Обложка Маров М.Я., Воропаев С.А., Ипатов С.И., Бадюков Д.Д., Слюта Е.Н., Стенников А.В., Федулов В.С., Душенко Н.В., Сорокин Е.М., Кронрод Е.В. Формирование Луны и ранняя эволюция Земли
Id: 257942
1029 руб.

Формирование Луны и ранняя эволюция Земли

URSS. 2019. 320 с. ISBN 978-5-9710-7283-6. Многочисленные цветные иллюстрации.
  • Твердый переплет

Аннотация

Настоящая монография содержит результаты исследований, выполненных коллективом сотрудников Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект №17–17–01279). Проведены исследования по комплексу проблем, основу которых составляет геолого-геохимическое изучение древней материковой коры и вулканизма Луны с использованием сравнительного анализа данных измерений с космических аппаратов,...(Подробнее) лабораторного изучения образцов вещества метеоритов и лунных пород из уникальной коллекции ГЕОХИ РАН. Проведена серия физико-химических экспериментов с образцами внеземного вещества, обсуждаются оригинальные данные математического моделирования процессов, связанных с образованием системы Земля-Луна. Целевой задачей является получение результатов, позволяющих лучше понять раннюю историю Луны.

Изучение особенностей фигуры и гравитационного поля Луны дает возможность отыскать важные аналогии в эволюции обоих тел. Следует подчеркнуть, что с изучением системы Земля-Луна связываются также ответы на ряд актуальных вопросов относительно происхождения и эволюции всей Солнечной системы. Сочетание исследований небесно-механических проблем формирования системы Земля-Луна с геолого-геохимическими природными свойствами Луны является важной отличительной особенностью данного проекта РНФ. Другой задачей являлось изучение лунных ресурсов, их минерального состава, областей залегания и глобального картирования.

В книге подчеркнута важность и актуальность изучения ранней Луны и Земли, взаимосвязь проблемы формирования Луны с ранней геологической историей Земли, достоинства и ограничения исходной концепции. Ее прочтение будет полезно широкому кругу молодых исследователей в качестве единого, объединяющего ряд естественно-научных дисциплин, взгляда на нашу планету и ее спутник.


Содержание
Оглавление 3
Предисловие 7
Введение (Маров М.Я.) 13
Глава 1. Основные характеристики Луны (Маров М. Я.) 19
1. Луна как небесное тело и система Земля—Луна 19
2. Морфология поверхности, состав пород 22
3. Внутреннее строение, геохимия 29
Глава 2. Формирование системы Земля—Луна (Ипатов С. И.) 34
1. Проблема происхождения Луны и модели формирования системы Земля—Луна 34
2. Модель образования твердотельных зародышей Земли и Луны из разреженного сгущения с учетом ограничений на величину углового мо-мента системы 38
2.1. Осевой момент сгущения, образовавшегося при столкновении двух сгущений 39
2.2. Угловой момент сгущения, образовавшегося путем аккумуляции меньших объектов 43
2.3. Угловой момент сгущения, необходимый для образования заро-дышей Земли и Луны 45
3. Выпадение на Землю и Луну планетезималей, малых тел и пыли с различных радиальных расстояний, вероятностные оценки 51
3.1. Относительные изменения масс зародышей Земли и Луны при аккумуляции планетезималей 51
3.2. Рост момента количества движения зародышей системы Земля—Луна 53
3.3. Изменение доли железа в растущих зародышах Земли и Луны при выпадении планетезималей 55
4. Влияние на состав Луны аккумуляции вещества зародышей Земли 61
5. Роль процессов миграции в ранней Солнечной системе на приток летучих и оценки содержания воды на Земле и Луне за счет экзогенного механизма 65
5.1. Вероятности выпадений на Землю и Луну тел из зоны питания планет земной группы 65
5.2. Вероятности выпадений на Землю и Луну тел из зоны питания планет-гигантов 72
Глава 3. Катархейский и донектарский этапы в истории Земли и Луны (Кронрод Е. В., Федулов В. С., Стенников А. В., Душенко Н. В., Воропаев С. А.) 85
1. Ранняя магматическая и вулканическая активность на Земле и Лу-не. Магматический океан, особенности раннего вулканизма Земли и Луны 85
1.1. Катархей и Донектарский этапы 85
1.2. Лунный магматический океан 86
1.3. Ранний магматизм на Луне 88
1.4. Особенности лунного вулканизма 90
1.5. Магматический океан на Земле 91
2. Оценка процессов ранней эволюции оболочек Земли и Луны в ходе охлаждения-застывания МО, особенности процессов в катархейском и донектарском этапах 93
2.1. Тепловая эволюция LMO и вода в Луне 94
2.2. Дифференциация и кристаллизация LMO 95
2.3. Глубина проплавления LMO
2.4. Общемантийный глобальный переворот или овертон 100
2.5. Развитие Земли в катархее 100
2.6. Особенности МО на Земле 102
3. Начало мантийной конвекции и образование гидросферы и атмо-сферы Земли, хронология процессов. Первичная атмосфера Луны в катар-хее-архее и ее роль в образовании поверхностных пород 104
3.1. Ударная дегазация 104
3.2. Лабораторные исследования. Описание образцов и методика экспериментов 107
4. Лабораторные эксперименты по дегазации вещества метеоритов и образцов лунного вещества, определение содержания летучих 126
4.1. Морские базальты 127
4.2. Проявления вулканизма и связанные с ним формы рельефа 130
4.2. Комплекс Мариус Хилз 135
4.3. Провинция Монс Рюмкер 136
4.4. Провинция Груйтуйзен 141
4.5. Пирокластика 142
4.6. Континентальный вулканизм 144
4.7. Начало и окончание морского вулканизма на Луне 145
5. Поздняя тяжелая бомбардировка на завершающей стадии аккреции и наличие лунных первичных импактных пород 151
Глава 4. Геодинамика Луны (Воропаев С. А.) 174
1. Дифференциация Луны и Земли на оболочки. Взаимосвязь форми-рования фигуры Луны с эволюцией лунной орбиты 174
2. Вклад приливных взаимодействий в геодинамику Луны 184
3. Современные гравиметрические данные и их анализ. Реликтовые тектонические структуры ранней Луны 192
Глава 5. Формирование лунной и земной коры. Лунный реголит (Со-рокин Е.М., Бадюков Д. Д.). 202
1. Лунный магматизм 202
2. Плутонические породы, магнезиальное семейство 206
3. Петрография лунного реголита. Хронология слоистости 210
3.1. Стратиграфия (слоистость) реголита 211
3.2. Гранулометрический состав реголита 212
3.3. Петрографический состав реголита 214
3.4. Морфология и поверхность фрагментов в реголите 219
3.5. Главные (Si, Ti, Al, Fe, Mg, Ca, Na) и литофильные (Cr, Mn, P, K, Zr, Th, U, REE и др.) элементы 221
3.6. Сидерофильные элементы (Ir, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Pt, Au, Ni, Ge, частично Co, Mo, Sb, W) 222
3.7. Халькофильные элементы (S, As, Se, Te, Cu, Zn, Ag, Cd, In, Hg, Tl, Pb, Bi) 223
3.8. Атмофильные элементы. Инертные газы, H, C, N 224
3.9. Космогенные радионуклиды 226
3.10. Практически важные свойства реголита 226
4. Поток метеоритов и степень метеоритной эрозии метеоритного вещества в лунном реголите 228
5. Имплантация частиц солнечного ветра в реголит 239
6. Микрометеориты: поток и источник поступления космогенных компонентов на Луну 249
6.1. Поток микрометеороидов на Землю и Луну 250
6.2. Сравнение скоростей аккреции кратерообразующих тел и мик-рометеоритов 258
6.3. Компоненты микрометеороидного потока 259
Глава 6. Лунные ресурсы и перспективы освоения Луны (Слю-та Е. Н.) 263
1. Основные типы внеземных ресурсов 263
2. Полезные летучие компоненты в лунном реголите 265
2.1. Имплантированные летучие компоненты 266
2.2. Содержание и распределение изотопов гелия 276
2.3. Слабосвязанные летучие в лунном реголите 280
2.4. Замороженные летучие в лунном реголите 281
3. Физические и механические свойства лунного реголита 291
4. Перспективы освоения 304
Заключение (Маров М. Я.) 309
Литература 312
Оглавление 3

Предисловие

Настоящая монография содержит результаты исследований, выполненных коллективом сотрудников Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН в рамках проекта Российского Научного фонда (РНФ). Исследования проведены по комплексу проблем, основу которых составляет геолого-геохимическое изучение древней материковой коры и вулканизма Луны с использованием сравнительного анализа данных измерений с космических аппаратов, лабораторного изучения образцов вещества метеоритов и лунных пород из уникальной коллекции ГЕОХИ РАН. Проведена серия физико-химических экспериментов с образцами внеземного вещества, обсуждаются оригинальные данные математического моделирования процессов, связанных с образованием системы Земля—Луна. Целевой задачей является получение результатов, позволяющих лучше понять раннюю историю Луны — дифференцированного тела, рассматриваемого как окно в раннюю геологическую историю Земли, на которой особенности формирования первичной коры стерты последующими процессами образования гидросферы, атмосферы, биосферы.

В решение этой задачи важный вклад вносит изучение строения и состава коры и мантии Луны, формирование которых, как и на Земле, произошло в первые несколько сот млн лет. На этой стадии значительный вклад внесла ударная бомбардировка, образовавшая на лунной поверхности многочисленные кратеры и огромные котловины, что оказало сильное влияние на процессы дифференциации и структуру недр, глобальные вариации рельефа, характер расплавов, петрологию пород и их механические свойства, состав летучих в первичной газовой среде и в отложениях, особенности водного цикла. Также интенсивнее ударные события должны были повлиять на раннюю геологическую историю Земли. Изучение особенностей фигуры и гравитационного поля Луны дает возможность отыскать важные аналогии в эволюции обоих тел. Следует подчеркнуть, что с изучением системы Земля—Луна связываются также ответы на ряд актуальных вопросов относительно происхождения и эволюции всей Солнечной системы. Сочетание исследований небесно-механических проблем формирования системы Земля—Луна с геолого-геохимиче¬скими природными свойствами Луны и возможностями прямого изучения образцов лунного вещества является важной отличительной особенностью данного проекта РНФ.

Другой задачей являлось изучение лунных ресурсов, их минерального состава, областей залегания и глобального картирования, исходя из концепции будущего использования естественного спутника Земли для освоения и развертывания широкомасштабной лунной инфраструктуры, что предусмотрено директивными документами, в том числе Российской Федеральной космической программой, а также национальными космическими программами других стран. Эта стратегическая задача отражена в разработанной российской комплексной программе исследования и освоения Луны, включающей перспективы исследования и использования лунных ресурсов. Она была рассмотрена в ноябре 2018 г. на совместном заседании Научно-технического совета Роскосмоса и Совета по космосу РАН и утверждена их совместным решением.

Монография содержит шесть глав, которым предшествует введение. В нем подчеркнута важность и актуальность изучения ранней Луны и Земли, взаимосвязь проблемы формирования Луны с ранней геологической историей Земли, достоинства и ограничения исходной концепции.

В первой главе приведены основные характеристики Луны как небесного тела и системы Земля—Луна, кратко охарактеризованы морфология лунной поверхности и состав пород, внутреннее строение и основные геохимические свойства.

Вторая глава посвящена проблеме происхождения и формирования системы Земля—Луна. Рассмотрены различные модели, концепции и ограничения. Основное внимание уделено развиваемой в проекте модели формирования зародыша системы Земля—Луна из разреженного сгущения с учетом ограничений на величину углового момента системы, концепции образования крупного спутника при сжатии сгущения и росту твердотельных зародышей Земли и Луны на основе аналитических и численных оценок. Приведены оценки вероятности выпадения на Землю и Луну планетезималей, малых тел и пыли с различных радиальных расстояний — зоны питания планет земной группы, астероидного пояса, Юпитера, Сатурна, пояса Койпера. Проанализирована модель роста зародыша Луны за счет выброса вещества с поверхности зародыша Земли и ограничения, налагаемые на состав Луны, включая относительное содержание железа. Рассмотрены процессы миграции в ранней Солнечной системе и их роль в поступлении летучих на Землю и Луну, результаты численного моделирования, даются оценки притока воды на Землю и Луну за счет экзогенного механизма.

В третьей главе приведены результаты сравнительного изучения ранних эонов — катархейского и донектарского этапов в истории Луны и Земли. Рассмотрены ранняя магматическая и вулканическая активность на Земле и Луне, образование магматического океана (МО), особенности раннего вулканизма Земли и Луны. Приведены оценки процессов ранней эволюции оболочек Земли и Луны в ходе охлаждения-застывания МО, особенности процессов в катархее и донектарском этапах для Земли и Луны. Результаты этих исследований позволяют установить основные закономерности изменения интенсивности вулканической активности во времени и пространстве и выявить связь этих изменений с составом лунных морских пород в выделенных магматических и вулканических провинциях. Предпринята попытка восстановления истории формирования лунной коры и возможных форм нахождения летучих компонентов для установления их вклада в образование лунных пород. С этими процессами предположительно связано начало мантийной конвекции и образование гидросферы и атмосферы Земли. Рассмотрена хронология этих процессов, образование первичной атмосферы Луны в донектарском периоде, ее ожидаемые свойства. Значительный вклад внесла поздняя тяжелая бомбардировка (LHB — Late Heavy Bombard¬ment) на завершающей стадии аккреции, и наличие лунных первичных импактных пород является ее следствием. Проанализирована роль первичной лунной атмосферы в образовании поверхностных пород на основе лабораторных экспериментов по дегазации вещества метеоритов и образцов лунного вещества.

В четвертой главе подробно рассмотрена геодинамика Луны. Исследуются проблемы дифференциации Луны и Земли на оболочки и взаимосвязь формирования фигуры Луны с эволюцией лунной орбиты. Детально проанализирован вклад приливных взаимодействий в геодинамику Луны. Большое внимание уделено роли ударных процессов в формировании земной и лунной коры, включая динамику столкновений с планетой или ее спутником малых тел, и их фрагментации вследствие гравитационных возмущений при выпадении на центральное тело.

В пятой главе предпринята попытка связать доступные результаты исследований Луны, включая полученные в рамках проекта РНФ, с процессами формировании земной коры. Рассмотрены условия формирования древней лунной коры с учетом относительного вклада древней тектоники и вулканизма, геологические свидетельства остаточного магматизма. Обсуждаются относительно старые магматические литологии, имеющие решающее значение для реконструкции магматической и термальной истории Луны. Показано, что в понимание процессов образования и магматической дифференциации лунной коры при различных петрогенетических условиях весомый вклад вносят данные изучения свойств плутонических пород, минералогических и химических различий между железистыми анортозитами и магнезиальным семейством. Ожидается, что совокупная роль тектоно-вул¬канических, импактных и геодинамических процессов в формировании древней коры Луны имеет важные следствия для понимания формирования коры Земли на протяжении приблизительно первого миллиарда лет ее эволюции. Одновременно подчеркивается, что в отличие от Земли, в формирование свойств поверхности Луны, как безатмосферного тела, огромный вклад вносит космическое выветривание, обусловленное метеоритной эрозией и прямым взаимодействием с солнечным ветром, включая имплантацию его частиц в лунные породы. Приведены оценки величины и вариаций потока метеоритов и степени метеоритной эрозии, включая проблему сохранения метеоритного вещества в лунном реголите. С метеоритной бомбардировкой непосредственно связано образование верхнего слоя коры — реголита. Подробно обсуждается петрография лунного реголита и хронология его слоистости. Этот раздел (глава 5, раздел 3) был написан покойным заведующим Лабораторией метеоритики ГЕОХИ РАН доктором геолого-минералогических наук М. А. Назаровым и включен в монографию, как дань уважения его светлой памяти.

Наконец, в шестой главе рассматриваются лунные ресурсы с точки зрения перспектив освоения Луны. Первостепенным типом и наиболее важным источником ресурсов служит лунный реголит. С позиций перспективного использования рассмотрены физико-химические и механические свойства реголита, содержание и распределение летучих в различных фазовых состояниях, включая оценки запасов воды и летучих на полюсах, наличие твердых полезных ископаемых, а также проблемы разведки, добычи и обогащения лунных ресурсов. Рассмотрены перспективы освоения и программа начала создания лунной инфраструктуры.

В целом монографию можно охарактеризовать как попытку связать доступные результаты исследований Луны, включая полученные авторами в рамках проекта РНФ, с известными процессами формировании земной коры. Рассмотрены условия формирования древней лунной коры с учетом относительного вклада тектонических процессов, остаточного магматизма, метеоритной эрозии, имплантации, включая имплантацию частиц солнечного ветра. Проведены исследования основных закономерностей изменения интенсивности вулканической активности во времени и пространстве и связь этих изменений с составом лунных морских пород в выделенных магматических и вулканических провинциях. Предпринята попытка восстановления истории формирования лунной коры и возможных форм нахождения летучих компонентов для установления их вклада в образование лунных пород. Приведены оценки величины и вариаций потока метеоритов и степени метеоритной эрозии, включая проблему сохранения метеоритного вещества в лунном реголите. Подробно рассмотрены петрография лунного реголита и хронология слоистости. Ожидается, что совокупная роль тектоно-вулканических, импактных и геодинамических процессов в формировании древней коры Луны имеет важные следствия для понимания формирования коры Земли на протяжении примерно первого миллиарда лет ее эволюции. Рассмотрены перспективы освоения Луны, опираясь на данные о наличии и возможностях использования ее ресурсов.

Авторы выражают благодарность Российскому Научному фонду за финансовую поддержку данных исследований (грант № 17–17–01279).


Об авторах
Маров Михаил Яковлевич
Доктор физико-математических наук, профессор, академик Российской академии наук, академик Международной академии астронавтики. Специалист в области механики природных сред, астрофизики, планетологии и космических исследований. Заведующий отделом Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН. Непосредственный участник разработки и осуществления отечественной программы космических исследований в 1960–1980-х гг.; сыграл важную роль в подготовке и реализации многолетней комплексной программы отечественных исследований Луны, Венеры и Марса на лунно-планетных космических аппаратах «Луна», «Венера», «Марс», «Вега», «Фобос». Ему принадлежат пионерские исследования в изучении Венеры и Марса. Им получены крупные научные результаты в разработке проблем механики многокомпонентных реагирующих газов, турбулентности неоднородных сред и методов их математического моделирования. Один из основателей нового раздела механики и физики космоса — планетной аэрономии. Внес вклад в разработку ключевых проблем планетной космогонии. Комплекс работ М. Я. Марова углубляет и расширяет наши представления о ключевых природных механизмах в космосе и открывает перспективы более тесной интеграции механики, астрофизики и наук о Земле. Опубликовал свыше 250 научных работ и 18 монографий. Главный редактор научного журнала РАН «Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы». Председатель Комиссии РАН по изучению научного наследия К. Э. Циолковского. Лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, Демидовской премии, Международной Галаберовской премии по астронавтике, Международной премии Элвина Сиффа. Награжден медалью Международного комитета по космическим исследованиям (КОСПАР) за планетные исследования. Имеет ряд правительственных наград, в том числе орден Трудового Красного Знамени, орден Почета, орден Дружбы. За выдающиеся научные достижения удостоен одной из высших наград РАН — Золотой медали им. М. В. Келдыша.
Воропаев Сергей Александрович
Старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН, кандидат физико-математических наук. Научные интересы: исследования физико-механических свойств метеоритов и астероидов, эволюции малых тел Солнечной системы и системы Земля-Луна.
Ипатов Сергей Иванович
Ведущий научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, доктор физико-математических наук. Лауреат премии Ф. А. Бредихина РАН за выдающиеся работы в области астрономии по процессам ранней Солнечной системы.
Бадюков Дмитрий Дмитриевич
Заведующий лабораторией метеоритики ГЕОХИ РАН, кандидат геолого-минералогических наук. Объекты изучения: метеориты, лунное вещество, космическая пыль, породы земных ударных кратеров. Лаборатория курирует Метеоритную коллекцию РАН и Национальную коллекцию лунных образцов, доставленных АЛС серии «Луна» и экспедициями «Аполлон».
Слюта Евгений Николаевич
Заведующий лабораторией геохимии Луны и планет ГЕОХИ РАН, кандидат геолого-минералогических наук. С начала планетных исследований почти на всех космических аппаратах, созданных в РФ, были установлены научные приборы, разработанные в лаборатории и предназначенные для изучения пород планет и их спутников.
Стенников Антон Вячеславович
Младший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН, аспирант. Научные интересы: геохимические исследования метеоритов как основных представителей первичных блоков ранней Земли и Луны.
Федулов Вениамин Сергеевич
Младший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН, аспирант. Научные интересы: химический анализ метеоритов и мантийных пород Земли, подготовка образцов для изотопных исследований.
Душенко Никита Владимирович
Младший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН, аспирант. Научные интересы: разработка установки термопиролиза внеземного вещества, подготовка и проведение ряда экспериментов по дегазации хондритов.
Сорокин Егор Максимович
Младший научный сотрудник лаборатории геохимии Луны и планет ГЕОХИ РАН. Научные интересы: исследование геохимических особенностей ударных процессов, подготовка и проведение ряда экспериментов по высокоскоростным метеоритным ударам.
Кронрод Екатерина Викторовна
Младший научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, аспирант. Научные интересы: исследования внутренней структуры Луны и эволюции состава ее раннего магматического океана.