научная статья по теме СЕЙСМИКА ФОБОСА: ОТ ГЕОФИЗИКИ К КОСМОГОНИИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «СЕЙСМИКА ФОБОСА: ОТ ГЕОФИЗИКИ К КОСМОГОНИИ»

УДК 550.3+523.4

СЕЙСМИКА ФОБОСА: ОТ ГЕОФИЗИКИ К КОСМОГОНИИ

© 2010 г. О. Б. Хаврошкин, В. В. Цыплаков

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Москва Поступила в редакцию 11.02.2010 г.

На основе имеющихся работ проанализировано несколько наиболее принципиальных и уже доступных для реализации геофизических задач, отчасти связанных с экспедицией Фобос—Грунт. Предполагаемые результаты послужат информационной основой для развития космогонии малых спутников планет и астероидов. Соответственно, цели проведения эксперимента состоят в исследовании внутреннего строения и энергетического состояния Фобоса; в анализе проявления внешних импульсных воздействий и полей, включая регистрацию сейсмических сигналов и волновых полей Фобоса, и в измерении длинно-периодных колебаний на поверхности Фобоса в диапазоне 10-5—10 Гц. Изучение Фобоса дает пример частных задач, присущих малым телам Солнечной системы: особенности кратерообразования и борозд, морфологических структур. Регистрация газопылевых потоков расширяет представления о пространственно-временной структуре Солнечной системы, ее объектах и процессах; подтвердит также возможность постоянного взаимодействия звездных систем. Даны краткое описание физических принципов регистрации сейсмических полей и сигналов и сравнительное представление аппаратурной основы космогонической сейсмологии; показано, что пьезоэлектрическая и электродинамическая системы регистрации полезного сигнала дополняют друг друга и при 2-3-координатной системе регистрации желательно применение обеих систем. Рассмотрено сейсмометрическое обеспечение аппарата Фобос, приведены физические характеристики прибора, конструктивные решения блоков приборов, энергопотребление, информативность. Подробнее описан сейсмоакустический (высокочастотный) блок прибора, его преимущества при регистрации очень слабых сигналов за счет использования механического трансформаторного эффекта. Созданная сейсмическая система способна обеспечить выполнение научных задач экспедиции Фобос в части исследования внутреннего строения, происхождения, глубинных структур и внешних воздействий полевого, корпускулярного и микрометеоритного типов.

PACS: 90

ЦЕЛЬ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование внутреннего строения и энергетического состояния Фобоса; анализ проявления внешних импульсных воздействий и полей. Регистрация сейсмических сигналов и волновых полей Фобоса, измерение длиннопериодных колебаний на поверхности Фобоса в диапазоне 10-5—10 Гц.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТУ

К концу 1980-х гг. планировалась первая экспедиция на Фобос, при этом фактически сейсмический эксперимент не предусматривался (Базилев-ский, 1988; Ланжевен, 1988; Мелош, 1994; Хэд, 1988). Однако несколько исследовательских групп достаточно полно проанализировали геолого-геофизические и некоторые космогонические проблемы Фобоса (Базилевский, 1988; Ланжевен, 1988; Мелош, 1994; Сагдеев и др., 1988; Vverka, Burns, 1979), наиболее полно это представлено в исследовании Дж.В. Хэда (1988). Фобос (27 х 27 х 19 км) по-

добен объектам типа С пояса астероидов, а по составу — углекислый хондрит. Поверхность заметно кратерирована и покрыта обломочным материалом (реголитом). Другой элемент поверхности — длинные линейные борозды (впадины) шириной 100—200 м и глубиной 10—20 м, механизм их происхождения не определен, существует не менее четырех гипотез. Морфология и формы Фобоса и Деймоса достаточно различны, чтобы поставить вопрос о разных процессах их происхождения и эволюции. Соответственно волновые поля, состав и структура Фобоса могут быть представлены в нескольких схемах (рис. 1—4).

Процессы ударного кратерообразования и образование реголита в условиях незначительной гравитации, вероятно, отразились в геоморфологических особенностях кратеров и других структур. Тем самым, сейсмический метод должен послужить одним из критериев и методов для разрешения указанных выше проблем. Более того, этот метод, ап-паратурно включенный в экспедицию Фобос-Грунт, обладает принципиальной новизной.

Рис. 1. Поля структуры и воздействия на Фобос. 1 — посадочный аппарат и сейсмоприемники; 2 — грунтозаборное устройство (ГЗУ); 3 — САБ; 4 — ШСБ; 5 — Р-волны от работающего ГЗУ; 6 — Л-волны от ГЗУ; 7 — неоднородность внутреннего строения Фобоса; 8 — магистральные внутренние трещины приливного или импактного происхождения; 9 — метеороиды; 10 — газопылевые потоки; 11 — пылевой тор на орбите Фобоса; 12 — пульсации солнечного ветра; 13 — направление орбитального движения Фобоса; 14 — волны от удара малого метеорита; 15 — сейсмические волны, прошедшие зону 8; 16 — волны, отраженные от внутренних структур при работе ГЗУ; 17 — сейсмические волны от взаимодействия с тором 11; 18 — сейсмические волны при взаимодействии с потоками 10; 19 — внутренние подвижки при приливных воздействиях.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая возможные типы вертикальных и латеральных изменений состава. 1 — удар микрометеорита; 2 — прямая, рефрагированная волна от источника; 3 — отраженная от борта сквозной трещины (борозды) волна; 4 — относительное движение бортов трещины под действием приливных сил; 5 — излучение высокочастотных шумов при движении бортов 4.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ СЕЙСМИЧЕСКОГО МЕТОДА (ГЕОФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ)

Особенности сейсмических исследований в космогонии. Сравнительный анализ научных задач, их значимости и аппаратурно-методических основ их реализации указывает на многие особенности сейсмических исследований в космогонии, проявляющиеся, как правило, в виде трудностей, в отличие от других направлений экспериментальной космогонии.

1. Зависимость аппаратурно-методических решений от размера, формы и типа поверхностных и приповерхностных структур.

2. Важная роль газообразных оболочек (атмосфер) и ихдинамики.

3. Тектоническая активность и внутреннее строение.

4. Внешние физические поля и воздействия.

Все небесные тела по п.п. 1—4 — различны, что для предполагаемого сейсмического исследования означает поиск новых аппаратурно-методических (и технологических) решений, в то время как большинство геохимических, геологических, геоморфологических исследований во всех случаях проводится с неизменными базовыми приборами. С другой стороны, сейсмический метод важен как элемент

Первичное расслоение по составу

Рис. 3 Схема, иллюстрирующая три различные возможности конфигурации внутренней структуры. Внешний слой — реголит.

I. 1 — удар микрометеорита; 2 — посадочная станция; 3 — прямая волна; 4—6 — отражения от границ расслоения волны.

II. 1, 2 — то же, что на I; 3, 4 — волны, рассеянные на неоднородностях.

III. 1, 2 — то же, что на I; 3, 4 — прямые волны; 5, 6 — отраженные от сферических границ волны.

при решении ряда важных задач: 1) фундаментальные геофизические эксперименты, приводящие одновременно к новым геофизическим эффектам, закономерностям; 2) доставка на Землю образцов вещества небесного тела; 3) строение — внутреннее, внешнее ядро, состояние вещества ядра, граница мантия—ядро, структура коры, горизонтальные неоднородности; 4) характеристика тектонических процессов. Помимо таких общих соображений Фобос дает пример частностей, присущих малым телам Солнечной системы. Рассмотрим некоторые из них.

Исследование борозд на Фобосе (рис. 1, 4). Регистрация сейсмических волн на Фобосе от микрометеоритов позволяет ответить на некоторые вопросы о структуре борозд и/или определить их поверхностную или глубинную природу. Так, в случай поверхностных форм помимо волн Р-, ¿-типа будут

регистрироваться и поверхностные ^-волны низкочастотной части спектра. Если борозды — глубинные структуры, то происхождение ^-волн практически невозможно, а спектр прошедших P-, 6-волн будет лишен высокочастотного участка, и возможно наблюдение отраженных волн от бортов борозд (рис. 1, 4). Если борозды заполнены реголитом, то указанные эффекты сохранятся, но будут менее контрастны. Вариации приливных сил, а также распределенные поверхностные воздействия на Фобос приведут к эффекту сейсмической автогенерации на бортах глубинных разломов (рис. 1) (Хаврошкин, 1999). По форме и длительности сейсмоакустиче-ских волн автогенерации можно судить о блочности и механических свойствах глубинных геологических структур, а также об их консолидированности.

Поскольку приливные воздействия и поток газопылевых частиц воздействуют постоянно, следует ожидать существования постоянных высокочастотных сейсмических шумов Фобоса. Их поверхностная составляющая будет отражать геометрическую анизотропию геоморфологических структур Фобоса, а по особенностям сейсмических волн от ударов микрометеоритов появляется возможность судить и о глубинной анизотропии.

Особенности процессов ударного кратерообразо-вания. Вопреки интерпретациям данных Mars Express существуют, и следует ожидать обнаружения в кратерах Фобоса, существенные отличия от им-пактных образований на планетах и Луне. Это, в первую очередь, обусловлено более упрощенной волновой картиной образования ударного кратера на Фобосе. Но с другой стороны, необходимо понимать, что исследование кратеров на Фобосе представляет уникальную возможность положить начало новому направлению — особенности формирования кратеров на малых телах (КМТ) Солнечной системы. Отметим это на примере Фобоса:

— незначительные сила тяжести и скорость убегания (для Фобоса ~10-4 g и ~10 м/с);

— относительно невысокая прочность первичного материала (для Фобоса — углекислый хондрит);

— мощный слой реголита (для Фобоса предполагают до 100 м обломочного материала);

Выбросы:

Уменьшение мощности

Распределение глыб

Вторичное кратерообразование

Состав v

4

Внутри кратера

Стратиграфия в бортах

Заполнение кратера

Ударный расплав

Соотношения глубина/диаметр

2

3

1

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая области и образования, представляющие интерес для изучения ударного кратерооб-разования. 1 — удар метеорита; 2 — трещина от кратерирования; 3 — рефрагированная волна; 4 — посадочный аппарат.

Происхождение борозд

Вторичное кратерообразование

Дренаж трещины

Дегазация через трещины

Приподнятый край

Происхождение за счет сжатия

Вторичные выбросы?

Без п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком