Кольцевые структуры и их природа

Развитие космической геологии вызвало повышенный интерес к этой категории внутриплитных структур, хотя уже достаточно давно было подмечено, что многие геологические образования, в том числе элементы тектонического строения и магматические тела имеют округлую или овальную форму.

В 1975 г. В.М. Рыжовым и В.В. Соловьевым была опубликована карта морфоструктур центрального типа территории СССР в масштабе 1: 10000000. Все указанные на карте кольцевые структуры (несколько сотен) разделены на купольные, кольцевые и купольно-кольцевые. В возрастном отношении они образуют две группы: домезозойскую и мезокайнозойскую. 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), метаморфогенные (гранитокуполльные) структуры, связанные с диапиризмом соленосные структуры, структуры ударного (метеоритного) происхождения, сводовые поднятия и погружения (связанные главным образом с нарушением изостатического равновесия) и структуры, имеющие гетерогенное происхождение, так или иначе отраженные в расположении элементов рельефа земной поверхности.

Среди кольцевых структур присутствуют как положительные, так и отрицательные, однако этот признак не может быть основой их разделения, так как и те и другие могут возникнуть при одних и тех же процессах.

Учитывая, что многие из кольцевых структур охарактеризованы выше или ниже, здесь мы коснемся лишь метеоритных кратеров и структур, установленных на аэро- и космофотоснимках.

¹Астроблема (греч. звездная рана) — термин, применяемый для структурных форм, утративших морфологические признаки кратеров. Обычно это глубокие чacти эродированных метеоритных кратеров.

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. 7.4).

Рис. 7.4. Геологическое строение астроблем. Вверху — разрез палеозойского (414±20 млн лет) ударного кратера Брент на Канадском щите (по Р. Гриве, I977, упрощено), внизу — карта и схематический разрез кайнозойского (39 млн лет) Попигайского ударного кратера на Анабарском щите (по В. Л. Масайтису и др., 1975). I—I' — линия разреза.
1 — кристаллические породы докембрия; 2 — докайнозойский осадочный чехол Канадского щита и осадочное заполнение кратера Брент; 3 — брекчирование и катаклаз; 4 — ударно-метаморфизованные гнейсы; 5 — центробежные надвиги (а) и радиальные разрывы (б); 6 — ось кольцевого поднятия; 7 — аллогенные брекчии, 8 — то же, с признаками ударного метаморфизма; 9 — базальный горизонт аллогенных брекчий; 10 — зювиты астроблемы Брент (а) и Попигайской (б); 11 — застывшие импактные расплавы, в том числе тагамиты

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 ГПа) и температурой (до2000°С) в метеоритных кратерах обнаружены минералы высокобарических фаз кремнезема (коэсит, стиповерит) и высокобарические фазы других соединении (рингвудит и жадеит), а также горные породы особого сложения и структуры. Среди последних обычны следующие.

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. Селивановская, 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 извести и 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.

А 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 на юге ФРГ.

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.

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 аутигенной 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 первых 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 — до 2000°. Возникавший в таких условиях при плавлении гнейсов имлактный 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.

Меньшие по размерам, но близкие по строению метеоритные кратеры расположены на Балтийском щите (Янисъярви), на Русской плите (Пучеж-Катункский, Калужский), Пай-Хое (Карская астроблема), на Украинском щите (Ильинецкий, Гусевский, Каменский) и в других районах. Самый древний из них — Янисъярвинская астроблема — имеет возраст около 700 млн лет.

Aризонский кратер представляет собой чашеобразную впадину глубиной 180 м, диаметром 1, 2 км, окруженную валом, на 30—60 м возвышающимся над окружающей равниной. Ударная брекчия на дне кратера состоит из перемешанных угловатых обломков песчаников пермского и триасового возраста величиной от долей миллиметра до 30 м. Все эти образования несогласно перекрыты плейстоценовыми и современными аллювиальными отложениями. Наклоненные и перевернутые слои песчаников нарушены множеством небольших, почти вертикальных разрывов с шарнирными смещениями. Мощность ударных брекчий в кратере достигает 100 м, а воздействие ударной волны на породы сказывается до глубины 170 м. Возраст кратера плиоценовый.

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 магнитность пород.

В настоящее время обсуждается вопрос о возможном метеоритном происхождении крупной кольцевой структуры Садбери (Канада), заключающей основные породы и медно-никелевые месторождения.

Однако далеко не все исследователи признают ударное метеоритное происхождение многих описанных в качестве астроблем структур. Некоторые ученые, в частности П. Н. Кропоткин, 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 Альба. Здесь на прямолинейном разломе протяженностью около 100 км расположены, с одной стороны кратеры Рис и Штейнхейм, с другой стороны поле вулканических взрывных трубок Урах.

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

¹ Примерно такие же соотношения размеров диаметров у лунных кратеров.

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 диаметром 6—7, 12—16, 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 гранито-гнeйсовыми 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.

О.Б. Гинтовым в северо-западной части Украинского щита по геологическим и геофизическим данным и С.В. Богдановой 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.В. Богдановой, описанный ею 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 и 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. Много данных также приведено на коcмотектонической карте Арало-Каспийского региона масштаба 1: 2 500 000, составленной коллективом под руководством В.Н. Брюханова и И.А. Еременко. Размеры кольцевых и овальных структур на изученной территории различны — от 25 до 300 км в поперечнике. По мнению авторов карты, четкость 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 («горячие точки»). 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 конвекционные 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.