнезема (коэсит, стиповерит) и высокобариче­ские фазы других соединений (рингвудит и жадеит), а также горные поро­ды особого сложения и структуры. Среди последних обычны следующие.

Попигайский кратер находится на северной окраине Анабарского щита, кристаллические породы которого перекрыты чехлом протерозой­ских и кембрийских кварцитов, доломитов и известняков, а также перм­ских песчаников и алевролитов, включающих силлы долеритов.

Попигайская астроблема

Попигайская астроблема на космоснимке

По данным В. Л. Масайтиса, кратер представляет собой округлое по­нижение в рельефе глубиной до 200-400 м значительного диаметра, час­тью заполненное четвертичными песками и галечниками. Во внутренней воронке кратера находится кольцевое поднятие гнейсовой аутигеннои брекчии диаметром 45 км, обладающее признаками ударного воздей­ствия (конусы разрушения, стекла). Воронка заполнена зювитами, в ко­торых заключены пластообразные и секущие тела тагамитов мощностью до нескольких десятков метров. Мощность импактитов в центральной части кратера достигает 2-2,5 км. Внешняя воронка образует кольцо 20-25 км шириной. Осадочные породы в ее бортах интенсивно дефор­мированы, нарушены центробежными надвигами и радиальными раз­рывами с амплитудами смещения от метров до нескольких километров. Аллогенная брекчия, залегающая под импактитами, имеет мощность не менее 150 м и состоит из обломков и глыб разного размера и рыхлого коптокластического материала. Импактиты близки по химическому со­ставу к гнейсам и состоят из стекла, обломков оплавленных гнейсов и их минералов. Из обломков такого же стекла, сцементированного тонкораз­дробленным стеклом с фрагментами пород и минералов, состоят зювиты и тагамиты.

Согласно расчетам в эпицентре взрыва ударное давление достигало 105 Па, а температура — 2000 °С. Возникавший в таких условиях при плавлении гнейсов импактный расплав растекался радиально с большой скоростью, образуя кольцевые гребни, а далее от центра — струи и потоки, перекрывающие большую часть днища кратера. Образование централь­ного поднятия началось в момент взрыва и продолжалось в результате упругой отдачи уже после заполнения кратера. Образование Попигайского кратера произошло около 30 млн лет назад.

Аризонский кратер

Аутигенная брекчия, возникающая в раздробленном основании кра­тера, характеризуется развитием трещиноватости и другими проявлени­ями ударного воздействия. Обнажена очень редко и почти всегда пере­крыта плащом других образований ударного происхождения.

Аллогенная брекчия состоит из упавших назад в кратер обломков, об­разующих различного размера нагромождения из осколков и глыб, сце­ментированных рыхлым обломочным материалом (коптокластом), к ко­торому примешивается то или иное количество стекла. Распространена очень широко по всей территории кратеров и нередко за их пределами. Мощность брекчии может составлять 100 м и более.

Импактиты представляют собой ударные брекчии, одним из основ­ных компонентов которых является стекло или продукты его изменения, образующиеся при расплавлении претерпевших удар пород. Стекло слагает цемент ударных брекчий и составляющие их обломки. Различа­ют две разновидности импактитов: стекловато-обломочные — зювиты и массивные — тагамиты.

Зювиты находятся в аллогенной брекчии. Они вместе с другими породами выполняют внутренние части воронок кратеров и в виде от­дельных языков распространяются за их пределы. Представляют собой туфообразную массу спекшихся обломков стекла и пород либо рыхлый песок.

Тагамиты также располагаются внутри воронок, нередко обра­зуя скальные обнажения со столбчатой отдельностью. Как указывают В. Л. Масайтис, М. В. Михайлов и Т. В. Селиваковская, тагамиты сле­дует рассматривать как псевдомагматические образования. Они слагают неправильные пласто- и рукавообразные тела, залегающие на поверхно­сти аутигенной брекчии в основании кратеров или над аллогенной брек­чией и зювитами, а также дайки и жерловины в аутигенной брекчии и псевдопокровы. Представлены тагамиты однообразными пятнистыми породами с пористой, иногда пемзовидной текстурой, состоящими из об­ломков темно-серого или цветного стекла. Последнее имеет афанитовое строение и насыщено обломками пород и минералов.

Помимо специфических пород в метеоритных кратерах встречены образования с особым сложением, получившие название конусов раз­рушения. Они представляют собой обломки или блоки горных пород с бороздчатой поверхностью в виде острых конусов, ориентированных вверх. Конусы разрушения известны в разных породах, но лучше вы­ражены в известняках, образуя накладывающиеся друг на друга конусы и полуконусы различных размеров — от 1 до 12 м. Экспериментальные данные показывают, что конусы разрушения являются надежным свиде­тельством мощного удара.

Под воздействием ударной волны возникают также изменения в ми­нералах и горных породах. В них понижаются показатели преломления и двупреломления, возникает ударное двойникование и ударный кли­важ. Среди ударных структур наиболее полно исследованы Попигайский кратер, расположенный на севере Восточной Сибири, Аризонский кратер в Северной Америке и Рисский кратер па юге ФРГ.

Помимо наземных наблюдений метеоритные кратеры и астроблемы изучаются с помощью аэрофотоснимков и космических снимков. В гра­витационных полях над кратерами возникают отрицательные аномалии; наблюдаются также уменьшение скоростей сейсмических волн и пони­женная магпитность пород.

К числу астроблем большинство исследователей относит и крупные раннепротерозойские структуры Сёдбери в Канаде и Фрейсфорт в Юж­ной Африке. В архее той же Южной Африки и Австралии обнаружены слои, содержащие сферулы — мелкие стекляные шарики, которые рас­сматриваются в качестве застывших капель расплава, поднятого в воздух взрывом, разнесенных воздушными течениями и выпавших в морские воды. Такие сферулы обнаружены и в фанерозойских отложениях на стратиграфических уровнях, отвечающих по возрасту известным астроблемам, в частности возникшей на мел-палеогеновом рубеже астроблеме Чиксулуб на п-ве Юкатан в Мексике.

Однако далеко не все исследователи признают ударное метеоритное происхождение многих описанных в качестве астроблем структур. Неко­торые ученые, в частности П. Н. Кропоткин и А. А. Маракушев, приписы­вают этим структурам эндогенное, взрывное происхождение. Основной довод сторонников эндогенной, взрывной природы некоторых струк­тур, описываемых другими исследователями в качестве астроблем, — их приуроченность к крупным закартированным разломам земной коры и особенно к их пересечениям, а также связь с этими разломами структур заведомо эндогенного происхождения. Наиболее яркий пример — ситу­ация в южной Германии, в районе Швабского Алъба. Здесь на прямоли­нейном разломе протяженностью около 100 км расположены с одной стороны кратеры Рис и Штейнхейм, с другой стороны поле вулканиче­ских взрывных трубок Урах.

Кратер Рис

Поэтому в спорных случаях достоверным доказательством именно импактного происхождения кратеров и их принадлежности к настоя­щим астроблемам служит обнаружение реликтов метеоритного веще­ства, обогащеиность иридием, металлами платиновой группы, никелем, а также наличие шоковых минералов — пластинчатого кварца, коэсита, стишовита и др. и конусов разрушения. Менее надежным признаком яв­ляется распространение брекчий, трактуемых как ударные, по могущих иметь и взрывной генезис.

Кольцевые структуры, отраженные на аэро- и космоснимках. При дешифрировании аэрофотоснимков на основании изучения рисунка эле­ментов рельефа, фототона и других деталей изображения довольно уверен­но выделяются многочисленные округлые, овальные или полуовальные структуры. Как указывает С. В. Порошин, наиболее часто встречаются кольцевые структуры с диаметрами 6-7, 12-15, 23-25, 30-32, 90, 120 и 480-500 км¹. Кольцевые структуры диаметром до 90 км в большин­стве своем имеют, по-видимому, вулканоплутоническое происхождение. В отношении природы более крупных образований мнения различны.

Кольцевое строение вулканоплутонических структур обусловлено прежде всего округлыми очертаниями самих вулканических построек и расположением многих элементов рельефа вокруг центров изверже­ний. В древних денудированных вулканах кольцевым строением обла­дают отпрепарированные экструзивные купола, некки, дугообразные и кольцевые дайки, радиальные и концентрические разломы, гребни вло­женных куэст, ориентированные вдоль границ обрушения. Как считают А. И, Яковлев и Н. В. Скублова, появление округлых изображений мо­жет быть также связано с тепловыми аномалиями, в центре которых рас­полагаются кратеры молодых потухших или проявляющих себя вулка­нов. Кольцевые формы создают и близко расположенные к поверхности, но не вскрытые денудацией гранитные плутоны, а также очень древние, раннепалеозойские и позднепротерозойские, сильно разрушенные вул­канические постройки. Следует отметить сходство вулканоплутониче­ских кольцевых структур с подобными образованиями других планет, и в первую очередь Луны.

Происхождение кольцевых структур диаметром более 90 км пока еще недостаточно ясно. Почти все исследователи склоняются к мысли об их большой древности и зарождении на значительной глубине. Мно­гие из кольцевых структур, установленные на древних щитах, связаны со складчатыми овалами и гранитогнейсовыми куполами, в понимании Л. И. Салопа. При образовании складчатых овалов происходило воздымание относительно легких сиалических ядер, в то время как в меж­овальных пространствах сохранились зеленокаменные пояса. На более поздних стадиях развития земной коры, начиная с позднего докембрия, поднимавшиеся легкие массы ремобилизованных под влиянием высоко­го теплового потока пород фундамента внедрялись в осадочные толщи протоплатформенного и платформенного чехла и формировались гранитогнейсовые купола. В относительно неизменном виде эти структуры сохранились в областях, не затронутых позднейшей складчатостью: на Алданском, Балтийском, Украинском и других щитах и массивах.

В северо-западной части Украинского щита по геоло­гическим и геофизическим данным и в Волго-Уральской области (Татарский свод) по данным бурения и геофизическим исследованиям установлено развитие округлых кольце­вых структур, выраженных концентрическим расположением различных образований архейского и раннепротерозойского возраста, причем более молодые образования занимают центральную часть, а более древние - периферическую часть этих структур. По данным С. Б. Богдановой, купол имеет раннепротерозойский возраст.

Между тем В. М. Моралев и М. 3. Глуховский считают купольные структуры, выявленные ими на Алданском щите по космоснимкам, очень древними и усматривают в них реликты «лунной стадии» развития земной коры. В. В. Доливо-Доброволь­ским и С. М. Стрельниковым высказано предположение о частичном или относительно полном подчинении контурам древних кольцевых структур более поздних прогибов нижних горизонтов платформенных чехлов. По­следние только прикрывают, но не скрывают структуры фундамента, про­являющиеся на поверхности Земли теми или иными признаками.

Не менее отчетливо на аэрофото- и космоснимках видны кольцевые и овальные структуры в областях погружения консолидированной зем­ной коры. К ним относятся Трансильванская, Паннонская, Прикаспий­ская, Южно-Балхашская и другие впадины.

Размеры кольцевых и овальных структур на изученной территории различны — от 25 до 300 км в поперечнике. Чёткость и рельефность их изображения зависят не столько от фотографического «проникновения» на глубину, сколько от новейшей тектонической активности этих структур или их частей. В большинстве случаев на фотографиях земной поверхности улавлива­ются едва заметные унаследованные черты развития глубинных струк­тур в течение новейшего времени. Просвечивание глубинного строения отмечалось лишь на тех участках, где чехол новейших отложений ока­зался маломощным. Многие из небольших по размерам округлых, оваль­ных и удлиненных структур в Арало-Каспийском районе принадлежат соляным куполам. Более крупные структуры, по мнению авторов, связа­ны со сводовыми поднятиями в подсолевых горизонтах над выступами фундамента впадины.

Высказаны и более общие соображения о природе крупных и гигант­ских кольцевых структур. Так, А. И. Яковлев и Н. В. Скублова видят в них отражение глубинных «энергетических центров», расположенных в астеносфере, а сами структуры, по их мнению, представляют собой места прорыва в земную кору расплавленных мантийных масс.

Еще дальше идет С. В. Порошин, полагая, что региональные кольцевые структуры являют­ся одной из форм, отражающей всплывание и прорыв вещества глубин­ных оболочек Земли в вышележащие толщи. При этом большое значение имеют конвективные токи в мантии и возможные перемещения подкорового материала.

Появление овальных структур, по мнению С. В. Порошина, связано с последующим раздавливанием первичных кольцевых структур, максимальным в земной коре и затухающим с глубиной.