С.А.Вишневский (Институт минералогии и
петрографии СО РАН)
Сравнительно недавно естествознание
изучало Землю как некоторый изолированный
объект, который развивается автономно от
Космоса, разве что только получает от Солнца свет
и тепло. Исключением здесь являлись, пожалуй,
только астрономия и метеоритика, для которых
наша планета всегда была составной частью
Вселенной. Однако, по мере накопления знаний,
постепенно появлялись принципиально новые
представления в этом плане. Лет тридцать назад
достоянием естествознания стала идея о
теснейшем взаимодействии Земли и Космоса,
определившем геологическую и биологическую
эволюцию планеты. Обнаружилось, что из Космоса на
Землю неоднократно приходили разрушительные
катастрофы, которые приводили к кардинальным
перестройкам земной биоты. Следы этих катастроф
запечатлены в геологической летописи Земли в
виде грандиозных вымираний организмов.
Рис. 1. Параметры ударного
метаморфизма и основные изменения пород и
минералов для гранитоидов (по данным [5]).
Причиной таких катастроф прошлого
оказались падения гигантских метеоритов, или
импактные события (от англ. “impact” - столкновение,
взаимодействие). В данной статье кратко
охарактеризованы сами импактные процессы и их
следы - метеоритные кратеры и астроблемы, а также
приведены некоторые данные о вымираниях
организмов за последние 140 млн лет и о
сопутствующих этим вымираниям «катастрофных
слоях» в осадочных породах.
Рис. 2. Стадии ударного
метаморфизма кварца и его специфические
изменения (по данным [6]).
Проблема импактных вымираний подробно
обсуждалась на целом ряде крупных международных
совещаний специалистов-«импактологов»
(конференция «Крупномасштабные импактные
события и эволюция Земли», 1981 г., США; конференции
«Крупномасштабные импактные события и
планетарная эволюция», 1992 г., 1997 г., Канада; I-е, II-e,
III-e и IV-e совещания Европейского Научного Фонда по
Программе «Импактное кратерообразование и
эволюция Земли», проводившиеся в различных
странах Западной Европы в 1993-95 г.г., и другие
подобные мероприятия). Последнее из таких
крупных совещаний состоится в текущем году в
Австрии (Конференция «Катастрофические события
и массовые вымирания организмов», Вена, 9 - 12 июля
2000 г.). Справедливости ради надо отметить, что
далеко не все исследователи разделяют гипотезу
импактных вымираний биоты и объясняют этот
феномен всевозможными причинами сугубо земного
плана. Однако, как следует из последних данных,
эта гипотеза в настоящее время наиболее
обоснована фактическим материалом и имеет
поддержку со стороны целого ряда дисциплин,
начиная от астрономии и физики взрыва и кончая
планетологией, метеоритикой, геологией,
палеонтологией, минералогией, петрографией и
геохимией.
Рис. 3. Астроблемы и
метеоритные кратеры Земли, в том числе: 1 -
Попигайская астроблема; 2 - кратер Чикскулуб (по
данным [9], с дополнениями автора).
Краткий исторический экскурс по
обозначенной проблеме можно начать с 1790 г., когда,
как сообщает проф. Б.А.Воронцов-Вельяминов [1],
Парижская Академия наук авторитетно
постановила, что падения камней с неба являются
мистификацией. Однако, несмотря на этот курьёз,
метеориты продолжали падать, и, в конце концов,
такие факты получили признание науки. Так
родилась метеоритика с её успехами. Параллельно
развивалась астрономия и, начиная с 1801 г., в
течение прошлого и начале истекающего столетия
было открыто множество малых планет-астероидов,
в том числе и тех, орбиты которых пересекаются с
Землёй. Стало ясно, что кроме обычных метеоритов,
с Землёй изредка могут сталкиваться более
крупные тела. В этой связи стали высказываться
довольно обоснованные гипотезы о метеоритном
происхождении лунных (Г.Джильберт, 1893; Е. Эпик, 1916)
или земных (Аризонский кратер в США, 1891, 1906; кратер
Одесса в США, 1922; кратера группы Каали в Эстонии,
1927; кратера группы Хенбери в Австралии, 1931; кратер
Чабб в Канаде, 1946) кратеров. В ХХ веке рядом
российских учёных (Е. Эпик, 1916; 1936; К. Станюкович,
1937; 1950; К. Станюкович и В.Федынский, 1946), а затем и
американскими исследователями (Дж. Гилвари и Дж.
Хилл, 1956) стала разрабатываться теория
кратерообразования при метеоритных ударах. Так,
постепенно, создавались предпосылки для
рождения «импактологии». Завершающими штрихами
этой новой отрасли знаний стали успехи
минералогии высоких давлений (в частности,
синтез высокобарических полиморфов кремнезёма -
коэсита [2] и стишовита [3]), а также исследования
изменений пород под действием взрыва на ядерных
полигонах СССР и США, когда было открыто явление
ударного метаморфизма (см., например, [4]). По своим
параметрам (рис. 1) ударный метаморфизм
принципиально отличается от всех прочих
природных процессов, протекающих на поверхности
планеты, и поэтому с ним связан целый ряд
специфических изменений горных пород и их
минералов, таких, например, как образование
брекчий «грис» и конусов разрушения в горных
породах, развитие планарных микродеформаций в
минералах и изотропизация минералов в твёрдой
фазе без плавления (так называемые
диаплектические стёкла), высокобарические
полиморфные превращения кварца (образование
коэсита и стишовита) и углерода (импактные алмазы
по графиту и углистому веществу), плавление и
испарение горных пород и другие изменения. Все
эти признаки позволяют надёжно диагностировать
следы ударно-волнового воздействия в горных
породах. Шкала ударно-метаморфических изменений
для одного из самых распространённых и изученных
в этом отношении минералов - кварца - приведена на
рис. 2.
Рис. 5. Попигайский
многокольцевой импактный бассейн: общий план и
схематический радиальный разрез в
запад-северо-западном направлении (по данным [15]).
Легенда к плану: 1 - импактиты
Попигайской астроблемы; 2 - центр кратера; 3 -
прослеженные и предполагаемые элементы
кольцевой структуры; 4 - мезозойские породы
мишени; 5 - палеозойские породы мишени; 6 -
протерозойские породы мишени; 7 - архейские
породы мишени. Легенда к разрезу: 8 - зона
дробления и разломов; 9 - брекчии подкратерной
зоны пластического течения; 10 - клиппеновая
брекчия; 11 - мегабрекчия; 12 - ударно-расплавные
породы; 13 - зювиты.
После того, как были созданы предпосылки
для уверенной диагностики импактных структур на
Земле, уже в 1960 г. было доказано ударно-взрывное
происхождение Аризонского кратера диаметром 1.2
км [7], а в следующем году - 20-километрового кратера
Рис в Германии [8]. Начиная с этого времени, в
научный обиход вводятся термины «астроблема» и
«импактный кратер», а число открываемых
ударно-взрывных структур начало быстро
возрастать, и сейчас на Земле известно порядка 150
таких объектов (рис. 3). Первая астроблема России -
80-километровый Пучеж-Катунский кратер под Нижним
Новгородом - была установлена выдающимся учёным
Новосибирского Академгородка Л.В. Фирсовым в 1965
г. [10]. Всего в пределах России сейчас известно 35
астроблем и метеоритных кратеров (рис. 4), причём
резерв неоткрытых объектов такого рода
исчисляется многими сотнями (см., например,
плотность кратеров на территории хорошо
изученного Украинского щита на рис. 4). К
сожалению, приходится отметить, что несмотря на
надёжность доказательств и глубокую
теоретическую разработку вопроса, в широких
научных кругах и особенно среди геологов, по
отношению к астроблемам Земли продолжает
существовать некоторый скепсис, что указывает на
известную ортодоксальность многих наших
традиционных научных представлений.
Рис. 6. Геологическая карта
Попигайского кратера (по данным [16]).
Импактный комплекс.А. Отложения
взрывного облака: 1 - зювитовые мегабрекчии; 2 -
Далдынская формация зювитов; 3 - Парчанайская
формация зювитов. Б. Отложения центробежного
донного потока: 4 - клиппеновая брекчия; 5 -
мегабрекчия; 6 - ударно-расплавные породы. В.
Подкратерные форомации зоны пластического
течения: 7 - брекчированные гнейсы зоны II
кольцевого вала. Породы мишени: 8 -
мезозойские; 9 - палеозойские; 10 - протерозойские;
11 - архейские. Прочие обозначения: 12 -
постимпактные и древние возрождённые разломы.
Успехи на Земле стимулировали
соответствующий интерес и к Космосу, где первым
объектом исследования, естественно, стала Луна.
После изучения лунного грунта, доставленного
станциями серии «Луна» и «Аполлон», когда были
выявлены следы ударного метаморфизма в этих
породах, проблема импактного происхождения
лунных кратеров была окончательно решена.
Детальное морфологическое исследование этих
кратеров позволило выявить визуальные критерии
различия импактных и вулканических структур и в
скором времени это привело к открытию множества
астроблем на всех исследованных твёрдых телах
Солнечной системы. Стало ясно, что импактные
события являются одним из самых фундаментальных
природных процессов, которые протекают в мире
вещества и гравитации, то-есть, во всей доступной
для наблюдения части Вселенной. Стало также ясно,
что эти процессы играли важную роль в эволюции
Земли.
Рис. 7.
Вещественно-генетическая классификация
импактитов Попигайской астроблемы (по данным [17]).
Одной из самых уникальных астроблем
Земли является 100-километровый Попигайский
кратер на севере Сибири (см. рис. 3 и 4), который
включён в Список Геологического Наследия ЮНЕСКО
по первой, наивысшей категории [12,13]. Его
метеоритное происхождение было впервые
предположено Л.В.Фирсовым и А.Л. Яншиным в 1964 г.
(неопубликованные данные), что подтвердилось в
дальнейшем [14]. План и геологический разрез этого
кратера приводятся на рис. 5, геологическая карта
- на рис. 6, а классификация импактных формаций - на
рис. 7. Полученные данные [18, 19, 20, 21] характеризуют
этот кратер как многокольцевой импактный
бассейн с концентрически-зональным строением.
Размеры выброшенных глыб осадочных пород мишени
в краевой части кратера достигают величины в
несколько километров (формация клиппеновых
брекчий); далее к центру появляются мегабрекчии
(формация, сложенная хаотически-перемешанными
между собой и с другими импактитами обломками
пород мишени величиной 1 - 100 метров); выше по
разрезу внутренняя часть кратера выполнена
сложным чередованием отложений взрывного облака
(зювитовые формации), донных импактных брекчий и
расплавных пород - тагамитов. Отдельные тела
тагамитов достигают мощности 600 метров (по данным
бурения), а общий объём импактного расплава,
возникшего в кратере, оценивается величиной ~2000
куб. километров. В породах кратера обнаружены все
известные признаки ударного метаморфизма,
включая коэсит [22], стишовит [23] и импактные алмазы
[24, 25]. Закратерное поле рассеяния импактных
алмазов прослежено на расстояния до 500
километров [26]. Предварительный возраст
Попигайского кратера оценивается в 35 млн лет,
то-есть, близко совпадает по времени с
глобально-распространённым “катастрофным
слоем” на границе эоценовых и олигоценовых
отложений (так называемый Е/O рубеж). В этом слое
обнаружены иридиевая аномалия, микротектиты,
зёрна кварца с планарными структурами, коэсит,
сферулы шпинели и другие признаки импакта (рис. 8).
Численное моделирование Попигайского
импактного события показало [27, 28], что оно было
способно обеспечить глобальное рассеяние
импактного материала (максимальные скорости
выброса испарённого вещества достигали 15 км/c).
Рис. 8. Глобальный пограничный
горизонт рассеяния импактного материала
(“катастрфный слой”) в разрезах
верхне-эоценовых отложений (по А. Монтанари,
личное сообщение), возможно, связанный с
Попигайским импактным событием. В указанных
пунктах обнаружены: 1) аномалия иридия (292, 612, 689В,
Bath Cliff, Massignano); 2) зёрна кварца с планарными
структурами (612, Massignano); 3) коэсит (612); 4)
микротектиты (94, 167, 216, 292, 612, Bath Cliff); 5)
микрокриститы (65, 69а, 70а, 161, 162, 166, 167, 292, 315, 462); 6)
зёрна шпинели (Massignano).
Недавно в Мексике была обнаружена
200-километровая астроблема Чикскулуб (см. рис. 3),
имеющая возраст 65 млн лет [29]. Сама астроблема
изучена пока слабо, так как перекрыта мощной
толщей карбонатных отложений. Однако, её
закратерные выбросы, которые образуют
«катастрофный слой», прослежены в Центральной и
Северной Америке, на островах Карибского моря и в
других районах. Они хорошо изучены и
характеризуются полным набором признаков
импактного происхождения материала, включая
алмазы. Данный «катастрофный слой» приурочен к
рубежу крупнейшего в Фанерозое
мел-палеогенового вымирания организмов 65 млн лет
назад, известному как «рубеж динозавров», или
«граница К/T».
Рис. 9. Перестройки биоты и
импактные события за последние 140 млн лет (по
данным [31]).
Легенда.А. Возраст, млн лет -
буквами латинского алфавита указаны
общепринятые индексы стратиграфической шкалы,
обозначающие отделы и ярусы меловой,
палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Б.
Кризисы биоты - общепринятые индексы
вымираний, в том числе: Е/O - эоцен-олигоценовое; К/T
- мел-палеогеновое вымирания. В. Импактные
кратеры, диаметры, обозначенные кружками: 1 - 5 -
20 км; 2 - 20 - 50 км; 3 - 50 - 200 км. Г. Признаки импакта в
породах: 4 - аноксия; 5 - аномалия иридия; 6 -
микросферулы; 7 - отложения цунами; 8 -
импактированный кварц с планарными структурами;
9 - коэсит; 10 - импактные алмазы.
Анализируя причины вымирания организмов
на границе мелового и палеогенового периодов,
В.Альварес [30] высказал в 1980 г. оригинальную
гипотезу об импактной причине этого вымирания,
первоначально основанную на факте иридиевой
аномалии в пограничном К/Т слое. Последующее
изучение привело к выявлению остальных
признаков импакта в этом горизонте. Триумфом
гипотезы стало открытие кратера Чикскулуб,
вызвавшего данный биотический кризис. Это
стимулировало всестороннее исследование других
рубежей вымирания организмов. Упомянутое выше
эоцен-олигоценовое вымирание организмов 35 млн
лет назад также получило импактное
подтверждение, что позволяет предположить его
связь с Попигайским импактным событием.
Вымирания организмов и известные импактные
события за последние 140 млн лет, равно как и
признаки импакта, обнаруженные в
соответствующих «катастрофных слоях», приведены
на рис. 9.
Если принять за основу, что
мел-палеогеновое и эоцен-олигоценовые вымирания
организмов связаны, соответственно, с
Чикскулубским и Попигайским импактными
событиями, а в качестве нулевого репера
использовать импактное событие Монтагнайс, при
котором не произошло глобального воздействия на
биоту, то можно оценить зависимость амплитуды
вымираний от размера метеорита (рис. 10). Из неё
следует, что астероид диаметром около 60 км может
стать причиной гибели всех высокоорганизованных
форм жизни на Земле.
Рис. 10. Оценка зависимости
масштаба вымираний от размера метеорита (по
данным [32]).
В заключение можно отметить, что угроза
падений больших метеоритов на Землю, способных
вызвать региональные или даже глобальные
катастрофы, совершенно непредсказуема. Опасные
пришельцы из Космоса могут посетить нас в любой
момент, со всеми вытекающими отсюда
разрушительными последствиями. Визит даже
такого «скромного гостя» как Тунгусское
космическое тело 1908 года не обернулся большой
катастрофой только потому, что падение произошло
в безлюдной тайге. Случись оно над каким-либо
мегаполисом или густо-населённым районом, по
своим последствиям оно стало бы эквивалентно
атомной бомбардировке. Поэтому защита Земли от
падений больших метеоритов представляет одну из
самых насущных задач, стоящих перед
человечеством.
Литература
1. Воронцов-Вельяминов В.А. (1955). Очерки о
Вселенной. 3-е издание. М.: Гос. изд.-во
технико-теоретической литературы, 536 с.
2. Coes L. (1953). A new dense crystalline silica. Science, 118: 131.
4. French B.M. and Short N.M., eds. (1968). Shock metamorphism of natural
materials. Baltimore: Mono Book Corp., 620 p.
5. Grieve R.A.F. (1987). Terrestrial impact structures. Annual Reviews of
Earth and Planetary Science, 15: 245-270.
6. Stoffler D. and Langenhorst F. (1994). Shock metamorphism of quartz in
nature and experiment: basic observations and theory. Meteoritics, 29: 155-181.
7. Chao E.C.T., Shoemaker E., and Madsen B.M. (1960). First natural
occurrence of coesite. Science, 132: 220.
8. Shoemaker E.M., and Chao E.C.T. (1961). New evidence for the impact
origin of the Ries Basin, Bavaria, Germany. Journal of Geophysical Research, 66: 3371.
9. Grieve R.A.F. (1991). Terrestrial impacts: the record in the rocks.
Meteoritics, 26: 175-194.
11. Vishnevsky S.A. (1994). Some problems of geological heritage in the
Russian Commonwealth. - In: Geological and Landscape Conservation. London: Geological
Society, p. 297-300.
12. Vishnevsky S.A. (1994). The Popigai astroblema, a possible site of our
geological heritage: characteristics and aspects, problems and ideas of conservation. -
In: Proceedings of the 1-st Int. Symp. on the conservation of our geological heritage.
Digne, France, June 11-16, 1991. Memories de la Societe Geologique de France. Nouvelle
Serie - 1994. Memorie no 165: p. 71-74.
13. Cowie J.W. (1991) Report of Task Forse Meeting on Working Group on
Geological Sites. Paris, France, February 11-13, 1991. Trondheim: Geological Survey of
Norway, 37 p.
14. Масайтис В.Л., Михайлов М.В.,
Селивановская Т.В. (1971). Попигайская котловина -
взрывной метеоритный кратер. Доклады АН СССР, 197
(6): 1390-1393.
15. Вишневский С.А. (1994). Зювитовые
мегабрекчии - новый тип отложений взрывного
облака Попигайской астроблемы. I. Общая
характеристика. Новосибирск: изд.-во ОИГГМ СО РАН,
препринт, 66 с.
16. Вишневский С.А. (1992). Зювиты
Попигайской астроблемы: некоторые парадоксы и
мнимо-вторичные взаимоотношения. Новосибирск:
изд.-во ОИГГМ СО РАН, препринт N 7, 53 c.
17. Vishnevsky S. and Montanari A. (1994). Petrography and
geochemistry of Popigai impact melt rocks: a selection of material for potentially
reliable radioizotopic dating. - In: ESF Scientific Network “Impact cratering and
evolution of Planet Earth” Post-Ostersund Nesletter (A.Montanari and J.Smit eds.), July
30, 1994, p. 16-27.
18. Масайтис В.Л., Михайлов М.В.,
Селивановская Т.В. (1975). Попигайский метеоритный
кратер. М.: Наука, 124 с.
20. Вишневский С.А. (1981). Импактные
формации гигантских сложных метеоритных
кратеров. - В кн.: Импактиты. М.: издательство МГУ,
с. 171-184.
21. Vishnevsky S., and Montanari A. The Popigai impact structure
(Arctic Siberia, Russia): Geology, Petrology, Geochemistry and Geochronology of
glass-bearing impactites. - In: Geological Society of America Special Paper in press.
25. Вишневский С.А., Пальчик Н.А. (1975).
Графит в породах Попигайской структуры:
разрушение и переход в другие фазы системы
углерода. - Геология и Геофизика, 1, 67-75.
26. Вишневский С.А., Афанасьев В.П.,
Аргунов К.П., Пальчик Н.А. (1997). Импактные алмазы: их
особенности, происхождение и значение. Труды
ОИГГМ СО РАН, вып. 835. Новосибирск: изд.-во СО РАН, 110
с.
27. Балаганский И.А., Вишневский А.С.,
Вишневский С.А. (1996). Численное моделирование
стадий контакта, сжатия и начальной эскавации
грунта для процесса образования Попигайского
кратера. - В кн.: Тезисы докладов Межд. Конференции
“Космическая защита Земли”, 23-27 сентября 1996 г.
Снежинск: изд.-во РФЯЦ-ВНИИТФ, с. 39-40.
28. Vishnevsky A.S., Balagansky I.A., and Vishnevsky S.A. (1996).
Computer simulation of the Popigai impact event (compression and initial excavation
stages) and some consequences on global dispersion of projectile and tektite glasses. -
In: Internat. Workshop “The role of impact processes in the geological and biological
evolution of Planet Earth”, September 27 - October 2, 1996, Postojna, Slovenia.
Abstracts. Geology of Slovenia. Field Guide. K.Drobne and S.Gorican eds. Ljubljana, p.
95-96.
29. Hildebrand A.R., Penfield G.T., Kring D.A., et al. (1991).
Chicxulub crater: a possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yukatan
Peninsula, Mexico. Geology, 19: 867-871.
30. Alvarez L.W., Alvarez W., Asaro F. And Michel H.V. (1980).
Extraterrestrial cause for the Cretaceous/Tertiary extinction. Science, 208: 1095-1108.
31. Montanari A. and Coccioni R. (1993). Terrestrial impacts as a
cause of mass extinctions: searching for evidence in marine stratigraphic record of the
last 140 Ma. - In: ESF Network on “Impact cratering and evolution of Planet Earth”,
1-st Internat. Workshop, Nordlingen, Germany, April 28-May 2, 1993. Collection of
Abstracts, p. 30.
32. Jansa L.F., Aubry M.-P., and Gradstein F.M. (1990). Comets and
extinctions: cause and effect? - In: Geological Society of America Special Paper 247, p.
229-239.
