УДК 550.348.32
ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕЛЕНЫХ И ОРАНЖЕВЫХ СТЕКОЛ В ЛУННЫХ ПОРОДАХ © 2012 г. Ю. П. Диков***, В. И. Мальковский****, А. А. Пэк*
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН Старомонетный пер., 35, Москва, 119017, Россия; e-mail: dikov@igem.ru **Институт космических исследований РАН ул. Профсоюзная, 84/32, Москва, 117997, Россия ***Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Миусская пл., 9, Москва, 125047, Россия Поступила в редакцию 20.09.2011 г. Получена после доработки 16.11.2011 г.
Рассматривается вопрос о происхождении зеленых и оранжевых стекол из сборов экспедиций "Аполлон-15" и "Аполлон-17". С этой целью анализируются две альтернативные гипотезы, согласно которым стекла формируются либо в результате кометного или метеоритного удара (импактная модель), либо вулканической активности (эруптивная модель). Отмечается отчетливая генетическая и петрохимическая автономия зеленых и оранжевых стекол, выражающаяся в отличии состава самих стекол от основных типов коренных пород. Рассматриваются механизмы и математические модели формирования этих стекол. Рассчитанные теоретическим путем распределения частиц стекол по размерам хорошо согласуются с измеренными в образцах из сборов экспедиций "Аполлон-15" и "Аполлон-17". На основании результатов моделирования и анализа состава и структуры зеленых и оранжевых стекол делается вывод о том, что гипотеза образования этих объектов в ходе импактных событий является наиболее реалистичной.
Статья посвящена памяти В.И. Фельдмана
ВВЕДЕНИЕ
Название оранжевых и зеленых стекол получили полностью аморфные и частично раскри-сталлизованные силикатные сферулы (квазисферические частицы) размером до 400 мкм, обнаруженные в образцах лунных пород, отобранных в ходе экспедиций "Аполлон-15" и "Аполлон-17". Зеленые и оранжевые стекла привлекли внимание многих исследователей, поскольку в процессе изучения этих уникальных объектов могут быть получены новые данные о формировании поверхностного слоя лунной коры. С этой точки зрения представляется целесообразным проанализировать распределения диаметров квазисферических частиц (сферул) зеленых и оранжевых стекол, приведенные в работах (Arndt et al., 1984; Arndt, Engelhardt, 1987).
Существуют две различные концептуальные модели процесса формирования зеленых и оранжевых стекол. Согласно первой, т.н. эруптивной модели, сферулы образуются в результате быстрого остывания частиц силикатного расплава, разлетающихся из фонтанирующей лавы в результате лунной вулканической активности (Heiken et al., 1974; Sato, 1979; Delano, Livi, 1981;
Delano, 1986, 1996; Fogel, Rutherford, 1995). Тем не менее эта общепринятая гипотеза вызывает сомнение и оставляет немало непроясненных вопросов. Первый из них — примитивный состав самих стекол, который не соответствует ни одному из известных типов лунных пород (Roedder et al., 1973). B частности, в работе (Ma et al., 1978) авторы доказали отсутствие генетической связи между зелеными стеклами из сборов "Аполлон-15" и морскими базальтами.
Наблюдаемые различия в составе стеклянных капель не удается объяснить с точки зрения простой магматической дифференциации в системе кристалл—расплав. В связи с чем приходится привлекать множественные эруптивные модели, согласно которым данные стекла происходят из химически различных и композиционно изменчивых областей генерации. Значительное количество сублиматов летучих элементов на поверхности стеклянных шариков (Delano, 1986) трудно понять, если не предполагать очень высокое отношение газ/расплав в момент извержения. А каковы были химические особенности и состояние газовой среды, обеспечивающей перенос стеклянных капель? Вопрос достаточно существенный, если
учесть, что сами капли и шарики почти лишены газовых пузырьков (Arndt et al., 1984). Столь полное отделение газовой компоненты от расплава затруднительно согласовать с механизмом газовой экссо-люции из магмы при эруптивной разгрузке давления (при декомпрессии), даже если расплав имел очень низкую вязкость.
Высокая плотность этих стекол (Arndt, Engelhardt, 1987), высокая температура их ликвидуса (Green et al., 1975), низкая вязкость родительского расплава (Uhlmann et al., 1979), широкий диапазон скоростей охлаждения при свободном полете капель, частичная девитрификация крупных сферул и сохранение малых шариков в стеклообразном состоянии — все это указывает на длительное время пролета частиц расплава от места извержения до осаждения в горячей газовой среде, в любом случае более длительное, чем транспорт в вакууме (Скрипов, Коверда, 1984). Эти моменты свидетельствуют против модели эруптивного формирования зеленых и оранжевых стекол, тем более, что сторонники этой модели вынуждены прибегать к гипотетическому утверждению о глубинном магматическом резервуаре (Housley, 1978).
Другая модель (Arndt et al., 1984; Roedder, Weiblen, 1973) основывается на предположении, что оранжевые и зеленые стекла образовались в результате столкновений (импактов) небесных тел (метеоритов или комет) с поверхностью Луны. Существенным аргументом в пользу этой точки зрения является то, что сферулы, наряду с составляющими, характерными для лунных пород, содержат компоненты, по-видимому, иного происхождения, например углеводородные соединения, как и в образцах, полученных в ходе экспедиции "Аполлон-16" (Gibson, Moore, 1973; Cadogan et al., 1973, El Goresy et al., 1973). В отличие от эруптивной импактная модель хорошо объясняет этот факт. При метеоритных или ко-метных ударах образуется значительное количество силикатного расплава, содержащего материал как мишени, так и ударника. Если верна им-пактная модель происхождения зеленых и оранжевых стекол, то их сферулы могли образоваться либо за счет разбрызгивания этого расплава, либо за счет конденсации его паров. Вследствие этого состав сферул может включать компоненты из двух разных источников: лунных пород и участвовавшего в столкновении тела.
С учетом этих аргументов импактная модель происхождения зеленых и оранжевых лунных стекол представляется авторам предпочтительной, тем более, что проблема столкновения комет с Луной активно обсуждается на протяжении многих лет (Schultz, Shrnka, 1980; Shevchenko, 1995). Здесь сошлемся лишь на авторитетное мнение Везерила (Wetherill, 1974), который считает, что лунное кратерообразование в основном свя-
зано с кометами. Однако справедливость импакт-ной модели нельзя считать безусловной, и необходимы дальнейшие исследования, позволяющие более обоснованно судить о механизмах формирования рассматриваемых типов лунных стекол, тем более, что многие авторы, специально изучавшие этот тип стекол предлагают сразу несколько механизмов их образования, среди которых импактные события рассматривается как один из реальных генераторов появления подобных стекол ( Clanton et al., 1978; Cross, 1971; Rutherford, 1995). Значительный интерес представляет обобщенная сводка механизмов образования рассматриваемых типов лунных стекол, представленная в монографии (Мэйсон, Мелсон, 1973):
а) развитие и дезинтеграция больших масс расплавленного стекла, образовавшегося около центра главного импакта;
б) разрыв импактно-генерированных жидких струй на цепи отдельных капель;
в) разбрызгивание расплавленного силикатного расплава и отражение его от объектов столкновения;
г) распределение жидких струй на твердой поверхности;
д) конденсация из паровой фазы;
е) вспенивание вулканической или ударно-генерированной магмы.
Динамика процесса образования капель из жидкой фазы и их эволюция также детально смоделированы в работе (Chernyak, Nussinov, 1975).
Проблема образования расплавных капель в условиях энергетического импакта в обобщенном виде дана в базовой работе (Vickery, Melosh, 1991).
В настоящей статье рассматривается математическая модель процесса формирования оранжевых и зеленых стекол, которая используется в качестве основы для анализа приведенных в работах (Arndt et al., 1984; Arndt, Engelhardt, 1987) распределений размеров сферул оранжевых и зеленых стекол. Результаты этого анализа могут до некоторой степени использоваться в качестве критерия при выборе между импактной и эруптивной моделью.
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕЛЕНЫХ СТЕКОЛ
Столкновение метеоритов и комет с поверхностью Луны приводит не только к плавлению ударника и мишени, но и к частичному их испарению. Об этом свидетельствуют как оценки, полученные при использовании относительно несложных моделей, так и результаты более сложного и точного численного моделирования (Мелош, 1994; O'Keef, Ahrens, 1982). Газовая фаза состоит частично из испарившегося силикатного распла-
ва и частично — из водяного пара, образовавшегося из льда, содержавшегося в космическом теле. Чем больше льда содержится в этом теле, тем выше плотность газовой фазы. Таким образом, при столкновении с кометой образуется большее количество газа, чем при столкновении с метеоритом. Это представляется весьма важным, поскольку газовая фаза является транспортной средой для формирующейся системы сферул.
Рассмотрим эволюцию системы жидких силикатных частиц в потоке газа, которые могли образоваться либо в результате разбрызгивания силикатного расплава (Gibson, Moore, 1973), либо за счет конденсации паров этого расплава (Мелош, 1994). В работе (Arndt et al., 1984) приведены статистические распределения размеров аморфных и частично раскристаллизованных сферул из одного и того же образца ("Аполлон-15"). Можно отметить, что график функции распределения для частично раскристаллизованных сферул может быть получен путем сдвига графика для аморфных стекол вправо по оси абсцисс, что соответствует примерно двукратному увеличению размеров сферул. Поскольку сферулы обоих типов сформировались в результате охлаждения жидких силикатных капель в расширяющемся газе, можно предположить, что частично раскри-сталлизованные сферулы дольше оставались в области горячего газа, это и привело к образованию кристаллических зародышей (Скрипов, Коверда, 1984). Вследствие малого размера капель разница темпе
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.