Эволюция лунного магматизма
Одновременно с Протолуной и до этого в околоземное пространство должно было быть захвачено множество более мелких планетезималей и космических тел, сформировавших вокруг Земли рой более мелких спутников, также вращавшихся вместе с Протолуной вокруг Протоземли. Поэтому весьма вероятно, что в те далёкие времена, подобно внешним планетам Солнечной системы, у Земли на её геоцентрических орбитах ещё вращались многочисленные рои мелких и средних спутников, независимо сформировавшихся в околоземном пространстве. Все эти спутники и микролуны, окружавшие тогда Землю, как и сама Луна, должны были испытывать на себе влияние земных приливов. Но поскольку после образования Луны максимальная угловая скорость вращения во всей геоцентрической планетно-спутниковой системе была только у Земли, то начиная с этого времени все спутники системы, большие и малые, стали отбрасываться приливными взаимодействиями в сторону от центральной планеты. При этом, как уже отмечалось, скорость удаления спутника от Земли пропорциональна его массе, поэтому массивные спутники, и прежде всего Луна, отодвигались тогда от Земли быстрее мелких.
Это приводило к «выметанию» большими спутниками из околоземного пространства более мелких космических тел, неизбежно выпадавших на поверхность своих более массивных соседей при сближениях и пересечениях их орбит. Естественно, что Луна как самая массивная планета-спутник «выметала» все содержимое околоземного спутникового роя эффективнее всех остальных его объектов, особенно в периоды своего наиболее стремительного удаления от Земли на заре развития системы в катархее и в раннем архее. Отсюда следует, что основное количество столкновений Луны с телами такого роя должно было происходить только в течение двух сравнительно коротких промежутков времени от 4,6 до 4,4 и от 4,0 до 3,6 млрд лет тому назад (см. рис. 26).
Поскольку одновременно с Луной расширялись орбиты и остальных тел околоземного спутникового роя, причём со скоростями, пропорциональными их массам, то к моментам столкновения таких тел с Луной более массивные спутники успевали отодвинуться от Земли на большие расстояния, чем мелкие. Поэтому вначале (т.е. в катархее) должны были происходить соударения Луны с телами малой или средней массы, тогда как на втором этапе удаления Луны от Земли (т.е. в раннем архее) — с наиболее крупными и массивными из оставшихся спутников, также успевших к этому времени вырасти за счёт поглощения ими более мелких тел спутникового роя. Посмотрим теперь, к каким последствиям для Луны могли приводить такие «бомбардировки» её поверхности.
Так, по рассматриваемой гипотезе Луна сформировалась из расплавленного и сильно перегретого вещества внешнего приливного горба разрушенной на пределе Роша первоначально более крупной планеты — Протолуны. Поэтому лунные недра ещё долго оставались перегретыми и расплавленными, а в её центральных областях первичные расплавы, по-видимому, сохраняются и до наших дней. Полное расплавление Луны привело к эффективной гравитационной дифференциации лунного вещества, при которой её верхний слой толщиной около 80 км оказался сложенным наиболее лёгкими породами — анортозитами (р ~ 2,7 г/см3). Глубже должны были располагаться слои расплавленного базальта (р ~ 2,9 г/см3подстилаемые снизу расплавами ультраосновного (коматиитового) состава, а в центре Луны могли сохраниться ещё и остатки железоникелевого ядра. Кроме того, надо учитывать, что у молодой Луны была ещё сравнительно тонкая литосфера, однако с течением времени благодаря её остыванию толщина лунной литосферы постепенно увеличивалась и к настоящему времени она превышает 500 км.
Только за первый миллион лет своего существования Луна отодвинулась от Земли с расстояния около 17 до 63 тыс. км, т.е. на 46 тыс. км. Однако в это время толщина лунной литосферы ещё не превышала 6 км, и поэтому все падавшие на неё метеоритные тела приблизительно километровых размеров легко раскалывали и пробивали первозданную лунную литосферу, открывая тем самым доступ подлитосферным расплавам к её поверхности. Но, как уже отмечалось, верхний слой расплавов тогда состоял из наиболее лёгких дериватов первичного вещества, т.е. из анортозитовых магм. Именно они тогда и изливались на поверхность Луны.
Дальнейшее удаление Луны от Земли также сопровождалось одновременным и постепенным увеличением мощности лунной литосферы. В результате со временем могли её раскалывать и пробивать только все более крупные космические тела астероидного размера (в поперечнике более нескольких десятков километров). Большинство же мелких тел бывшего околоземного спутникового роя оставляли на её поверхности только следы своего падения, испещряя, подобно оспе, лунную поверхность бесчисленными ударными воронками разного размера.
Большей интенсивности анортозитового магматизма на первых этапах существования Луны способствовало и быстрое изменение формы её поверхности. Так, вблизи предела Роша форма Луны ещё представляла собой существенно вытянутый эллипсоид, длинная (направленная к Земле) ось которого в два раза превышала поперечные размеры спутника. Следовательно, приливные горбы Луны тогда достигали 1 300 км! По мере же удаления Луны от Земли её форма быстро приближалась к сфероидальной, и уже примерно через 200 млн лет амплитуда приливных горбов уменьшилась до 0,5 км. Столь сильное и резкое изменение кривизны лунной поверхности за сравнительно короткое время неизбежно должно было приводить к интенсивному растрескиванию и разламыванию её молодой литосферы. По этим трещинам и расколам на поверхность Луны тогда в изобилии поступали более лёгкие подлитосферные расплавы, т.е. все те же анортозитовые магмы. Поэтому на ранних этапах развития Луны, как заметил А. Рингвуд (1979), буквально бушевал анортозитовый магматизм. Судя по изотопным методам определения возраста коровых пород Луны, эти события развивались около 4,6-4,4 млрд лет тому назад.
Приблизительно через 200 млн лет после образования Луна уже удалилась от Земли на расстояние приблизительно 140 тыс. км. К этому времени мощность её литосферы увеличилась до 85 км и практически весь верхний слой анортозитовых расплавов оказался охлаждённым и полностью раскристаллизованным, превратившись тем самым в твёрдую анортозитовую или так называемую «материковую» кору Луны. В это время около 4,4 млрд лет назад практически полностью прекратился и лунный анортозитовый магматизм, хотя снизу лунная кора ещё по-прежнему продолжала подстилаться «магматическим океаном», но теперь уже только базальтового состава.
Второй импульс лунного магматизма 4,0-3,8 млрд лет назад совпал по времени со вторым периодом ускоренного отодвигания Луны от Земли. На этот раз усиление приливных взаимодействий между планетами, как уже отмечалось выше, было связано только с земными событиями — с возникновением в Земле астеносферы, началом её тектонической активности и формированием ещё мелководных морских бассейнов. Однако химия лунного магматизма на этот раз была уже совсем иной.
Как и в первый период ускоренного расширения лунной орбиты, так и на этот раз, через 600 млн лет после своего образования, Луна в раннем архее (благодаря большей массе) должна была усиленно «выметать» из околоземного пространства ещё сохранившиеся до этого времени на внешних околоземных орбитах другие спутники. Но, как уже отмечалось, все наиболее крупные тела околоземного спутникового роя за время, прошедшее с момента образования Луны, благодаря приливным взаимодействиям с Землёй также должны были удалиться на периферию этой системы — на расстояния от 170 до 300 тыс. км. Следовательно, в интервале отмеченных расстояний в это время должны были сконцентрироваться и наиболее массивные спутники, и микролуны из околоземного спутникового роя.
Но за время от момента образования Луны до начала раннего архея прошло около 600 млн лет, и за этот период мощность лунной литосферы успела возрасти приблизительно до 150 км. Поэтому пробить такую литосферу уже могли только сравнительно крупные космические тела — спутники с поперечными размерами около сотни километров и соответственно с массами порядка 1020 — 1021 г. По-видимому, в начале раннего архея помимо Луны по внешним геоцентрическим орбитам вокруг Земли ещё вращалось несколько (до 10-12) таких сравнительно массивных спутников.
Падая на Луну, эти массивные спутники пробивали не только анортозитовую кору, но и подстилающий её слой габбро, открывая тем самым доступ подлитосферным базальтовым магмам на лунную поверхность. Излияния базальтов из образовавшихся ударных кратеров и оперяющих их разломов как раз и создали привычный нам узор базальтовых покровов лунных «морей». С внедрениями крупных базальтовых масс в пробитые спутниками бреши анортозитовой коры следует связывать и происхождение так называемых лунных масконов — аномально тяжёлых масс под кратерами лунных «морей». Такие массы с избыточной плотностью на фоне лёгких анортозитов лунной коры (р ~ 2,7 г/см3) создаются внедрившимися в кору заметно более плотными базальтами (р ~ 2,9 г/см3). Судя по абсолютной геохронологии лунных образцов, формирование гигантских ударных кратеров и заполнение их базальтами происходило в период от 4,0 до 3,8 млрд лет тому назад и полностью совпадает по времени с началом тектонической активности Земли, что и следует из рассмотренного здесь механизма образования и эволюции системы Земля-Луна. По-видимому, на совпадение проявлений базальтового магматизма на Луне с началом процесса выделения земной коры (т.е. фактически с началом тектонической активности Земли) впервые обратил внимание и увидел в этом совпадении определённую связь между событиями на Земле и Луне выдающийся российский геолог В. Е. Хаин (1977).
Интересно отметить, что, согласно А. Рингвуду (1979), процесс дифференциации лунного вещества, породивший базальтовые излияния раннеархейского возраста, судя по изотопному составу свинца и рубидий-стронциевым отношениям, происходил не в момент излияния самих базальтов, а значительно раньше — около 4,6 млрд лет назад, т.е. во время формирования самой Луны. Отсюда следует, что базальты лунных морей действительно изливались на её поверхность благодаря разрушению целостности её литосферной оболочки и вскрытию «магматического океана», существовавшего ещё с момента формирования самой Луны, как это и вытекает из рассматриваемой гипотезы её образования.
После второго периода ускоренного отталкивания Луны от Земли её движение вновь стало более спокойным (см. рис. 26). Примерно в это же время, к началу позднего архея, около 3,2 млрд лет назад, в связи с полным исчерпанием «микролун» из спутникового роя Земли прекратилась и активная бомбардировка лунной поверхности бывшими спутниками Земли. С тех пор на Луну, как, впрочем, и на Землю, спорадически падали лишь метеоритные тела, орбиты которых случайно пересекались с нашими двумя планетами. Поэтому около 3,5-3,2 млрд лет назад полностью прекратился и лунный магматизм, а сама Луна превратилась в тектонически мёртвую планету.
В заключение этого раздела хотелось бы обратить внимание на два важных обстоятельства, касающихся тектонического развития Земли в катархее и архее. Во-первых, массовые выпадения на лунную поверхность метеоритных тел и даже спутников средних размеров вовсе не означает, что в катархее и раннем архее такой же интенсивной бомбардировке подвергалась и Земля. Как раз наоборот: ведь на Луну выпадали те космические тела из околоземного спутникового роя, которые в силу их приливного взаимодействия с Землёй должны были только отодвигаться от неё, но не выпадать на земную поверхность.
Во-вторых, возобновление после длительного перерыва около 600 млн лет повторной бомбардировки лунной поверхности, на этот раз крупными космическими телами, и связанная с этим вспышка базальтового магматизма на Луне чётко маркируют переход Земли от тектонически пассивного состояния в катархее к её активному тектоническому развитию в архее. Фактически базальтовый магматизм на Луне чётко маркирует начало тектонической активности Земли.
Это приводило к «выметанию» большими спутниками из околоземного пространства более мелких космических тел, неизбежно выпадавших на поверхность своих более массивных соседей при сближениях и пересечениях их орбит. Естественно, что Луна как самая массивная планета-спутник «выметала» все содержимое околоземного спутникового роя эффективнее всех остальных его объектов, особенно в периоды своего наиболее стремительного удаления от Земли на заре развития системы в катархее и в раннем архее. Отсюда следует, что основное количество столкновений Луны с телами такого роя должно было происходить только в течение двух сравнительно коротких промежутков времени от 4,6 до 4,4 и от 4,0 до 3,6 млрд лет тому назад (см. рис. 26).
Рисунок 26. Эволюция расстояния между Луной и Землёй.
Интервал I — время развития на Луне анортозитового магматизма; интервал II — время развития базальтового магматизма на Луне (пояснения в тексте).
Поскольку одновременно с Луной расширялись орбиты и остальных тел околоземного спутникового роя, причём со скоростями, пропорциональными их массам, то к моментам столкновения таких тел с Луной более массивные спутники успевали отодвинуться от Земли на большие расстояния, чем мелкие. Поэтому вначале (т.е. в катархее) должны были происходить соударения Луны с телами малой или средней массы, тогда как на втором этапе удаления Луны от Земли (т.е. в раннем архее) — с наиболее крупными и массивными из оставшихся спутников, также успевших к этому времени вырасти за счёт поглощения ими более мелких тел спутникового роя. Посмотрим теперь, к каким последствиям для Луны могли приводить такие «бомбардировки» её поверхности.
Так, по рассматриваемой гипотезе Луна сформировалась из расплавленного и сильно перегретого вещества внешнего приливного горба разрушенной на пределе Роша первоначально более крупной планеты — Протолуны. Поэтому лунные недра ещё долго оставались перегретыми и расплавленными, а в её центральных областях первичные расплавы, по-видимому, сохраняются и до наших дней. Полное расплавление Луны привело к эффективной гравитационной дифференциации лунного вещества, при которой её верхний слой толщиной около 80 км оказался сложенным наиболее лёгкими породами — анортозитами (р ~ 2,7 г/см3). Глубже должны были располагаться слои расплавленного базальта (р ~ 2,9 г/см3подстилаемые снизу расплавами ультраосновного (коматиитового) состава, а в центре Луны могли сохраниться ещё и остатки железоникелевого ядра. Кроме того, надо учитывать, что у молодой Луны была ещё сравнительно тонкая литосфера, однако с течением времени благодаря её остыванию толщина лунной литосферы постепенно увеличивалась и к настоящему времени она превышает 500 км.
Только за первый миллион лет своего существования Луна отодвинулась от Земли с расстояния около 17 до 63 тыс. км, т.е. на 46 тыс. км. Однако в это время толщина лунной литосферы ещё не превышала 6 км, и поэтому все падавшие на неё метеоритные тела приблизительно километровых размеров легко раскалывали и пробивали первозданную лунную литосферу, открывая тем самым доступ подлитосферным расплавам к её поверхности. Но, как уже отмечалось, верхний слой расплавов тогда состоял из наиболее лёгких дериватов первичного вещества, т.е. из анортозитовых магм. Именно они тогда и изливались на поверхность Луны.
Дальнейшее удаление Луны от Земли также сопровождалось одновременным и постепенным увеличением мощности лунной литосферы. В результате со временем могли её раскалывать и пробивать только все более крупные космические тела астероидного размера (в поперечнике более нескольких десятков километров). Большинство же мелких тел бывшего околоземного спутникового роя оставляли на её поверхности только следы своего падения, испещряя, подобно оспе, лунную поверхность бесчисленными ударными воронками разного размера.
Большей интенсивности анортозитового магматизма на первых этапах существования Луны способствовало и быстрое изменение формы её поверхности. Так, вблизи предела Роша форма Луны ещё представляла собой существенно вытянутый эллипсоид, длинная (направленная к Земле) ось которого в два раза превышала поперечные размеры спутника. Следовательно, приливные горбы Луны тогда достигали 1 300 км! По мере же удаления Луны от Земли её форма быстро приближалась к сфероидальной, и уже примерно через 200 млн лет амплитуда приливных горбов уменьшилась до 0,5 км. Столь сильное и резкое изменение кривизны лунной поверхности за сравнительно короткое время неизбежно должно было приводить к интенсивному растрескиванию и разламыванию её молодой литосферы. По этим трещинам и расколам на поверхность Луны тогда в изобилии поступали более лёгкие подлитосферные расплавы, т.е. все те же анортозитовые магмы. Поэтому на ранних этапах развития Луны, как заметил А. Рингвуд (1979), буквально бушевал анортозитовый магматизм. Судя по изотопным методам определения возраста коровых пород Луны, эти события развивались около 4,6-4,4 млрд лет тому назад.
Приблизительно через 200 млн лет после образования Луна уже удалилась от Земли на расстояние приблизительно 140 тыс. км. К этому времени мощность её литосферы увеличилась до 85 км и практически весь верхний слой анортозитовых расплавов оказался охлаждённым и полностью раскристаллизованным, превратившись тем самым в твёрдую анортозитовую или так называемую «материковую» кору Луны. В это время около 4,4 млрд лет назад практически полностью прекратился и лунный анортозитовый магматизм, хотя снизу лунная кора ещё по-прежнему продолжала подстилаться «магматическим океаном», но теперь уже только базальтового состава.
Второй импульс лунного магматизма 4,0-3,8 млрд лет назад совпал по времени со вторым периодом ускоренного отодвигания Луны от Земли. На этот раз усиление приливных взаимодействий между планетами, как уже отмечалось выше, было связано только с земными событиями — с возникновением в Земле астеносферы, началом её тектонической активности и формированием ещё мелководных морских бассейнов. Однако химия лунного магматизма на этот раз была уже совсем иной.
Как и в первый период ускоренного расширения лунной орбиты, так и на этот раз, через 600 млн лет после своего образования, Луна в раннем архее (благодаря большей массе) должна была усиленно «выметать» из околоземного пространства ещё сохранившиеся до этого времени на внешних околоземных орбитах другие спутники. Но, как уже отмечалось, все наиболее крупные тела околоземного спутникового роя за время, прошедшее с момента образования Луны, благодаря приливным взаимодействиям с Землёй также должны были удалиться на периферию этой системы — на расстояния от 170 до 300 тыс. км. Следовательно, в интервале отмеченных расстояний в это время должны были сконцентрироваться и наиболее массивные спутники, и микролуны из околоземного спутникового роя.
Но за время от момента образования Луны до начала раннего архея прошло около 600 млн лет, и за этот период мощность лунной литосферы успела возрасти приблизительно до 150 км. Поэтому пробить такую литосферу уже могли только сравнительно крупные космические тела — спутники с поперечными размерами около сотни километров и соответственно с массами порядка 1020 — 1021 г. По-видимому, в начале раннего архея помимо Луны по внешним геоцентрическим орбитам вокруг Земли ещё вращалось несколько (до 10-12) таких сравнительно массивных спутников.
Падая на Луну, эти массивные спутники пробивали не только анортозитовую кору, но и подстилающий её слой габбро, открывая тем самым доступ подлитосферным базальтовым магмам на лунную поверхность. Излияния базальтов из образовавшихся ударных кратеров и оперяющих их разломов как раз и создали привычный нам узор базальтовых покровов лунных «морей». С внедрениями крупных базальтовых масс в пробитые спутниками бреши анортозитовой коры следует связывать и происхождение так называемых лунных масконов — аномально тяжёлых масс под кратерами лунных «морей». Такие массы с избыточной плотностью на фоне лёгких анортозитов лунной коры (р ~ 2,7 г/см3) создаются внедрившимися в кору заметно более плотными базальтами (р ~ 2,9 г/см3). Судя по абсолютной геохронологии лунных образцов, формирование гигантских ударных кратеров и заполнение их базальтами происходило в период от 4,0 до 3,8 млрд лет тому назад и полностью совпадает по времени с началом тектонической активности Земли, что и следует из рассмотренного здесь механизма образования и эволюции системы Земля-Луна. По-видимому, на совпадение проявлений базальтового магматизма на Луне с началом процесса выделения земной коры (т.е. фактически с началом тектонической активности Земли) впервые обратил внимание и увидел в этом совпадении определённую связь между событиями на Земле и Луне выдающийся российский геолог В. Е. Хаин (1977).
Интересно отметить, что, согласно А. Рингвуду (1979), процесс дифференциации лунного вещества, породивший базальтовые излияния раннеархейского возраста, судя по изотопному составу свинца и рубидий-стронциевым отношениям, происходил не в момент излияния самих базальтов, а значительно раньше — около 4,6 млрд лет назад, т.е. во время формирования самой Луны. Отсюда следует, что базальты лунных морей действительно изливались на её поверхность благодаря разрушению целостности её литосферной оболочки и вскрытию «магматического океана», существовавшего ещё с момента формирования самой Луны, как это и вытекает из рассматриваемой гипотезы её образования.
После второго периода ускоренного отталкивания Луны от Земли её движение вновь стало более спокойным (см. рис. 26). Примерно в это же время, к началу позднего архея, около 3,2 млрд лет назад, в связи с полным исчерпанием «микролун» из спутникового роя Земли прекратилась и активная бомбардировка лунной поверхности бывшими спутниками Земли. С тех пор на Луну, как, впрочем, и на Землю, спорадически падали лишь метеоритные тела, орбиты которых случайно пересекались с нашими двумя планетами. Поэтому около 3,5-3,2 млрд лет назад полностью прекратился и лунный магматизм, а сама Луна превратилась в тектонически мёртвую планету.
В заключение этого раздела хотелось бы обратить внимание на два важных обстоятельства, касающихся тектонического развития Земли в катархее и архее. Во-первых, массовые выпадения на лунную поверхность метеоритных тел и даже спутников средних размеров вовсе не означает, что в катархее и раннем архее такой же интенсивной бомбардировке подвергалась и Земля. Как раз наоборот: ведь на Луну выпадали те космические тела из околоземного спутникового роя, которые в силу их приливного взаимодействия с Землёй должны были только отодвигаться от неё, но не выпадать на земную поверхность.
Во-вторых, возобновление после длительного перерыва около 600 млн лет повторной бомбардировки лунной поверхности, на этот раз крупными космическими телами, и связанная с этим вспышка базальтового магматизма на Луне чётко маркируют переход Земли от тектонически пассивного состояния в катархее к её активному тектоническому развитию в архее. Фактически базальтовый магматизм на Луне чётко маркирует начало тектонической активности Земли.