Никифоров И.А., к.г.-м.н. Оренбургский государственный университет,
г. Оренбург, тел.:+7(3532)752-626, E-mail: ianikiforov@rambler.ru
Ильин А.В., ГП «Земля», г. Оренбург,
тел.: +7(3532)615-394, E-mail: Avilin@geoland.orenburg.ru
Глаз С.Г., ООО «Оренбурггеофизика», г. Оренбург, тел.:+7(3532)758-779
Введение
Ежегодно около 20 тыс. тонн метеоритного вещества попадает в земную атмосферу. В большинстве своём это частицы размером не более песчинки, полностью сгорающие при падении. Столкновения Земли с небесными телами поперечником в первые километры происходят в среднем 1 раз в миллион лет. При этом возникают ударные кратеры, для обозначения которых американский геолог Р. Дитц в 1960 году предложил специальный термин «астроблемы».
Астроблемы, особенно крупные, имеют заметное практическое значение. С ними часто связаны разнообразные полезные ископаемые, причём их месторождения обычно уникальны по масштабам и минеральному составу. Сюда относятся многие нефтяные структуры Мексиканского залива, возможно крупнейшее медно-никелиевое месторождение Садбери в Канаде и алмазоносные импактиты Попигайской котловины в Сибири. Помимо этого очевиден общенаучный интерес к данному природному феномену. Так, на всём огромном пространстве, занимаемом Российской Федерацией, достоверно известно не более двух десятков астроблем. Новые открытия способствуют формированию нетривиальных космогонических гипотез и выяснению актуальных до сих пор следствий грандиозных катастроф прошлого.
История вопроса и исходные данные
Планомерные исследования по выявлению астроблем на территории Оренбургской области проводятся авторами с 2004 года. В настоящее время эти работы находятся в стадии подготовки технико-экономического обоснования для организации полевой проверки перспективных площадей.
Учитывая ярко выраженную сырьевую специализацию, с формальных позиций геологическое строение региона изучено достаточно подробно. Сказанное означает, что роль в его становлении ударных воздействий космической природы совершенно не определена. Как ни странно, именно это обстоятельство даёт некоторые основания для оптимизма. Наверняка, метеоритные кратеры, считаясь крайне редкими и экзотическими явлениями, «добросовестно» игнорировались даже выдающимися исследователями.
Ревизия существующего положения вещей стала возможной с появлением географических информационных систем и специальных типов данных, основанных на стандартах ГИС. Развитые картографические средства и проведение автоматизированного пространственного анализа позволяют локализовать участки с заранее известными свойствами. В нашем случае эти свойства в большинстве своём представляют или непосредственно замеренные магнитуды геофизических полей, или значения, полученные в ходе оцифровки уже готового картографического материала. Полученные сведения хранятся как важнейшие атрибуты в соответствующих файловых структурах или географических базах данных. Разумеется, сама процедура их подготовки довольно трудоёмка и часто бывает по силам только крупным специализированным коллективам.
Для решения поставленных задач была подготовлена следующая информационная база:
- Цифровая топографическая карта (ЦТК) Оренбургской области масштаба 1:200 000, подготовленная ГлавНИВЦ по нашему заказу.
- Оцифрованные сводные карты магнитного поля, составленные по материалам региональных геофизических работ прошлых лет.
- Оцифрованные сводные карты структурной поверхности сульфатно-галогенной формации кунгурского яруса по данным 2D сейсмопрофилей.
В качестве основного программного инструментария использовались ГИС-продукты от ESRI, к которым авторы имели доступ (ArcView 3.2, ArcInfo 8, ArcView 9, ряд дополнительных модулей).
Методика выделения потенциальных астроблем
Локализация районов предполагаемых астроблем основывалась на предположении о наличии в их пределах реликтов древних воронок взрыва (рис. 1). Обнаружить такие места можно и обычным способом, путём массированного дешифрирования аэро- и космоснимков. Однако существуют определённые препятствия, связанные с высокой стоимостью соответствующих материалов, значительным объёмом работ и кадровыми проблемами.
Рис. 1. Строение типичной астроблемы.
Другой подход к решению вопроса состоит в автоматизации пространственного анализа данных топографии района, составляющих важнейшие тематические слои ЦТК.
Большая часть Оренбургской области характеризуется равнинным или слабо всхолмленным рельефом. Пересыхающие пунктирные водотоки востока и меандрирующие речные русла запада Оренбуржья образуют довольно сложную гидрологическую сеть. Поскольку предметом поиска являются кольцевые структуры, особый интерес вызывают площади развития концентрических водосборных бассейнов. В идеале, если бы морфология ударного кратера сохранилась полностью, они должны иметь форму сплошного широкого кольца (или колец), занимающего склоны водораздела кратерного цирка. Однако в реальных ситуациях, когда кольцевой вал разобщён на ряд кулисообразно расположенных поднятий, перспективными следует считать изометрические территории, занимаемые кластерами смежных водосборных бассейнов. Чтобы исключить из рассмотрения многочисленные округлые отмели и острова, образованные отшнуровавшимися старицами, желательно лимитировать размеры выделяемых областей. В нашем случае в качестве такого предельного значения приняты образования с поперечником менее 10 км.
Техника реализации изложенной идеи базируется на пространственном анализе территории средствами глобальных функций обработки тематических растров. Учитывая строение типичного кратера, можно рассчитывать на выявление регионов, ограниченных дугообразными речными руслами и рассечённых радиальными водотоками, стекающими с концентрических возвышенностей.
После создания и переклассификации гидрологического растра эта задача относительно просто выполняется с помощью инструмента группировки RegionGroup (набор инструментов Spatial Analyst). Следует так задать его установки, чтобы объединение ячеек исходного растра в группы производилось по четырём ортогональным направлениям, а не по восьми — диагональным. Тогда алгоритм RegionGroup создаст дополнительные препятствия «просачиванию» ячеек днища астроблемы за пределы кулисообразных дуг концентрических речных долин.
Предлагаемый подход позволяет быстро ограничить территории поиска и сосредоточиться на наиболее перспективных из них. Результаты предлагаемой операции представлены на рис. 2. Приведённым выше условиям удовлетворяют только два региона (на рисунке они пронумерованы). Наложенные на них элементы речной сети имеют отчётливо выраженное радиально-концентрическое строение, причём сами регионы являются смежными.
Псевдотрёхмерная модель выделенной территории показана на рис. 3. Она создана в модуле 3D Analyst путём триангуляции растра цифровой модели рельефа участка №1 (см. рис. 2). При этом вертикальный масштаб изображения увеличен в 20 раз, что позволило диагностировать основные структурные элементы предполагаемой астроблемы. Отчётливо выделяются центральное поднятие и северный фрагмент кольцевого вала.
Рис. 2. Территории, перспективные на выявление астроблем.
Рис. 3. 3D-модель рельефа района предполагаемой астроблемы.
Предварительная диагностика астроблем
Особенностью выделенной кольцевой структуры поперечником свыше 55 км является совершенное отсутствие у неё южного замыкания. Объяснение этому факту найдено в ходе статистического анализа данных магнитометрической съёмки прошлых лет. При картировании магнитного поля изолиниями шкалы стандартных отклонений уверенно выделяется область его аномальных значений (рис. 4). Природа аномалии связана с почти мгновенным испарением железосодержащего астероида при ударе о земную поверхность. Характерная серповидная форма аномальной зоны объясняется тем, что столкновение с Землёй произошло под некоторым углом (приблизительно 65-70°), а не строго вертикально. В противном случае аномалия, а следовательно и ударный кратер, имели бы замкнутую кольцевую форму.
Рис. 4. Карта магнитного поля района предполагаемой астроблемы.
Ещё одним доказательством сказанного является то, что отмеченный стрелкой изгиб тыловой зоны аномалии (т.е. эпицентр взрыва) удивительно точно совпадает с центральным поднятием кольцевой структуры. Это видно на рис. 5, где растровая карта магнитометрии драпирует рельеф района предполагаемой астроблемы. Изолиния аномального магнитного поля представлена здесь в виде полупрозрачной стены.
Рис. 5. Комбинированная 3D-модель района предполагаемой астроблемы.
Сходные совпадения с современным рельефом отмечаются и для структурных планов подстилающих геологических формаций.
Таким образом, ГИС-анализ картографического материала с большой долей уверенности позволяет сделать вывод об обнаружении крупной астроблемы. Это подтверждается морфологией выделенной кольцевой структуры и полным совмещением с ней узловых элементов альтернативных физических полей.
В заключение следует подчеркнуть особую важность цифровой топоосновы для оперативного решении вопросов поискового плана. По-видимому, настало время разработки соответствующих федеральных стандартов ЦТК, соблюдение которых необходимо для их утверждения и распространения. Без сомнения это будет способствовать технологической унификации типовых задач пространственного анализа и повышению эффективности эксплуатации ГИС.
