Загадка Патомского кратера

В.С.АНТИПИН доктор геолого-минералогических наук, В.И.ВОРОНИН доктор биологических наук, А.М.ФЕДОРОВ

В.В.Колпаков, открывший Патомский кратер в 1949 г., первым высказал гипотезу о его образовании в результате падения метеорита [1]. Известный вулканолог С.В.Обручев считал, что метеоритная гипотеза неприменима к данной структуре, а могла она «образоваться только в результате прорыва со значительных глубин газов или паров, которые пробили цилиндрическую трубку в участке, ослабленном тектоническими разломами» [1]. Значительно позже Е.Ф.Малеев также относил Патомский кратер к вулканическому образованию, представленному эруптивными (раздробленными глубинными породами, выброшенными на современную поверхность) или взрывными брекчиями [2]. А.М.Портнов, тщательно исследовавший кратер, отвергал возможное участие вулканических процессов в его образовании и даже оценил глубину залегания в нем метеорита около 180—200 м [3].

В 1963 г. Сибирская комиссия по метеоритам СО АН СССР на общественных началах направила экспедицию на Патомское нагорье. В результате был сделан главный вывод — полученных данных недостаточно, «чтобы отдать предпочтение метеоритной или вулканической гипотезам происхождения» этой структуры [4].

В 2006 г. на Патомский кратер отправилась комплексная экспедиция, в составе которой работали геологи-геохимики (Институт геохимии СО РАН), геофизики (Иркутский государственный технический университет) и астрономы (астрономическая обсерватория Иркутского государственного университета) [5].

Мы благодарим всех организаторов и участников экспедиции за помощь и финансовую поддержку при выполнении рейса вертолета и отборе проб. Неоценимую помощь в решении транспортных проблем в г.Бодайбо нам оказал П.П.Быков.

По результатам экспедиции впервые была составлена геологическая карта и получены геологические, петрографические и геохимические данные о породах кратера и его обрамления, которые позволили сделать вполне определенные выводы об условиях формирования этого загадочного конуса.

Строение и состав пород кратера

Первые данные о размерах насыпного конуса получил Колпаков в конце 40-х годов прошлого века [1]. Он оценил его средний диаметр в 130—150 м, а глубину кольцевого рва — в 8—10 м. Расположение кратера на склоне горы определило различную его высоту, которая в верхней части составила 10—15 м, а в нижней — 70—80 м. При этом верхний срез конуса, по мнению Колпакова, был горизонтальным.

Во время экспедиции 2006 г. размерные характеристики конуса, полученные группой астрономов (под руководством С.А.Язева), оказались несколько иными. Размеры основания конуса в проекции на горизонтальную плоскость составили ~150—160х120—130 м. Диаметр кольцевого вала, окаймляющего воронку, — 80 м, а ее глубина — ~12—15 м. Диаметр основания центральной горки кратера на сегодняшний день — около 34 м. Максимальный перепад высот на кольцевом валу — 15 м, а высота вала над склоном сопки меняется от 10—12 до 35—38 м.

Различия в размерных характеристиках конуса, полученных недавно и полвека назад, свидетельствуют о заметном воздействии процессов выветривания на слагающие горные породы. Постепенное разрушение кратера привело к соответствующему увеличению протяженности осыпи вниз по склону и возможному проседанию кольцевого вала.

Неоднородное строение Патомского кратера хорошо видно на геологической карте и проявляется в отчетливо выраженной зональности и последовательном чередовании главных структурных элементов: внешнего склона, кольцевого вала, кольцевого рва и центральной горки. Кратер расположен среди терригенно-карбонатных пород мариинской свиты протерозоя и представляет собой насыпной конус, сложенный преимущественно известняками, в подчиненном количестве встречаются песчаники, метаморфизованные сланцы, полевошпат-карбонатные (иногда с мусковитом) и кварцевые жилы.

Прежде всего, было установлено, что кольцевой вал разделен неглубоким понижением в рельефе на две части, которые сформировались в разное время. На раннем этапе образовался внутренний вал, сложенный сильно выветрелыми пластинчатыми, легко рассыпающимися серыми известняками с жилами молочно-белого кварца. Именно здесь, среди известняков, встречаются единичные глыбы метаморфизованных сланцев и песчаников, а дресва карбонатных и терригенных пород покрыта мхом. Внешний вал не содержит терригенных пород и сложен темно-серыми массивными кристаллическими известняками, слабо подвергшимися процессам выветривания. На основании этих признаков можно утверждать, что внешняя часть кольцевого вала — более позднее образование. Становление Патомского кратера, по-видимому, завершилось формированием центральной горки, которая в районе вершины представлена массивными кристаллическими известняками, слегка затронутыми процессами выветривания. Ров, разделяющий двойной кольцевой вал и центральную горку, сложен разнородными известняками, песчаниками, сланцами, прорванными серией кварц-полевошпаткарбонатных жил.

Изучение структурных особенностей известняков под микроскопом показало, что зерна кальцита ориентированы параллельно друг другу. Также наблюдались ориентированные шлиры или линзочки, образованные относительно более крупными зернами кальцита и кварца. Можно предположить, что карбонатные породы испытали одностороннее давление и частичную перекристаллизацию.

К северо-востоку от кратера с падением на юго-запад под толщу известняков залегают мелкозернистые кварцевые песчаники, содержащие слабо окатанные зерна кварца. Последние сцементированы агрегатом, состоящим из хлорита, мусковита, карбоната, редких обломков плагиоклаза и мелких зерен сфена. Отдельные глыбы песчаников внутри насыпного конуса представлены той же минеральной ассоциацией, но в них резко возрастает содержание кальцита, т.е. терригенные породы в пределах кратера существенно карбонатизированы. Так же по сравнению со сланцами вмещающей толщи (г.Джебалдо) резко возрастает содержание карбонатного материала в отдельных глыбах сланцев в кратере.

Химический состав всех главных типов пород, встреченных на Патомском кратере и вмещающей его терригенно-карбонатной мариинской свите, приведен в табл.1. В целом все проанализированные карбонатные породы по химическому составу практически не различаются. Подобный вывод можно сделать и в отношении редкоэлементного состава. Отмечается лишь незначительное уменьшение содержаний стронция относительно его уровня во вмещающих известняках мариинской свиты. Важно подчеркнуть, что элементы группы железа (Ni, Cr, Co, Cu, Sc) сохраняют весьма близкие и крайне низкие концентрации во всех исследованных известняках. При этом необходимо обратить особое внимание на Ni, который служит геохимическим индикатором метеоритного вещества. В известняках Патомского кратера и во вмещающей его толще его содержание весьма низкое, на уровне мало различимых концентраций.

В глыбах песчаников и сланцев внутри насыпного конуса резко возросло содержание CaO по сравнению с породами вмещающей толщи. Крайне интересно распределение элементов группы железа в терригенных породах. По сравнению с песчаниками и сланцами за пределами кратера отдельные глыбы на раннем кольцевом валу насыпного конуса значительно обеднены ими. Если говорить о важном для нас Ni, то его концентрация в песчаниках кратера уменьшается в два раза, а в сланцах — в четыре. Такое распределение Ni исключает участие метеоритного вещества в процессах формирования Патомского кратера.

Возраст кратера

Предлагаемые гипотезы происхождения кратера прямо связаны со временем его формирования. Поэтому возраст Патомского кратера имеет принципиальное значение. Участниками экспедиции были спилены 10 деревьев лиственницы даурской как непосредственно на насыпном конусе, так и вблизи его. По отобранным спилам с применением стандартных методик выполнялся дендрохронологический анализ [6].

На основании полученных данных был сделан весьма важный вывод. Внешняя осыпь кратера образовалась не позже 1770 г. В это время на ней появилось самое старое дерево. С учетом того, что почва, необходимая для роста деревьев, формируется в этих условиях в течение 10—20 лет, наиболее реальная временная граница в данном случае — середина XVIII в. Следовательно, вполне обоснованно можно оценить возраст осыпи раннего вала в 250—300 лет.

Большой интерес представляют деревья, расположенные вблизи северного окончания осыпи (1, 2, 4 на рисунке). У дерева 2 с 1842 г. резко уменьшился радиальный прирост, а в 1876 г. оно погибло. Деревья 1 и 4 получили механические повреждения, после которых, начиная с 1842 г., стали формировать креневую древесину, т.е. в результате наклона или изгиба ствола начинали образовываться эксцентричные годичные кольца (с одной стороны шире, с другой — уже). Такие кольца возникают для того, чтобы вновь привести ствол в вертикальное положение. Таким образом, исследованные деревья в 1841—1842 гг. зафиксировали в годичных кольцах некое катастрофическое событие, вызвавшее различные их повреждения [6]. Подобные серьезные повреждения деревьев в результате лесного пожара полностью исключаются, так как характерные ожоги на стволах отсутствуют. Рассматриваемая группа деревьев располагалась у кромки осыпи, сложенной слабо выветрелыми известняками позднего кольцевого вала. Наиболее вероятная причина их повреждений — значительные подвижки грунта во время нагромождения глыбового материала внешнего вала. А облом ствола дерева 4, так же, как и дерева 9 на противоположном склоне, мог произойти вследствие удара глыб, скатившихся по осыпи.

Таким образом, время формирования позднего кольцевого вала приходится на 1841—1842 гг., более чем через 100 лет после начала становления Патомского кратера. На центральной горке деревья значительно моложе (дерево 7, возраст 71 год), и вполне логично предположить, что она завершила полное форирование насыпного конуса.

Малопонятными остаются резкое падение прироста деревьев в 1880 г. и гибель некоторых из них. Возможно, это как-то связано с завершающими процессами становления кратера, а именно центральной горки. Но для большей уверенности необходимы дополнительные исследования. Однако результаты дендрохронологического анализа дают все основания считать, что возраст кратера ~250—300 лет. Справедливо будет отметить, что уже в 1966 г. экспедиция Сибирской комиссии по метеоритам СО РАН СССР установила, что возраст лиственницы, спиленной на юго-восточном борту насыпного конуса, 223 года [5].

Метеоритный кратер или вулканическая постройка?

Комплексная экспедиция 2006 г. не обнаружила никаких данных в пользу метеоритного происхождения кратера. В то же время все полученные геологогеохимические материалы свидетельствуют об эндогенной или вулканической природе этой удивительной структуры на Патомском нагорье. Морфология кратера в виде насыпного с крутыми склонами усеченного конуса с углублением на вершине типична для современных вулканических построек. Характерный пример таких образований — современный вулкан Карымский на Камчатке, где хорошо видны все структурные элементы, выделенные на Патомском кратере. В отличие от вулканических построек, образованных ювенильным материалом (шлак, пепел, бомбы, лава и др.), насыпные конусы могут состоять из обломков древних вмещающих пород — эруптивных или взрывных брекчий. Подобные структурные особенности резко отличают такие постройки от метеоритных кратеров, представленных более плоскими впадинами с невысоким кольцевым валом. Отношение иаметра к высоте Патомского кратера довольно характерно для образований вулканического происхождения.

Патомский кратер представляет собой зональную кольцевую структуру, отдельные зоны которой образовались в разное время. В процессе его формирования происходило по крайней мере трехкратное воздействие эндогенной энергии на мариинскую древнюю толщу терригенно-карбонатных пород. В результате последовательно образовались ранний и поздний кольцевые валы, кольцевой ров и центральная горка. Дендрохронологический анализ также говорит о повреждении растущих на кратере деревьев на разных этапах его формирования. Такие процессы возможны только при продолжительной эндогенной вулканической активности, но не при одноактном падении метеорита.

Весь проанализированный каменный материал как в пределах Патомского кратера, так и в его окружении свидетельствует об отсутствии каких-либо признаков наличия метеоритного вещества (табл.1). Во всех отобранных пробах горных пород и терригенного материала содержания характерных для любых метеоритов элементов (прежде всего элементов группы железа) очень низкие, свойственные окружающим кратер породам. Никаких геохимических аномалий, связанных с метеоритным веществом, в пределах кратера не обнаружено.

Кроме того, установлено, что глыбы песчаников и сланцев среди известняков, входящие в состав эруптивной брекчии, подвергались воздействию газовых или флюидных компонентов и интенсивно карбонатизированы. Концентрации элементов группы железа, и прежде всего никеля, в этих песчаниках и сланцах существенно ниже относительно этих же пород в окружении кратера. Все это свидетельствует против метеоритной природы кратера.

В табл. 2 приведен состав летучих компонентов в проанализированных горных породах, помогающий понять роль глубинных флюидов или газов в процессе формирования Патомского кратера. Наряду с окисленными флюидами (Н₂О, СО₂) — главными составляющими магматических летучих компонентов — в породах кратера установлены восстановленные газы (СО, Н₂). Это прежде всего свидетельствует о достаточно глубинном источнике флюидных компонентов. Максимальное содержание СО фиксируется в известняках центральной горки и кольцевого рва (8.5—9.7 мл/г), т.е. в участках кратера, где по глубинному цилиндрическому каналу мог поступать эруптивный глыбовый материал насыпного конуса. Концентрации СО в исследуемых известняках значительно выше по сравнению с базальтоидами и лерцолитами Байкальской рифтовой зоны и Сибирской платформы. Содержание же Н₂ в мантийных основных и ультраосновных породах довольно близки к уровню их концентраций в карбонатных породах кратера. Однако среди этих пород наибольшие концентрации Н₂ зафиксированы в известняках раннего кольцевого вала. По-видимому, на начальном этапе формирования Патомского кратера среди восстановленных газов преобладал водород, а в дальнейшем его роль уменьшалась, тогда как роль оксида углерода возрастала. Полученные геохимические данные свидетельствуют не просто о глубинном, а скорее о мантийном источнике флюидных или газовых компонентов. Последние вполне могли исходить из расположенного на глубине магматического очага. В настоящее время уверено судить о его составе нельзя. Необходимы дополнительные исследования как эруптивных брекчий самого кратера, так и пород его обрамления.

Несмотря на то, что Патомский кратер расположен на значительном удалении от областей активного четвертичного вулканизма (ближайшие вулканы находятся в верховьях р.Витим), Обручев не исключал возможность образования на Патомском нагорье небольших шлаковых или насыпных конусов вследствие извержения или прорыва газов.

* * *

Таким образом, Патомский кратер не является метеоритным, а его происхождение связано с эндогенными процессами, главную роль в которых играло поступление глубинного потока газовых компонентов. По своим геологическим характеристикам он представляет собой кольцевую структуру центрального типа с насыпным конусом. Зональное строение, а также петрографические и петрогеохимические особенности пород обусловлены, по-видимому, благоприятным сочетанием кольцевых и радиальных разломов с последовательным и продолжительным временем формирования отдельных зон.

Литература

1. Колпаков В.В., Обручев С.В. Загадочный кратер в Патомском нагорье // Природа. 1951. №1—2. С.58—61.
2. Малеев Е.Ф. Вулканогенные обломочные горные породы. М., 1977.
3. Портнов А.М. Кратер на Патомском нагорье // Природа. 1962. №11. С.102—103.
4. Кротова З.А., Кандыба Ю.Л. // Метеоритика. 1966. Вып.XXVII. С.134—138.
5. Антипин В.С., Арсентьев А.Н., Воронин В.И. и др. Экспедиционное обследование Патомского кратера // Избранные проблемы астрономии. Материалы научно-практической конференции «Небо и Земля», посвященной 75-летию астрономической обсерватории ИГУ. Иркутск, 2006. С.163—168.
6. Воронин В.И. Предварительные результаты дендрохронологического анализа спилов лиственницы даурской, отобранных в районе Патомского кратера // Там же. С.169—176.
7. Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. М., 2007.

Источник: «Природа»