Геология Марса развивается

Если до 1972 г. происходило в основном "первичное накопление" фактических данных о строении марсианской поверхности и рельефа, то уже в 1973-1974 гг. был выполнен ряд обобщающих исследований в этом направлении.

Американские ученые на основании 7300 фотографий Марса, полученных космическим аппаратом "Маринер-9", составили фотомозаичную карту его поверхности в масштабе 1:5000000 и ряд геологических карт в разных масштабах. Анализ этих снимков и карт показал, что Марс более изменчив и динамичен, чем предполагали ранее. Характерным свойством поверхности планеты в глобальном масштабе является наличие как бы единого гигантского "материка" в южном полушарии и единого "океана" в северном. В то время как поверхность южного "материка" покрыта большим количеством ударных (т. е. метеоритных) кратеров, равнины северного полушария почти лишены их, но зато несут на себе следы обширных отложений, частично осадочного происхождения. Здесь же сосредоточено большинство вулканов. Анализ фигуры Марса показал, что покрытые кратерами возвышенности лежат в среднем на 3 км выше, чем гладкий "океан" северного полушария. Наличие лишь слабых следов космической бомбардировки показывает, что поверхность океана сложена более молодыми породами (скорее всего, излияниями базальта), чем испещренный кратерами материковый район. Для равнин характерно наличие вулканов в виде конусов с кальдерами на вершинах. Свежие натеки на склонах конусов тоже указывают на их геологическую молодость.

Распределение участков поверхности Марса по уровням, построенное У. Хартманном на основе как радиолокационных, так и спектрофотометрических разрезов рельефа, позволило установить, что гипсометрическая кривая Марса, показывающая, как часто встречается на планете тот или иной уровень, имеет два максимума (рис. 18). Таким же свойством обладает, как известно, гипсометрическая кривая Земли. Причина этого явления состоит в том, что гранитные континентальные блоки земной коры как бы плавают в более плотном веществе мантии, в соответствии со схемой Дж. Эри. При этом они подобно ледяным айсбергам в океане возвышаются над средним уровнем океанического дна на несколько километров. Два максимума на гипсометрической кривой Земли и соответствуют средним уровням материков и дна океанов.

Рис. 18. Гипсометрическая кривая для Марса, показывающая частоту встречаемости уровней высот (от условного нуля)

Нечто подобное наблюдается и на Марсе. У. Хартманн построил такую схему для Земли и Марса (рис. 19). Данные для Земли известны из непосредственных определений плотности пород и сейсмических измерений. Средняя плотность гранитных материковых блоков 2,75 г/см³, базальтовой "подложки" 3,05 г/см³ среднее возвышение материковых блоков над "подложкой" h_c=3 км, их погружение h_r=31 км, а общая толщина h_c+h_r=34 км. Плотность верхней мантии Марса, по Байндеру и Девису, составляет 3,4 г/см³ (эта величина рассчитана теоретически на основании средней плотности и модели внутреннего строения планеты). Для плотности материков Марса Хартманн принял значение 2,9 г/см³ - несколько большее, чем для Земли, ввиду меньшей концентрации вещества к центру планеты. Из гипсометрической кривой для Марса можно получить величину h_c=3 км (как для Земли). По величине h_c и значениям плотностей получается общая толщина коры Марса h_c+h_r=20 км с возможными пределами от 15 до 33 км. Таким образом, кора Марса, по схеме Хартманна, тоньше земной и лунной коры (толщина последней по сейсмографическим данным равна 65 км). Близкие результаты независимо от Хартманна получил советский геолог В. Б. Нейман.

Рис. 19. Схема расположения материковых и морских участков коры на Земле и на Марсе

Для понимания дальнейшего необходимо напомнить, что мы еще не имеем общепринятой точки зрения на глобальную тектонику нашей Земли. За последние 15 лет все более широкое распространение получает выдвинутая английским геологом А. Холмсом и разработанная американскими геологами Р. Дитцем и Г. Хессом "глобальная тектоника плит", суть которой заключается в следующем (рис. 20): земная кора (литосфера) состоит из нескольких гигантских плит протяженностью в тысячи километров, разделенных трещинными разломами, проходящими вдоль осей океанических хребтов, в так называемых рифтовых зонах (один из таких хребтов проходит по средней линии Атлантического океана). Как установлено непосредственными исследованиями, океаническая кора - весьма молодая (около 100 млн. лет). Кроме того, наблюдения свидетельствуют, что Европа и Америка отдаляются друг от друга со скоростью 4 см/год. Возрождая старую гипотезу дрейфа материков, авторы глобальной тектоники плит утверждают, что в области океанических хребтов поднимаются вверх новые участки литосферы, что приводит к раздвиганию плит в стороны от зон поднятия. Встречаясь со старыми блоками материковой коры в районе островных дуг, расположенных вдоль границ материков, расходящиеся плиты уходят под материковую кору, погружаясь обратно в мантию. Места, где это происходит, называются зонами поддвигания. Все движения плит происходят на размягченной верхней части мантии - астеносфере - слое, имеющем пониженную плотность. Источником энергии служат конвективные движения в мантии.

Рис. 20. Схема движений в литосфере и астеносфере согласно глобальной тектонике плит

Гипотеза глобальной тектоники плит получила подтверждение со стороны палеомагнитных данных. Последние показывают, что ориентировка магнитных меридианов в древние эпохи на разных материках была различной, что как будто свидетельствует о смещении, дрейфе материков. Однако эта концепция встречает ряд трудностей, главным образом геологического характера. Вокруг нее продолжаются острые дискуссии как в нашей стране, так и за рубежом^*. Поэтому изучение данных по геологии Марса может сыграть известную роль в проверке и этой гипотезы.

^* (См. Хаин В. Е., Происходит ли научная революция в геологии? "Природа", № 1, 1970; Артюшков Е. В., Что приводит в движение земную кору? "Природа", № 10, 1973; Городницкий А. М., Сорохтин О. Г., Ушаков С. А., Дрейф континентов и современные представления об эволюции Земли, "Земля и Вселенная", № 5, 1974.)

Марсианская кора, особенно в районе Тарсис, показывает ясные признаки поднятия, вызванного движениями мантии. Эти поднятия сопровождаются уничтожением древних кратеров, образованием разломов и систем грабенов, подобных каньону Копрат, тянущемуся на 4000 км, и проявляются в интенсивном вулканизме. По мнению У. Хартманна, это указывает на текущую или недавнюю активность мантии планеты, достаточную для возмущения ее коры, объясняющую ее дифференциацию (наличие двух типов пород: темных и светлых) и образование материковых блоков, но недостаточную для создания развитого дрейфа материков или складкообразующего столкновения плит, как это имеет место на Земле.

Действительно, как отмечают американские специалисты Р. Шарп и М. Кэрр, на Марсе не удалось обнаружить никаких характерных признаков зон поддвигания или признаков расширения плит коры. В частности, вулканы Марса аналогичны земным внутриплитовым вулканам, аналоги же вулканов земных зон поддвигания отсутствуют.

Можно считать, заключает У. Хартманн, что Марс в геологическом отношении занимает промежуточное положение между Луной и Землей. На Луне мы не наблюдаем ни поднятий коры, ни признаков столкновений плит; на Марсе поднятия коры наблюдаются, а столкновения плит - нет; наконец, на Земле происходят и те и другие процессы.

Проявления вулканизма на Марсе были подробно изучены М. Кэрром. На Марсе есть два класса вулканических образований: покрытые редкими кратерами равнины, напоминающие лунные моря, и круглые образования, к которым относятся щитовидные вулканы, купола и кратеры^*. Вулканические образования распределены по поверхности планеты неравномерно, будучи сосредоточены почти полностью в одном полушарии - на территории северного "океана". Щитовидные вулканы Марса (см. рис. 13) больше их земных прототипов, поскольку марсианская кора неподвижна по отношению к мантии, что оставляет больше времени на рост щитов. Анализ крупномасштабных снимков поверхности Марса показывает, что вулканическая активность имела место на протяжении всей доступной дешифровке истории планеты.

^* (Щитовидные вулканы образуются в результате поступления снизу, из астеносферы, легкой базальтовой лавы, растекающейся в стороны и создающей подобие щита. Эти вулканы имеют малые углы склонов (около 10°), в отличие от насыпных конусов типа Везувия. Типичный представитель щитовидных вулканов - Мауна Лоа на Гавайях. Купола - округлые поднятия, обычно вершины складок земной коры. Нередко на куполах образуются вулканы.)

Попытка проследить историю развития марсианского рельефа на основании анализа снимков "Маринеров" была предпринята советским геологом Ю. А. Ходаком и чехословацким планетологом К. Бенешем. Последний выделяет четыре основные системы, отражающие последовательность эволюции поверхности планеты: доэлладскую, элладскую, амазонскую и олимпийскую. В схеме Ю. А. Ходака - девять периодов развития Марса; 1) древнейший, с формированием древних кратеров; 2) элладский кряжистый, или мезогейский, сопровождавшийся образованием кряжей и кратерных площадей; 3) элладский выровненный, или аргирский, с образованием опущенных талассоидов; 4) девкалионский, с образованием несколько приподнятых кратерных площадей; 5) эритрейский, с образованием опущенных кратерных площадей с кряжами и расселинами; 6) атлантидский, с образованием линейных депрессий типа "каналов"; 7) олимпийский, с образованием приподнятого массива; 8) неоолимпийский, с образованием вулканических структур; 9) новейший^*.

^* (Названия периодов образованы от русских наименований основных деталей альбедо (темных и светлых пятен) Марса: Эллада (Hellas), Мезогея (Mesogaea), Аргир (Argyre), Страна Девкалиона (Deucalionis Regio), Эритрейское Море (Маге Erythraeum), Атлантида (Atlantis), Олимпийские Снега (Nix Olynipica).)

Еще в 1959 г. советский планетолог Г. Н. Каттерфельд высказал гипотезу, что марсианские "каналы" - это в основном разломы, подобные глубинным разломам Земли. В 1973 г. Г. В. Чарушин и Г. Н. Каттерфельд произвели статистический анализ распределения "каналов" Марса и разломов Земли по направлениям и изменения их частоты по площадям. Им удалось выявить много общего в этих распределениях для Марса и Земли и сделать вывод о том, что фотографии "Маринеров" подтверждают разломную гипотезу.

Но произведенное уже в 1975 г. американскими астрономами К. Саганом и П. Фоксом детальное исследование связи сети "каналов" Ловелла с реальными структурами рельефа и деталями альбедо Марса (т. е. с границами материков и морей) показало, что только меньшая доля классических "каналов" связана с разломами (типа Копрата), горными хребтами, цепочками кратеров и другими образованиями. В их числе оказались, между прочим, и все те каналы, которые выходили на фотографиях. Большая же часть классических "каналов" все-таки оказалась оптической иллюзией. И гипотеза 3 снова заняла доминирующее положение, сильно потеснив гипотезы 2 б и 2 в.

Пусть читатель, однако, не огорчается этим обстоятельством. На смену "каналам" Скиапарелли и Ловелла пришли другие каналы (без кавычек) - вполне реальные образования, поставившие перед учеными ряд трудных, но интересных проблем. О них будет рассказано в следующем разделе.

Большое исследование распределения марсианских кратеров по размерам в различных областях планеты выполнил У. Хартманн. Число малых кратеров на единицу площади даже в густо покрытых кратерами районах меньше, чем на Фобосе и Деймосе. Это позволило оценить скорость эрозии, разрушающей малые кратеры на Марсе и отсутствующей на его спутниках, а заодно оценить возраст различных кратерных площадей. Согласно этим оценкам, вулканический район Тарсис не старше 300 млн. лет, тогда как древние кратерные области южного полушария насчитывают возраст 3-4 млрд. лет. Самые крупные щитовидные вулканы в Озере Феникса и Олимпийских Снегах существуют не более 100 млн. лет. Заметно также, что около 600 млн. лет назад скорость эрозии резко уменьшилась.

Процесс ветровой эрозии и связанные с нею перенос пыли и образование слоистых отложений тоже явились предметом исследования американских специалистов. Выветривание на Марсе играет гораздо большую роль, чем на Земле, в изменении его рельефа. Перенос пыли и эоловы (ветровые) отложения определяют структуру многих районов на Марсе. Сплошным покровом таких отложений покрыта гигантская котловина Эллады. Вокруг границ полярных шапок древние слоистые отложения образовали большие лунки и ложбины. Из этих областей происходит постепенный перенос эоловых обломков к экватору. В некоторых местах отмечены образования типа дюн (рис. 21), в других - слоистые волнообразные отложения. Расположение слоев наносных пород почти симметрично относительно экватора планеты (их мощность возрастает к полюсам) и почти одинаково в обоих полярных районах.

Рис. 21. Дюны на Марсе (снимок 'Маринера-9')

Разумеется, все это - лишь первые шаги в понимании геологии и геоморфологии Марса. Впереди - новые исследования. Ценный вклад даст детальный анализ крупномасштабных фотографий поверхности Марса, полученных в феврале и марте 1974 г. советскими автоматическими межпланетными станциями "Марс-4" и "Марс-5".