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

Оглавление

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.

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 2019 за выдающиеся работы в области астрономии за цикл работ «Формирование и процессы эволюции Солнечной системы». В честь С. И. Ипатова назван астероид 14360 Ipatov.