Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛУННЫХ ОБРАЩОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ II
1.1. Образцы лунного грунта АЛС серии "Луна" II
1.2. Рентгено-спектральный микроанализ 13
1.3. Анализ методом расфокусированного зонда 13
1.4. Модальный анализ 21
1.5. Выводы 25
2. МАТЕРЖОВЫЕ ПОРОДЫ ИЗ ОБРАЗЦА АЛС "ЛУНА-20" И ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ МАТЕРИКОВОГО ВЕЩЕСТВА ЛУНЫ 26
2.1. Основные проблемы формирования комплекса материковых пород 26
2.2. Материковые породы "Луны-20" 31
2.2.1. Петрографическая характеристика 31
2.2.2. Модальный состав 38
2.2.3. Литологический состав реголита "Луны-20". 42
2.2.4. Химия минералов 44
2.2.5. Химический состав пород 64
2.2.6. Образование анортозитовых норитов 68
2.3. Первичные материковые породы 70
2.3.1. Корреляционные связи элементов в первичных породах 70
2.3.2. Состав первичного расплава ферроанор-тозитов 74
2.3.3. Соотношения первичных пород с породами А, НиТ 78
2.4. Петрологические следствия 80
2.5. Выводы 83
3. МОРСКИЕ БАЗАЛЬТЫ ИЗ ОБРАЗЦОВ АЛС СЕРИИ "ЛУНА" 85
3.1. Проблемы петрогенезиса морских базальтов 85
3.2. Базальтовые породы "Луны-24" 89
3.2.1. Петрографическая характеристика 89
3.2.2. Модальный состав 95
3.2.3. Состав минеральных фракций реголита 95
3.2.4. Химия минералов 100
3.2.5. Химический состав пород, реголита и реголитовых стекол ИЗ
3.2.6. Петрогенезис базальтов "Луны~24" 115
3.3. Базальтовые породы "Луны-16" 121
3.3.1. Петрографическая характеристика 121
3.3.2. Модальный состав .124
3.3.3. Химия минералов 125
3.3.4. Химический состав пород и реголитовых стекол 128
3.3.5. Петрогенезис ильменитовых базальтов 128
3.4. Геохимия в морских базальтах 133
3.5. Выводы- .143
4. СОСТАВ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛУННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ.. 146
4.1. Метеоритная компонента материковой коры 146
4.2. Металлические частицы в материковых породах мЛуны~20" .148
4.2.1. Морфология, состав и структурное положение металлла в материковых породах 148
4.2.2. Распределение металла по размерам в материковых породах 151
4.3. Металлические частицы лунного реголита 153
4.3.1. Частица 2004-016 (образец "Луны-20"] 153
4.3.2. Частица 852 (образец "Луны-гО") 16
4.3.3. Частица 919 (образец "Луны-20") 174
4.3.4. Частица 3255 (образец "Аполлона-16") 178
4.3.5. Частица 1904 (образец "Луны-24") 178
4.3.6. Частица 1905 (образец "Луны-24") 179
4.4. Происхождение металлических частиц 180
4.5. Выводы 183
5. НЖОТОРЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА РАННЮЮ ИСТОРИЮ ЗЕМНОЙ КОРЫ... 185
5.1. Проблема "лунного" этапа в истории земной коры 185
5.2. Характеристика изученных образцов 186
5.3. Методика определения 1г 188
5.4. Распространенность 1г в земной коре 189
5.5. Источники 1г в земной коре 191
5.6. Петрологические следствия ..194
5.7. Выводы 197
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
ЛЖЕРАТУРА 202
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Образцы лунного грунта АЛС серии "Луна"
- Основные проблемы формирования комплекса материковых пород
- Проблемы петрогенезиса морских базальтов
- Метеоритная компонента материковой коры
- Проблема "лунного" этапа в истории земной коры
Образцы лунного грунта АЛС серии "Луна"
Полеты советских автоматических станций "Луна-16, 20 и 24" преследовали цель планомерного исследования восточной части видимого полушария Луны. АЛС "Луна-16" совершила посадку в северовосточной части Моря Изобилия в 100-200 км к югу от границы материка и в 100 км к западу от кратера Уэбб [8,55,5б]. Доставленный на Землю образец морского реголита был взят бурением до глубины 35 см и имел вес около 100 г. Ясной слоистости в керне замечено не было, хотя с глубиной доля крупной фракции несколько возрастает.
Место посадки АЛС "Луна-20" [ТО,41,58] было расположено непосредственно на валу кратера Амегино (Аполлоний С), имеющего диаметр около 10 км и глубину 2 км. Кратер находится в материковой области между Морем Изобилия и Морем Кризисов в 35-40 км от северной кромки Моря Изобилия. Взятый бурением образец материкового реголита имел вес 52 г, длина керна примерно 15-20 см. Четкой стратификации в керне не наблюдается, но также как и для образца "Луны-16" с глубиной отмечается погрубление реголита.
АЛС "Луна-24" совершила посадку в юго-восточной прибрежной части Моря Кризисов в 18 км к востоку от кратера Фаренгейт (Пи-кар X) и примерно в 40 км к западу от ближайшей материковой местности [21,36,57]. Кратер Фаренгейт имеет диаметр около 6 км и глубину около 1,3 км. Предполагается, что выбросы из этого кратера должны определять литологический состав реголита в месте посадки. Станция "Луна-24" произвела бурение грунта до глубины 225 см и отобрала образец весом 170 г. Доставленная на Землю колонка морского реголита характеризуется морфологически выраженной слоистостью, которая проявляется в чередовании различных по мощности участков, отличающихся по цвету и гранулометрическому составу.
После предварительного описания лунных образцов, разделения их на гранулометрические фракции и морфологического изучения под бинокулярным микроскопом из фракции +0,45 мм (для "Луны-24" -+0,37 мм) были отобраны наиболее типичные фрагменты горных пород и минеральных зерен, из которых затем были изготовлены индивидуальные прозрачно-полированные шлифы. Из фракций 83-127 мкм, 127-200 мкм, 200-450 мкм (для образцов "Луны-16 и 20") и фракций 94-200 мкм, 200-370 мкм (для образца "Луны-24") были приготовлены комплексные прозрачно-полированные шлифы, содержащие 200-400 частиц. Отобранный на шлифы материал характеризует типы пород по всей глубине образцов керна "Луны-16 и 20", и типы пород в "базовых" пробах 24092,4, 24118,4, 24143,4, 24170,1 и 24184,4 колонки "Луш 24", взятых, соответственно с 92 см, 118 см и т.д. от поверхности. Предварительное изучение лунных образцов, их сепарация и отбор материала на шлифы проводилось Тарасовым Л.С, Ивановым А.В., Родэ О.Д., Кудряшовой А.Ф., Кориной М.И., Семеновой А.С. и автором настоящей работы.
Основные проблемы формирования комплекса материковых пород
Полевошпатовые породы лунных материков по минеральному и химическому составам подразделяются на группу анортозитовых пород и группу неморских базальтов [і 1,42,61,70] . Петрографически эти породы представлены главным образом брекчиями с бласто-вой, витрофировой или кристаллической матрицей, гранулитами и катаклазированными магматическими породами [44,54,73,88,195,212] . Породы с собственно магматическими структурами встречаются очень редко.
В группу анортозитовых пород входят преимущественно породы анортозит-норит-троктолитового ряда (АНТ), а также габбро-нори-ты и габбро-анортозиты. Они характеризуются высокими содержаниями А? , С&, Мд ( 24 масс.$ АР503 ), высоким отношением Mg/Fe, высокими содержаниями р.з.э., Th , U , Zr, Н (в 2-5 раз выше, чем в хондритах) и высокими содержаниями Еи и Sr [4,11,42,47, 61,70]. Неморские базальты, по сравнению с анортозитовыми породами, имеют меньшие содержания Д? ( 24 масс.# АР203) и С&. , большие содержания Fe , Mq,Ti и отрицательную аномалию Еи в спектре р.з.э. Содержание несовместимых элементов выражается в неморских базальтах в присутствии так называемой KREEP компоненты ( К - калий, REE - р.з.э., р - фосфор). По количеству этой компоненты неморские базальты разделяются на KREEP - базальты (нориты), содержание р.з.э. в которых может быть в 200 раз больше, чем в хондритах, LKFM или VHA базальты (низкокалиевые базальты Фра Мауро или очень высокоглиноземистые базальты), и базальты промежуточного типа [11,61,207]. Для подавляющего большинства материковых пород характерно повышенное содержание еидеро-фильных элементов ( Ni ,Ir , Аи , Re и др.), что связывается с присутствием в них метеоритного вещества [27,132,139,146] .
Материковые породы составляют около 99$ массы лунной коры мощностью 60 км. Предполагается, что верхние 20-25 км коры сложены метаморфизованными брекчиями, имеющими преимущественно составы анортозитовых норитов или анортозитовых габбро [138]. KREEP материал относительно редок [50] . Образцы материковых пород с собственно магматическими структурами обычно имеют возраст 4,4-4,6 млрд.лет, который интерпретируется как возраст кристаллизации. Возраст образования брекчий и их метаморфизма в основном находится в пределах 3,9-4,1 млрд.лет, и, возможно, соответствует времени формирования крупнейших ударных бассейнов, т.к., вероятно, все изученные материковые образцы представляют собой материал выбросов из этих бассейнов [23,46,181] .
Проблемы петрогенезиса морских базальтов
Породы морских районов Луны петрографически отвечают породам группы габбро-базальта и обычно определяются как ильменито-вые, оливиновые, кристобалитовые и тридимитовые базальты (габбро), пижонитовые базальты, оливиновые витрофиры и т.д. [11,182] . Основными петрохимическими типами морских пород являются низкотитанистые ( Ті02 6 масс.#) и высокотитанистые ( 1і02 8 масс.#) базальты, которые далее в зависимости от содержания К и АР обычно подразделяются на ряд групп [3,4,11,42,70,182,206]: I/ высокотитанистые базальты (All, АІ7), обогащенные К и бедные № (Кг0-0,2-0,4 масс.%, А Оз К масс.$); 2/ высокотитанистые базальты (All, АІ7), бедные К и А? ( К2(К 0,2 масс.%, АРД 12 масс.#);
3/низкотитанистые базальты (АІ2, АІ5), бедные К и АР (К20 0,2 масс.%, АР203 12 маес.#); 4/ низкотитанистые базальты (ЛІ6), обогащенные К и АР ( К 0 0,2-0,4 масс.%, АРД 12-15 масс.%); 5/ очень низкотитанистые базальты (Л24, АІ7), обогащенные АР и бедные К ( Ті02 I масс.%, K2CU 0,2 масс.%, АРД 12-15 масс. %). Кроме того, продуктами морского лунного вулканизма являются богатые Ті оранжевые (АІ7) и бедные Ті зеленые (АІ5) стекла, представляющие собой пирокластический материал и не имеющие кристаллических эквивалентов [71,109] . Перечисленные типы базальтовых пород были установлены в доставленных на Землю лунных образцах. Однако орбитальные и телескопические данные [50,183,138, I47J указывают на значительно большее разнообразие морских базальтов во всяком случае по содержаниям Ті , Fe и А? , большая часть которых не была опробована полетами по программам "Аполлон" и "Луна".
Лунные морские породы обеднены летучими и сидерофильными и обогащены труднолетучими элементами по сравнению с их распространенностью в хондритах [4,9,47,69,182]. Кроме того базальтовые магмы Луны практически не содержат воды и характеризуются крайне низкими парциальными давлениями кислорода. Почти все базальты имеют отрицательную аномалию Еи в спектре р.з.э. относительно их хондритовой распространенности. Высокотитанистые базальты отличаются от низкотитанистых большими содержаниями несовместимых элементов, более резким дефицитом Еи и $г , крайне низкими содержаниями сидерофилов, при примерно одинаковых концентрациях С г и близком отношении Mg / Fe .
Возраст кристаллизации высокотитанистых базальтов 3,55-3,85 млрд.лет, низкотитанистых - 3,15-3,45 млрд.лет [47,138,182]. Однако находки кластов морских базальтов в материковых брекчиях предполагают, что породы такого типа могли уже существовать более 4 млрд.лет назад [189,193] . С другой стороны, согласно геологическим наблюдениям некоторые базальтовые потоки могли образоваться менее 3 млрд.лет назад [94]. Мэрские базальты слагают около 1% вещества лунной коры и перекрывают материковое основание системой тонких, но очень протяженных потоков, заполняющих депрессии в рельефе [59,138] .
Метеоритная компонента материковой коры
Если лунная кора была переработана метеоритной бомбардировкой, то наблюдаемое обогащение материковых брекчий сидерофильны-ми элементами должно быть связано с этим процессом. Исследователи [27,132,139,77], предполагая низкие содержания эндогенных лунных сидерофилов, рассчитанные по их распространенности в серии первичных пород, проанализировали соотношения этих элементов в материковых брекчиях и пришли к заключению, что по составу метеоритные тела, бомбардировавшие Луну на ранних этапах ее истории, отличались от известных сейчас типов метеоритного вещества. Вопреки этому мнению авторы [l08] , допуская высокие содержания эндогенных сидерофиловвкоровом веществе и возможность их перераспределения в ходе ударного процесса, отрицали достоверность древних метеоритных групп и постулировали присутствие материала Н хондритов, как основной метеоритной компоненты в материковых брекчиях.
Можно предполагать [210] , что большая часть сидерофилов в настоящее время связана в металлических частицах, находящихся в материковых породах. Таким образом, вопрос о происхождении металлических частиц имеет принципиальное значение для проблемы материковых сидерофилов. Как правило, металл материковых пород обладает метеоритным Ni / Со отношением и отличается по составу от типично лунного металла морских базальтов и первичных материковых пород [191,122-127]. Это позволяет предполагать, что материковый металл имеет метеоритное происхождение и, таким образом, высокие содержания сидерофилов и их аномальные соотношения наблюдаемые в материковых породах, должны быть связаны с процессом метеоритной бомбардировки 4 млрд. лет назад, что совместимо с мнением [27, 77,132,139].
Однако, с другой стороны было установлено, что металлические частицы материковых пород отличаются от метеоритного металла повышенным содержанием фосфора, что выражается в обычном присутствии в них шрейберзита [126,143]. Образование этого минерала было интерпретировано как результат восстановления лунных фосфатов Са и диффузии фосфора в металл в ходе термального метаморфизма материковых пород [124, 130,169]. Экспериментальные исследования [II6-II8] подтверждают такую возможность, хотя и требуют более низкого парциального давления кислорода, чем это наблюдается в лунных образцах, или присутствия некоторого восстанавливающего агента, например СО. Экспериментально было показано также, что при этих условиях возможно восстановление железа, связанного в мафических силикатах лунных пород [203]. Таким образом, металлические частицы, находящиеся в материковых породах могут быть продуктами длительного термального метаморфизма, или, во всяком случае, их состав может быть существенно модифицирован процессами смешения лунных и метеоритных сидерофилов [108,211]. Высокие содержания W , обнаруженные в материковом металле [211,224,225] подтверждают эту точку зрения, т.к. W мог экстрагироваться металлом из лунных силикатов при субсолидусном отжиге. Эти наблюдения указывают на возможность миграции сидерофилов в ударно-взрывном процессе, что в соответствии с концепцией [l08,2Il] допускает высокие содержания сидерофилов в лунной коре и ставит под сомнение специфику состава древних метеоритных групп.
Таким образом, проблема происхождения лунных металлических частиц является одним из аспектов дискуссии [77,I08,2Il] о природе сидерофилов в лунной коре и, следовательно, о составе и происхождении Луны, для ее решения принципиально важно установить:
источник металла в материковых породах; 2/ возможность перераспределения сидерофилов в ударно-взрывном процессе. Это требует как геохимического так и минералогического изучения металлических частиц. Однако их маленькие размеры создают трудности для комплексного изучения и интерпретации условий образования. В настоящее время существуют только единичные данные по геохимии лунного металла, которые не сопровождаются его минералогическими характеристиками. В связи с этим в этой работе было впервые изучено: I/ структурное положение, состав и распределение по размерам включений металла в материковых породах Л20 и 2/ минералогия и геохимия металлических частиц 2004-016, 852 и 919 (Л20), 1904 и 1905 (Л24) и 3255 (AI6), размер которых позволил провести их детальное, комплексное изучение.
Проблема "лунного" этапа в истории земной коры
Следы ранних этапов геологической истории земной коры были практически уничтожены последующими эндогенными и экзогенными процессами, что создает трудности в понимании целостной картины эволюции нашей планеты. Лунные исследования представляются перспективными для преодоления этих трудностей, т.к. на Луне последние 3 млрд.лет геологическая деятельность фактически отсутствовала и основные черты геологии Луны отражают специфику ранних этапов ее истории. Основываясь на этих соображениях некоторые исследователи предположили существование . "лунного" этапа в истории земной коры, под которым понималось широкое развитие базальтового вулканизма, предшествовавшего образованию гранитной коры [14]. Тем не менее, результаты изучения лунного вещества показывают, что специфика истории лунной коры заключается не в процессах базальтового вулканизма, а в формировании мощного чехма материковых брекчий, образование которых связано с интенсивной метеоритной бомбардировкой более 3,9-4,0 млрд.лет назад. Данные сравнительной планетологии [59] предполагают, что такой процесс должен быть обязательным для всех планетных тел Солнечной системы и, следовательно, мог оказать существенное влияние на формирование земной коры и ее последующую эволюцию. Возрастав земных пород по данным изотопной геохронологии [28] менее 3,9 млрд.лет. Однако изотопные равновесия фиксируют главным образом время метаморфизма и, поэтому, не исключено присутствие в земной коре вещества, образовавще-гося на стадии интенсивной бомбардировки. Многочисленные кольцевые структуры, дешифрируемые на поверхности Земли [ІЗ,15], а также широкое распространение в россыпях алмазов, предположительно ударного происхождения, рассматривались как возможные следы интенсивной бомбардировки земной коры [33], хотя убедительных свидетельств существования этого этапа в истории Земли до сих пор не найдено.
Как показывают лунные исследования [27,77,132,139], геохимически, интенсивная бомбардировка выражается прежде всего в смешении фракционированного корового материала с примитивным метеоритным веществом, что опознается по повышенному содержанию сидеро-фильных элементов. Из последних наиболее эффективным для диагностики присутствия космического вещества является Ir , содержание которого в метеоритах примерно в 20000 раз выше, чем в породах коры. Кроме того, Ir слабо подвижен в большинстве геохимических процессах и прекрасно определяется методом нейтронно-активационного анализа. По этим причинам, 1г неоднократно использовался для идентификации примеси космического вещества не только в лунном материале, но и в земных импактитах и осадочных породах [2,76,81, 105]. В связи с этим, для оценки роли метеоритной бомбардировки на ранних этапах истории земной коры в этой работе впервые систематически изучена распространенность Ir в породах архея и фанерозоя.
