Текст книги "Строение Луны"

Автор книги: Игорь Галкин

Соавторы: Валентин Шварев
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 4 страниц)

Для бурения покрова Луны и для доставки образцов лунного грунта в Советском Союзе в 1970–1976 гг. проведен запуск автоматических станций «Луна-16, -20 и -24».

«Луна-16» совершила посадку на Луну 20 сентября 1970 г. в Море Изобилия. «Луна-20» опустилась на Луну 21 февраля 1972 г. в материковом районе с трудным для посадки рельефом, возле кратера Аполлоний. Автоматическая станция «Луна-24» опустилась на Луну 18 августа 1976 г. в юго-восточном районе Моря Кризисов.

Места посадки автоматических станций «Луна-16, -20 и -24» были выбраны так, чтобы доставленная на Землю серия образцов могла бы помочь составить представление о характерном регионе Луны, включающем в, себя морской, материковый и переходной участки поверхности Луны.

Так, например, место отбора пробы станцией «Луна-24» расположено вблизи восьмикилометрового кратера метеорного происхождения, и выбросы из него должны присутствовать в образцах, доставленных «Луной-24».

Автоматические станции «Луна-16 и -20» имели одинаковые буровое оборудование и грунтозаборное устройство, позволившие им взять пробу лунного грунта с глубины до 35 см. Грунтозаборное устройство станции «Луна-24» обеспечило бурение и взятие пробы грунта с глубины до 2 м.

Грунтозаборное устройство автоматических станций «Луна-16 и -20» состояло из бурового станка; штанги, на которой он укреплен, и приводов, перемещающих штангу в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рабочим органом станка служило буровое устройство, предназначенное для бурения и отбора керна в горных породах как твердых, так и рыхлых.

По окончании бурения пробоотборник извлекался из грунта и вводился вместе с образцом грунта в специальный контейнер автоматического герметического аппарата, возвращаемого на Землю.

Следует отметить, что, помимо решения главной задачи – отбора и доставки пробы грунта, автоматическое бурение на Луне позволяло провести оценку прочности пробуриваемого грунта. Так, например, процесс отбора пробы станцией «Луна-20» показал, что, несмотря на меньшую плотность грунта в месте бурения и однородность структуры доставленного на Землю керна, грунт на поверхности Луны выявил неоднородность своей прочности.

Одновременно с отбором образцов лунного грунта советскими автоматическими станциями привезли на Землю образцы лунных пород американские космонавты.

Наряду с фундаментальными исследованиями состава, происхождения и эволюции Луны доставленные образцы лунного грунта используются и для изучения их физико-механических характеристик.

Поскольку физико-механические характеристики обусловливаются не только строением покрова Луны но и условиями, в которых он находится, их изучение необходимо было провести в специальных установках обеспечивающих изоляцию от земной атмосферы и создание при испытаниях условий, моделирующих лунную среду.

Для изучения физико-механических свойств лунного грунта использовалась специальная приемная камера исследовательский бокс и универсальная камера ТОР-1 (рис. 19), позволившие определить комплекс характеристик грунта. В качестве примера на рис. 20 приведены результаты испытаний на пенетрацию лунного грунта и земных грунтов-аналогов.

Рис. 19. Общий вид измерительных узлов вакуумной универсальной установки ТОР-1, используемой для комплексных наземных измерений физико-механических характеристик лунного грунта. Стрелкой указано место, куда помещается образец грунта

Рис. 20. Изменение сопротивления пенетрации (Rn) лунного грунта и земных грунтов-аналогов в зависимости от изменения их коэффициента пористости (е):

1 – лунный грунт; 2 – андезито-базальтовый вулканический песок; 3 – молотый базальт; Не 20° – испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 20 °C; Не 140° – испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 140 °C; Vac – испытания в вакууме

Современное представление о реголите. Весь лунный шар покрыт рыхлым слоем раздробленных горных пород. Этот слой назван реголитом. Он сформировался в результате переработки коренных горных пород внешними (т. е. экзогенными) факторами. Главным экзогенным факторам, ответственным за формирование реголита, является метеоритная бомбардировка. Установлено, что в среднем масса твердых межпланетных частиц выпадающих на поверхность Луны, составляет 4 · 10–14 г/см² · с. Метеоритная бомбардировка, сопровождающаяся ударно-взрывными явлениями, взрыхляет и перемешивает грунт Луны по глубине и по площади одновременно происходят физико-химические превращения частиц грунта, их переплавление, спекание, уплотнение. Уплотнению и спеканию способствует высокий вакуум, существующий у поверхности Луны.

На лунную поверхность оказывают влияние солнечная и галактическая корпускулярная радиация, а также солнечное электромагнитное излучение.

По современным представлениям Луна находится свыше 2–3 млрд. лет в тектоническом покое и, по-видимому, нет активных внутренних (эндогенных) факторов, которые могли бы существенно влиять на условия формирования и существования реголита. Поэтому равномерное действие на поверхность экзогенных факторов обусловило похожее строение и структуру реголита по всему лунному шару и в целом усреднило физико-механические характеристики лунного грунта. Это подтверждено прямыми экспериментами, проведенными на поверхности Луны. Наблюдавшееся различие в составе и цвете морского и материкового реголита связано с различием пород, их слагающих.

В последние годы установлено, что материковые районы Луны сложены в основном из анортозитов (основной породообразующий минерал – полевой шпат). Морские породы сложены преимущественно базальтовыми породами (их основные минералы: плагиоклазы, пироксены и ильменит). По своей химической природе и те и другие породы являются алюмосиликатами, но в базальте больше железа и магния, а в анортозитах – кальция и магния. Более темный цвет базальтов обусловливает и относительно темный цвет лунных морей. Толщина слоя реголита связана с временем возникновения, с размером, формой и количеством метеоритных кратеров, которые, по существу, перекрывают всю поверхность Луны.

Слой реголита может иметь толщину от нескольких сантиметров до десятков метров. Как правило, толщина слоя реголита увеличивается в местных понижениях и снижается на склонах кратеров и на вершинах гор. В отдельных случаях дно кратера может быть почти свободно от реголита.

Гранулометрический состав (т. е. количество частиц различного размера в определенном объеме) обусловливается действием противоположно направленных процессов, связанных с метеоритной бомбардировкой, процессов дробления горных пород и агрегации раздробленных частиц.

На начальных стадиях формирования реголита ведущими являются процессы дробления. По мере уменьшения размеров частиц возрастает роль процессов агрегации, сопровождающих метеоритные удары: спекания, сплавления и переплавления. В определенный период наступает равновесное состояние гранулометрического состава. Установлено, что для мелкозернистой части реголита (с частицами менее 1 мм) средний медианный размер частиц равен примерно 60 мкм (т. е. 50 % частиц имеют размер более 60 мкм и 50 % – меньше 60 мкм).

Этот размер частиц можно считать соответствующим разновесному состоянию реголита.

Количество обломков горных пород определяется геологической ситуацией. Количество и размеры камней возрастают вблизи относительно более крупных кратеров, имеющих более свежий вид, т. е. образованных позднее других.

В составе реголита можно выделить несколько типов частиц, отражающих характер и степень экзогенной переработки исходного материала.

Мелкообломочный материал (размерами менее 1 см) состоит из остроугольных обломков первичных пород, зерен минералов и стекол. Содержание этих частиц может меняться от 20 до 80 % и уменьшается с возрастанием зрелости, т. е. времени формирования реголита и с увеличением размера фракции. Много брекчий, т. е. вторичных литифицированных (окаменевших) спекшихся и ошлакованных частиц, которые обладают обычно причудливой неправильной формой. Брекчии образуются при быстром уплотнении частиц под действием ударно-взрывных явлений и при медленном уплотнении в вакууме под действием вышележащих слоев грунта. Характерным типом частиц являются также агглютинаты – спекшиеся агрегаты сложной неправильной формы. Подобно брекчиям они содержат фрагменты кристаллических пород и зерна минералов, но отличаются заметно большим содержанием стекла и высокой степенью оплавления поверхности.

Всегда в реголите встречаются частицы вторичного стекла, содержание которых увеличивается по мере созревания реголита. Многие частицы вторичного стекла имеют форму, близкую к сферической, что указывает на их формирование в результате застывания расплава в полете, т. е. они результат разбрызгивания и затвердевания расплава, возникающего в центральной зоне метеоритных взрывов. Эти частицы являются продуктом наиболее интенсивной стадии экзогенной переработки реголита.

Встречаются фрагменты метеоритов, в основном это кусочки никелистого железа.

Роль метеоритной обработки подтверждается образованием многочисленных микрократеров на поверхности отдельных частиц реголита (рис. 21).

Рис. 21. Следы ударов микрометеоритов на частицах реголита (большое увеличение)

По составу и форме частиц реголит является неоднородной структурной системой, которую по существующей классификации грунтов имеют среднезернистые пылевато-песчаные грунты. В то же время по наблюдавшимся визуальным признакам реголит обладает зернисто-агрегированной структурой. Для таких структур характерна та связность, которую обнаружил лунный грунт, а также склонность частиц реголита к объединению в агрегаты.

Для реголита характерна очень большая рыхлость. Он даже в уплотненном состоянии обладает пористостью, свойственной самым рыхлым земным грунтам. Средняя пористость реголита в верхнем слое толщиной 15 см около 50 %.

Объемный вес реголита существенно изменяется с глубиной. В тонком верхнем слое плотность равна 0,8–1 г/см³, а на глубине 50 см – до 2 г/см³. Плотность реголита является важным фактором, обусловившим его прочность и деформируемость. Так, несущая способность реголита увеличивается с увеличением плотности и ростом глубины (рис. 22). При нагружении лунный грунт резко и сильно изменяет свой первоначальный объем.

Рис. 22. Характер изменения несущей способности реголита с глубиной.

Проведенные исследования не обнаружили зависимости плотности от геологической ситуации и при переходе с моря на материк. Однако эксперименты на протяженных трассах, выполненные на «Луноходах», показали существенную изменчивость несущей способности реголита. При измерении прочности одного слоя грунта его несущая способность изменялась от 1,5 до 0,15 кгс/см². В большинстве случаев прочность была связана с характером рельефа местности, однако иногда она менялась неожиданно и на равнинных участках.

По своим гранулометрическим и морфологическим характеристикам лунный реголит не имеет аналогов среди природных земных образований, как правило, существенно более однородных. Однако механические свойства реголита могут моделироваться с использованием специально измельченных и пересортированных земных грунтов-аналогов.

Заключение

10 лет, прошедших с момента первой посадки на Луну космического аппарата, принесли науке много нового и подчас неожиданного. Ученые – астрономы, геологи, геофизики, геохимики – сейчас подводят итоги напряженных лунных экспедиций. Миллиарды лет неуклонно удаляясь от Земли, в последние годы Луна стала ближе и понятнее людям. Можно согласиться с метким замечанием одного из видных селенологов: «из астрономического объекта Луна превратилась в геофизический».

Приоткрылась завеса над тайнами ранней молодости Луны, Земли и, по-видимому, всех планет земной группы, и одновременно обозначился контур их далекого будущего. Многое прояснилось, но многое и осталось скрыто «туманом» неоднозначности – ведь данных пока все-таки мало, а открытия, как это часто бывает, породили множество новых вопросов.

Селенологи не сомневаются, что активность Луны, как магматическая, так и тектоническая, была короткой и относилась лишь к ранним этапам ее эволюции, но по-прежнему горячи споры о космической «увертюре» – происхождении Луны. Достоверно воссоздана хронология возникновения лунных морей, но неясна природа «захороненных» в них масконов. Выяснилось, что длительный «сейсмозвон» рождается в верхних неоднородных слоях Луны, однако остается загадкой исчезновение поперечных волн на середине лунного радиуса. На Луне не обнаружено магнитного диполя, но высокая остаточная намагниченность лунных пород указывает на то, что давным-давно он существовал.

По многим своим основным характеристикам Земля и Луна схожи и, видимо, являются «космическими родственницами». Это в первую очередь касается их образования и начального этапа эволюции, сходного химического состава этих небесных тел и слоистой структуры их недр (рис. 23). Однако во многом это «родство» оказалось весьма дальним. Земля полна «тектонических бурь», Луна – пассивна и несейсмична. «Тектоническая жизнь» Земли и даже характер ее поверхности в значительной степени определяются внутренними причинами, тогда как на Луне они в основном имеют внешнее – космическое – происхождение.

Рис. 23. Схема внутреннего строения Луны

Различные этапы «планетарной жизни» Земли оставляли на ней новые формы фауны и флоры, новые горные хребты, трещины, дрейфующие континенты, катаклизмы землетрясений. Хронология эволюции Луны связана с ударами метеоритов и, кроме того, ограничивается первыми 1,5 млрд. лет, и с этого времени на Луне установилось тектоническое «спокойствие».

Так ли уж нужно землянам исследование Луны, не напрасно ли израсходовали они усилия на беспримерные в истории человечества космические полеты – ведь лунные «полезные ископаемые» разрабатывать явно нерентабельно? Нет, не напрасно! Луна вознаградила пытливых и отважных астронавтов и организаторов космических полетов, а вместе с ними и всех людей Земли. Сквозь «испещренное кратерами, запыленное лунное окно» стали яснее многие земные проблемы. Найден, например, самый древний «камень» в Солнечной системе и определен его возраст. Приоткрыты страницы «догеологической» истории Земли, так как нетронутая ветрами и водами поверхность Луны демонстрирует облик древнейшего рельефа Земли.

Луна представляет собой идеальную модель для изучения роли космических факторов в планетотектонике. Знание закономерностей приливных лунотрясений поможет осуществить сейсмический прогноз землетрясений. На основании лунных данных можно усовершенствовать геофизические методы наблюдений и модели их интерпретации.

Изучение строения Луны продолжается – чутко вздрагивают маятники сейсмометров, под микроскопами ученых лежат пробы грунта из южной окраины Моря Кризисов, доставленные «Луной-24». Совместный анализ Земли и Луны закладывает основы нового этапа в сравнительной планетологии. Текущие и гряду-щие полеты космических аппаратов к планетам земной группы должны дополнить и уточнить закономерности, касающиеся происхождения, внутреннего строения и эволюции планет и их спутников.

Литература

Космохимия Луны и планет. (ред.) Виноградов А. П. М., «Наука», 1975.

Ваньян Л. Л. и др. Кажущееся электрическое сопротивление Луны и его интерпретации. Изв. АН СССР. – «Физика Земли», 1973, № 11.

Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли, Луны и планет. М., «Знание» сер. «Астрономия, космонавтика», 1973, № 2.

Левин Б. Ю. Развитие Луны в свете современных данных. – «Природа», 1971, № 12.

Николаев А. В., Галкин И. Н. Сейсмика Земли и Луны. – «Природа», 1974, № 5.

Рускол Е. Л. Происхождение Луны. М., «Наука», 1975.

Черкасов И. И., Шварев В. В. Грунт Луны. М., «Наука», 1975.