В 50-х годах внимание некоторых геологов привлекли структуры, возникшие при ударах метеоритов. Когда в окрестностях метеоритного кратера Аризона был обнаружен коэсит, разновидность SiO2, образовавшаяся при высоком давлении, и накопилось больше информации об образовании трещин и метаморфических явлениях в породах, которые, как считалось, образовались при метеоритных ударах, не только явно выраженные в рельефе метеоритные кратеры, но и структуры, которые считались возникшими при метеоритных ударах в древние времена, стали обнаруживаться одна за другой. Для последних, пожалуй, наиболее подходящим названием является «ископаемые» метеоритные кратеры. Диц [23] назвал такие древние шрамы от ударов метеоритов «астроблемами» (astroblemes) — от греческих слов, обозначающих «звезда» и «рана».
В лунных структурах, которые считаются, огромными метеоритными кратерами, есть признаки излияний лавы. Однако в земных импактных кратерах таких признаков фактически нет. В ходе геологосъемочных работ, осуществлявшихся с целью выявления на Земле областей, аналогичных лунным морям, Диц пришел к выводу, что магматическая деятельность в Садбери, возможно, и является таким примером. В результате геологической съемки он открыл несколько структур, которые, по его убеждению, свойственны метеоритным кратерам. На основании этого он убедился в справедливости утверждения, что весь комплекс структур Садбери — это огромный древний им-пактный кратер [25]. Эти структуры впоследствии изучались многими геологами, чьи работы, по большей части, поддерживали основное предположение Дица, хотя и внесли в него много поправок. Предположение, что структура Садбери является импактным кратером, приобрело, таким образом, широкое признание. Очевидно, гипотеза астроблемы не может объяснить все особенности структуры Садбери. Некоторые исследователи до сих пор считают ее разновидностью вулканической структуры. Однако, накопление новых данных делает концепцию астроблемы все более и более убедительной. В этом разделе мы дадим обзор геологических, петрологических и структурных особенностей, обнаруженных в районе Садбери, и рассмотрим, до какой степени их можно объяснить гипотезой астроблемы.
Интрузив Садбери
Интрузив Садбери представляет собой структуру овальной формы, имеющую вдоль длинной оси 60 км, а вдоль короткой — 25 км, вытянутую в направлении восток-северо-восток — запад-юго-запад [45 и др.]. Интрузивное тело имеет мощность 1,5—3 км (рис. 2.IX.1). Так как по форме структура напоминает корпус лодки, ее назвали «бассейн Садбери», но интрузивное тело по своим морфологическим особенностям называлось также «лополит Садбери». Под интрузивным телом обнаружены метаморфические породы, образовавшиеся из эруптивных и обломочных пород, а также граниты и гнейсы. Сверху оно перекрыто пластами туфов, аспидных сланцев и песчаников, которые называются серией Уайтуотер. На разрезе видно, что, по крайней мере, часть серии пород лежачего бока круто наклонена, образуя несогласную структуру по отношению к интрузивному телу. Вместе с тем, осадочные породы висячего бока явно залегают согласно над интрузивным телом в чашеобразной структуре. Итак, можно представить себе, что структура Садбери состоит из трех независимых геологических комплексов, включающих в себя: 1) породы лежачего бока; 2) интрузивное тело; 3) породы висячего бока. Рассмотрим особенности каждого из этих трех комплексов по очереди.
Породы лежачего бока — конусы обрушения и брекчирование
Породы, подстилающие интрузив Садбери, к северу от чашеобразной структуры представлены в основном архейскими гранитами и гнейсами, а метаморфические породы, образовавшиеся из эруптивного и пластического материала, принадлежащие к нижнепротерозойской гуронской надгруппе, залегают южнее.
Слои южного борта часто круто наклонены к югу, а иногда могут даже задираться вверх или, местами, опрокидываться. Гранитные породы и гнейсы преобладают у северного борта и имеют более сложную структуру.
Считалось, что если фундамент чашеобразной структуры Садбери рассмотреть как единое целое, он, возможно, представляет собой отдельную куполообразную структуру. Было составлено несколько разрезов, согласно которым структура Садбери возникла при образовании кратера вместо вершины этого купола.
В породах лежачего бока развиты две разновидности характерных структур — брекчирование и конусы обрушения.
Брекчированные породы проявляются в виде брекчиевых даек, выполняющих радиальные и концентрические трещины, развитые вокруг бассейна Садбери. Они не прямолинейны, а состоят из весьма разномасштабных неравномерно распределенных пятен или сложных сетей и сложены разными по размеру обломками. Цементирующей массой служат тонкораздробленные породы и стекловатый материал. Обломки главным образом представлены породами, окружающими интрузив, но встречаются и чужеродные обломки. В цементирующей массе наблюдаются текстуры течения, отражающие течение до некоторой степени вязкого вещества.
Брекчирование наиболее заметно только у основания интрузива Садбери и затухает по направлению к его внешним границам, однако следы этого явления все еще можно наблюдать на расстоянии, превышающем 10 км (рис. 2.IX.2). Явление брекчирования не наблюдается ни в породах самого интрузива Садбери, ни в перекрывающей его серии Уайтуотер.
Конусы обрушения (shatter cones) представляют собой характерные конические трещины, которые развиваются в породах. Они довольно часто встречаются во всем мире, в структурах, которые, как полагают, являются древними импактными кратерами, а также в породах, окружающих молодые метеоритные кратеры, выраженные в рельефе. Однако, у нас нет определенных сведений о примерах, когда такие структуры образуются вслед за вулканическими взрывами. Поэтому многие исследователи считают, что конусы обрушения — это трещины, возникшие при ударе метеорита. Высота конусов обрушения колеблется от нескольких сантиметров до метра и более.
Когда Диц [25] впервые осуществлял съемку, о конусах обрушения в районе Садбери было известно мало, но по мере выполнения детальных исследований выяснилось, что они довольно широко развиты в породах, окружающих интрузив [26, 44]. Конусы обрушения можно обнаружить на расстоянии вплоть до 13 км от края интрузива, но ни в нем, ни в перекрывающих его породах их нет (см. рис. 2.IX.2). Они особенно широко распространены южнее интрузива, где развиты очень плотные породы осадочного происхождения, которые называются кварцитами Миссисаджи. Из этого следует, что свойства горных пород могут способствовать или препятствовать развитию конусов обрушения.
Кроме того, изучались направления, на которые указывают вершины конусов обрушения, однако эти исследования не смогли дать достаточно данных для оценки источника происхождения ударных волн. Возможно, это связано с тем, что трудно оценить влияние деформации пород, которая произошла после того, как образовались конусы обрушения. Однако в целом вершины конусов обрушения направлены к пункту, расположенному несколько выше, чем существующий в настоящее время уровень поверхности в центре бассейна Садбери, что не противоречит гипотезе метеоритного удара [44].
Интрузив Садбери и рудные месторождения
Верхняя часть интрузивного тела, которое, как кажется на первый взгляд, имеет форму лополита, состоит из гранофиро-вых пород, которые называются микропегматитами, а нижняя сложена норитом, т. е. габбро, содержащим большое количество ортопироксена. Иногда эти породы рассматривали как разновидность кольцевого дайкового комплекса, образовавшегося при последовательном внедрении двух типов магмы. Между верхним и нижним комплексами расположена зона, которую можно назвать переходной. Интрузивное тело в целом можно рассматривать как дифференцированную расслоенную интрузию. У дна интрузивного тела, по форме напоминающего лодку, располагаются прерывистые интрузивные слои норита, содержащие многочисленные ксенолитовые валуны ультраосновных пород и часто обогащенные сульфидами. Они называются «сублееры». Повсюду в породы лежачего бока также внедряется диорит, подобно нориту обогащенный ксенолитами и сульфидами, образуя ответвления от основных структур. Они называются «оффсеты».
В соответствии с некоторыми докладами, возраст норита главного тела и рудоносных сублееров, установленный Rb-Sr методом, 2000 млн лет, тогда как возраст микропегматита 1700 млн лет. Однако закономерные изменения минерального состава интрузий, по-видимому, показывают, что эти породы относятся к единой формации.
Породы сублееров и оффсегов, особенно богатые сульфидения образуют главные медно-никелевые сульфидные месторождения. С момента открытия первых месторождений в 1883 г. вокруг интрузива Садбери было обнаружено еще свыше 50 месторождений, многие из которых разведаны и разрабатываются. Вплоть до настоящего времени здесь было добыто свыше 6 млн т никеля и почти столько же меди.
Главные рудные минералы — пирротин, пентландит, халькопирит, пирит, кубанит и магнетит. В число других минералов, сопровождающих сульфиды, входят некоторые силикаты, пироксены и плагиоклазы, аналогичные тем, которые слагают окружающие породы. Такое явление, как гидротермальное изменение вмещающих пород, не отмечено. Рудные месторождения являются внутренним структурным элементом интрузива Садбери и могут рассматриваться как одна из фаций норита или диорита, обогащенная сульфидами. Валуны ультра-основных пород в сублеерах и оффсетах содержат материал, который в качестве раннего продукта дифференциации должен был бы существовать на глубине.
Одно время эта территория давала более 70 % годового производства никеля в мире. Огромный масштаб месторождений привел к заключению, что механизм их образования, возможно, отличается от механизма образования нормальных месторождений. Результаты расширенных минералогических исследований показали, что, по-видимому, эти месторождения образовались из магмы путем аккумуляции несмешивающегося сульфидного расплава и не могут считаться ничем иным, как ортомагматическими месторождениями (Налдретт и Куллеруд, 1967; Соуч и др., 1969).
Породы висячего бока — туфы Онэпинг
Магматические породы интрузива Садбери обнажаются в форме кольца, причем осадочные породы внутри кольца называются серией Уайтуотер. Серия Уайтуотер разделяется на три комплекса. Залегающие внизу туфы Онэпинг перекрываются аспидными сланцами Онуэйтин и песчаниками Челмсфорд, Туфы Онэпинг имеют ,мощность около 1500 м, а мощность всей серии Уайтуотер по расчетам превышает 4000 м. Кроме того, наблюдается сложная локальная складчатость и разломы, а в. целом структура имеет форму дна мелкой лодки. Серия Уайтуотер представляет собой особенный комплекс пород, обнаруженный только над интрузивом Садбери. За пределами этой территории аналогичных пород не обнаружено.
На первый взгляд кажется, что туф Онэпинг является продуктом аккумуляции, состоящим из туфа и туфобрекчии и содержащим много чужеродных обломков. В самой нижней части туфа Онэпинг обнаружены отложения мощностью в несколька десятков метров, представленные брекчиями с разными по размеру обломками пород, окружающих бассейн Садбери. Туф Онэпинг слабосортирован, с едва намеченной слоистостью. Он также напоминает массивный спекшийся туф. По некоторым подсчетам общий объем туфов Онэпинг достигает 1000 км3, что определенно создает впечатление о быстром отложении огромного количества экструзивного материала.
В результате слабого метаморфизма и перекристаллизации в породах возникли хлорит и актинолит, но основные текстуры пород хорошо сохранились, в них присутствуют осколки вулка-канического стекла, образующие текстуры с линиями течения. Однако, при микроскопическом изучении было обнаружено, что мелкие включения располагаются вдоль определенных граней обломков кристаллов кварца, содержащихся в туфе. Было обнаружено, что они располагаются параллельно граням кварца (0001) и (1013) (Френч, 1967). Эти грани соответствуют направлению пластинок, образующихся, когда кварц подвергается шок-метаморфизму (shock metamorphism). Таким образом, было выдвинуто предположение, что туфы Онэпинг состоят не просто из вулканических отложений. Вероятно, их можно рассматривать как отложение пород, раздробленных и частично сплавленных под влиянием ударных волн, возникших при падении метеорита. Было обнаружено, что микропегматиты, слагающие верхнюю часть интрузивного тела Садбери, местами внедряются в нижнюю часть туфов Онэпинг.
В перекрывающих туфы Онэпинг аспидных сланцах Онуэйтин и песчаниках Челмсфорд хорошо развита ритмическая слоистость. Наблюдается также чередование мощных слоев песка и тонких глинистых прослоев. Это свидетельствует, что часть осадочного материала была принесена и отложилась турбидитными потоками. Некоторые конседиментационные деформации проявляются, вероятно, в результате подводного оползания. До определенной степени эти отложения напоминают обстановку глубокого бассейна осадконакопления. Источником осадков служили, главным образом, граниты и кварциты окружающего фундамента. Фактически нет материала, вынесенного из туфов Онэпинг.
Описание структур, наблюдаемых в Садбери, приведено выше. Формации висячего бока и лежачего бока интрузива Садбери состоят из пород, полностью различных как по литологии, так и по структуре. Более того, породы висячего бока не обнаружены нигде, кроме внутренней части бассейна Садбери и не встречаются за пределами его внешнего контура. Нижняя часть серии Уайтуотер сложена породами, напоминающими спекшийся туф. Брекчии Садбери, роль которых в структурах Садбери длительное время была загадкой, развиты только в породах лежачего бока. Эти факты препятствуют тому, чтобы рассматривать интрузив Садбери как обычный лополит, согласно внедрившийся во вмещающие породы. Кроме того, открытие конусов обрушения в этой области привело Дица [25] к предположению, что структуры Садбери сформировались в результате метеоритного удара, т. е. к его «гипотезе астроблемы». В соответствии с этой гипотезой процессы образования структур протекали (рис. 2.IX.3) следующим образом.
1. Около 1700 млн лет назад в район Садбери с большой скоростью врезался огромный метеорит, выпахав глубокий кратер около 45 км в поперечнике. Ударные волны распространились в окружающих породах, которые подверглись брекчиро-ванию. Образовались конусы обрушения. Породы испытали шок-метаморфизм. Местами они спеклись и разбрызгались по стенкам кратера, внедрились в трещины, образовав цементирующую массу брекчий.
2. В результате генерации тепла и падения давления, связанного с частичным удалением перекрывающих пород, вызванных падением метеорита, под кратером образовалась магма, хлынувшая в него. Поверхность излившейся магмы остывала, образуя корку, которая взламывалась, и через трещины происходили вулканические извержения. Таким образом на поверхности лавового озера образовались породы, подобные массивному спекшемуся туфу. Внутренняя часть остывала медленно и консолидировалась как дифференцированная расслоенная интрузия.
3. Морская вода затопила кратер, причем обломочный материал сносился из окружающих областей. Так происходило накопление аспидных сланцев Онуэйтин и песчаников Челмсфорд, которые представляют собой осадочный материал серии Уайтуотер.
4. Около 1000 млн лет назад, во время пика Гренвильской орогении, эта область подверглась сжимающим силам, действовавшим с юго-востока. В результате круглая структура Садбери приняла овальную форму, наблюдаемую в настоящее время, а серия Уайтуотер подверглась пологой складчатости. Местами образовались надвиги.
В соответствии с этой гипотезой интрузив Садбери фактически не внедрился в окружающие толщи, и его следовало бы назвать «экструзивный лополит», когда магма хлынула в кратер, образовавшийся при метеоритном ударе и затвердела, приняв форму, которая на первый взгляд кажется лополитом. Почти никаких следов шок-метаморфизма, кроме брекчии и конусов обрушения, не наблюдается, но они могли быть разрушены последующим региональным метаморфизмом. Сначала считалось, что структура бассейна Садбери образовалась на фундаменте с куполообразной структурой, но было отмечено, что опрокидывание слоев, окружающих кратер, которое произошло в результате метеоритного удара, вероятно, ошибочно было принято за характерную особенность купольной структуры.
Основное предположение Дица подтверждают местные горные инженеры, детально изучившие территорию Садбери. Однако его объяснение механизма образования туфов Онэпинг содержит противоречия. Френч [38] позже обнаружил планарные структуры в кристаллах кварца туфов Онэпинг, образующиеся, как полагают, в результате шок-метаморфизма, и предположил, что туфы Онэпинг, возможно, являются отложившимся материалом, состоящим из спекшихся пород и обломков, рассеянных вокруг при ударе, а также из обломков, которые обрушились со стенок кратера. Определение стекловатого материала, который, как полагают, образовался из гранитных пород при ударе (Передери, 1972), привело к убеждению, что туфы Онэпинг на самом деле не туфы, а скорее особые обломочные породы, возникшие при ударе метеорита. Согласно этой концепции, интрузив Садбери представлялся интрузивным телом, которое внедрилось между породами фундамента и туфами Онэпинг. Полагают, что это вполне возможная интерпретация. Однако, каким образом можно объяснить происхождение месторождений сульфидов никеля и меди, образовавшихся вокруг интрузива? Хотя сам Диц [25] и сомневался в правильности своего предположения, однако считал возможным, что медно-никелевые сульфидные месторождения Садбери образовались в результате падения железо-никеле-вого или обогащенного сульфидами метеорита. Он расплавился и сульфиды внедрились в стенки кратера. В настоящее время этому предположению придается мало значения. Большинство исследователей, по-видимому, склоняются к тому, что если магма возникла при метеоритном ударе, то образование месторождений можно удовлетворительно объяснить процессами ее дифференциации. Для того, чтобы доказать справедливость гипотезы железо-никелевого метеорита, надо представить себе, что для образования структуры Садбери понадобилось бы тело около 4 км в диаметре, а в том случае если материал был бы менее плотным, пришлось бы вообразить еще более крупный метеорит.
В мире известно множество других импактных кратеров или астроблем, образовавшихся при метеоритных ударах, но Садбери — это единственный случай, когда удар метеорита, как полагают, вызвал интрузивную деятельность (существует также предположение, что интрузия Бушвельд в Южной Африке является астроблемой, но это пока точно не установлено). Как было упомянуто выше, объяснение состоит в том, что кратер был образован при падении крупного метеорита и последующее резкое уменьшение давления вызвало частичное плавление материала на глубине. Вместе с тем, было отмечено, что необходимым условием для этого является довольно высокий температурный градиент под территорией в момент метеоритного удара и что подземные условия были благоприятны для образования магмы [37]. Есть ли в этой области какое-либо геологическое подтверждение того, что эти условия были выполнены? Существует множество проблем, требующих дальнейших исследований, чтобы гипотеза астроблемы для Садбери приобрела большее признание. Однако, следует помнить, что введение нового подхода, т. е. гипотезы астроблемы, способствует широкому изучению и дает возможность более общей интерпретации структуры Садбери, которая до того считалась исключительно сложнбй и загадочной с позиций общепринятой геологической теории. Изучение истории структуры Садбери доказывает важность новых предположений и подходов к спорным, сложным проблемам.
Современные и ископаемые импактные кратеры
Изучение современных и ископаемых импактных кратеров (астроблем) получило развитие во всем мире, а не только в Садбери. В общем, для идентификации метеоритного кратера ищут следующие ключевые признаки.
- 1. Присутствие метеоритного материала. Если только кратер не недавнего происхождения, метеоритный материал не будет обнаружен.
- 2. Кольцевая структура на поверхности. Однако, последующие движения земной коры могли привести к деформации.
- 3. Структура, в которой пласты, окружающие кратер, опрокинуты.
- 4. Куполовидная структура в центре кратера и присутствие брекчиевидных отложений.
- 5. Брекчирование в окружающих породах.
- 6. Изменения в породах, связанные с шок-метаморфизмом, т. е. развитие конусов обрушения, присутствие минералов высокой плотности, развитие планарных структур в минералах, витрификация стекла. Эти признаки могут исчезнуть в результате последующего метаморфизма.
- 7. Аномалии геофизических свойств в пределах изучаемой территории: силы тяжести, магнитных свойств, скорости сейсмических волн и др.
В молодых импактных кратерах, таких как Барринджер в шт. Аризона (США), которые до сих пор выражены в рельефе, сохранилось много доказательств их происхождения, но это далеко не так в случае ископаемых импактных кратеров, образовавшихся в древние геологические эпохи. Более широкое изучение и идентификация явлений шок-метаморфизма в многочисленных ископаемых кратерах позволили намного надежнее определить, что несколько сомнительных структур являются метеоритными импактными кратерами.
Денс [21] на основании надежности доступных данных подразделил импактные кратеры на три категории:
- 1) точно установленные импактные кратеры, в которых был обнаружен метеоритный материал;
- 2) вероятные импактные кратеры, в которых можно наблюдать структуры, возникшие при шок-метаморфизме;
- 3) предполагаемые импактные кратеры, выделяемые по кольцевой форме структуры и т. д.
Он привел 63 случая первой категории, 42 — второй и 39 — третьей, основываясь на данных по Северной Америке, Европе, Австралии, а также по отдельным областям Азии и Африки. Наиболее типичные примеры приведены в табл. 2.IX.1.
На Канадском щите в большом объеме производились поиски и изучение современных и ископаемых импактных кратеров. В настоящее время считается, что на этой территории были обнаружены почти все импактные кратеры (в большинстве случаев ископаемые), имеющие диаметр 20 км или более, которые можно было определить по кольцевым структурам. Интенсивно изучался также возраст импактных кратеров с использованием радиометрических методов. В результате было установлено географическое и временное распространение импактных кратеров и теперь мы с намного большей точностью, чем раньше, можем рассчитать частоту образования метеоритных импактных кратеров.
Географическое распространение импактных кратеров неравномерно даже на тщательно изученном Канадском щите, и частота образования кратеров неравномерна на протяжении геологического времени. Вероятно, наибольшее число кратеров располагается в таких областях, как п-ов Лабрадор, пров. Квебек. Полагают, что, за исключением, может быть, случайности, это происходит за счет региональных различий в степени эрозии [21].
В целом по Канадскому щиту подсчитано, что один метеоритный кратер диаметром более 20 км образуется на площади 106 км2 за 109 лет. Эта величина возрастает примерно в пять раз для региона п-ова Лабрадор, пров. Квебек, где обнаружено больше импактных кратеров [21]. Последняя величина примерно соответствует частоте распространения кратеров, хорошо сохранившихся на стороне Луны, обращенной к Земле.
Распространение современных или ископаемых импактных кратеров, до настоящего времени установленных на Земле, очень неравномерно. Совершенно очевидно, что хорошая или плохая сохранность кратеров в значительной степени зависит от интенсивности последующих движений земной коры, однако считается, что дальнейшее изучение позволит установить их географическое и временное распределение более точно.