Лунная база, полярная вода и опасность лунотрясений

Александр Базилевский,
доктор геолого-минералогических наук,
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (Москва)
«Природа» №11, 2017

Луна — самый близкий космический сосед Земли. Она активно изучается рядом стран с помощью автоматических космических аппаратов. Обсуждаются и планы создания на Луне обитаемой базы, которую можно использовать для изучения различных характеристик нашего спутника в стационарных лабораториях и в маршрутных исследованиях, для наблюдений за далекими космическими объектами, а также как перевалочный и заправочный пункт при полетах к другим объектам Солнечной системы. В качестве перспективного места для создания лунной базы рассматриваются полярные районы [1, 2]. Они привлекательны тем, что Солнце там стоит очень низко над горизонтом, и даже в середине лунного дня температуры поверхности невысокие, а в зонах вечной тени и в некоторых других местах в лунном рыхлом грунте содержится заметная примесь льда воды [3, 4]. Вода же нужна для жизнеобеспечения базы и как сырье при производстве ракетного топлива для полетов к другим космическим объектам.

База должна защищать своих обитателей от неблагоприятных составляющих лунной среды: высокого вакуума, слишком высоких (днем) и слишком низких (ночью) температур, космических лучей и метеоритной и микрометеоритной бомбардировки. В последние годы стала выявляться еще одна потенциальная опасность, которую надо учитывать при создании базы на Луне, — сейсмическая активность, или, проще говоря, лунотрясения.

О том, что на Луне есть сейсмическая активность, стало ясно еще в 1969–1977 гг. в результате наблюдений с помощью сейсмометров, установленных в местах посадки космических кораблей «Аполлон-12, -14–16» [5, 6]. Тогда было зарегистрировано довольно большое количество сейсмических сотрясений, как глубинных, так и приповерхностных. Но как фактор, который должен учитываться при освоении нашего спутника, лунотрясения, насколько нам известно, не рассматривались. По-видимому, это связано с тем, что в результате исследований в 60–80-х годах прошлого века была установлена высокая вулканическая и тектоническая активность на Луне, проявлявшаяся примерно 3 млрд лет назад, а потом практически прекратившаяся.

Однако в последние годы был проведен анализ огромного массива снимков лунной поверхности, которые получили камеры LROC NAC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera Narrow Angle Camera) с разрешением около 0,5 м, установленные на космическом аппарате Lunar Reconnaissance Orbiter. В результате были обнаружены формы рельефа, возникшие при очень молодой (<50 млн лет) вулканической и тектонической активности [7–9]. Эти образования сравнительно небольшие и располагаются очень локально. Но стало ясно, что и вулканическая и тектоническая активность в современную геологическую эпоху на Луне есть. Проведенный анализ снимков, в частности, выявил более 3000 уступов поверхности, по-видимому, созданных тектоническими надвигами [9]. Т. Р. Воттерс с коллегами связывают образование таких надвигов с лунотрясениями [10]. Эти авторы, используя упоминавшиеся данные сейсмических наблюдений в местах посадки космического корабля «Аполлон», определили магнитуды (от 1,6 до 4,2 по шкале Рихтера) и местоположения эпицентров 25 из 28 зарегистрированных приповерхностных лунотрясений. Оказалось, что одно из них, входящее в категорию относительно сильных, произошло вблизи южного полюса Луны, 19 случились, когда Луна была близка к апогею ее орбиты, а 9 — к перигею.

Мы кратко рассмотрим примеры уступов тектонических надвигов в полярных районах Луны (севернее 70° с. ш. и южнее 70° ю. ш.) [8], их соотношения с другими геологическими образованиями, а также уступ Мекеринг (Meckering) — земной аналог подобных образований в Австралии [11].

Воттерс с коллегами описали три надвиговых уступа в северной полярной области и три уступа в южной [8]. Это, соответственно, уступы Рождественский 1 и 2, Нансен F и уступы Кабео, Симпелий и Шумейкер. Все они названы по ближайшим крупным кратерам. Скорее всего, в полярных областях еще существуют и другие надвиговые уступы, но там значительные площади затенены, и они на снимках не видны. Длина уступов составляет от нескольких до 10–15 км, а высота может достигать десятков метров [12]. Это свидетельствует о значительной энергетике создавших их лунотрясений.

На рис. 1 видны надвиговые уступы Нансен F и Кабео, имеющие мягкие очертания, что может указывать на некоторое сглаживание их поверхности малыми метеоритными ударами и склоновыми процессами. А возможно, это и их первичная характеристика, связанная с рыхлым сложением вовлеченного в деформацию материала. Поверхность выше уступов и перед ними осложнена пологосклонными извилистыми в плане грядами протяженностью до сотен метров и шириной несколько десятков метров. Если такие гряды — результат сейсмического сотрясения при образовании надвига, то это говорит об относительной молодости лунотрясений.

Рис. 1. Топографическая карта Луны с местами, где расположены надвиговые уступы в полярных областях (вверху) и изображения надвиговых уступов (показаны черными стрелками) вблизи кратеров Кабео и Нансен F (внизу)

Полярные области Луны — местность материкового типа с многочисленными нередко пересекающимися кратерами диаметром десятки километров и более [13, 14]. Район южного полюса приходится на вал самого крупного и, по-видимому, самого древнего ударного бассейна Южный полюс — Эйткен диаметром примерно 2500 км. Описываемые уступы осложняют эту испещренную кратерами поверхность. Так, уступ Кабео (см. рис. 1) «взбирается» на 10–15-градусный внутренний склон кратера диаметром около 40 км.

В полярных областях Луны в зонах вечной тени (и не только в них) в поверхностном слое присутствует примесь льда воды и некоторых других летучих соединений.

Из рис. 2 видно, что одни надвиги (Кабео и Шумейкер) находятся около мест высоких концентраций Н₂О, другие (Рождественский 1 и 2) — в местах с умеренными концентрациями, а третьи (Нансен F и Симпелий) — в районах без заметной концентрации Н₂О. Надвиговые разломы вряд ли могут быть источником полярной воды, хотя в работах последних лет установлено, что недра Луны не так безводны, как это представлялось раньше [15, 16]. Спектроскопические наблюдения за облаком ударного пара в эксперименте LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite), когда ступень ракеты была сброшена на место выявленной по нейтронной спектроскопии аномально высокой концентрации водорода в кратере Кабео, показали: кроме пара воды в облаке присутствовали CO, CO₂, H₂, H₂S, SO₂, NH₃, C₂H₄, CH₃OH и CH₄ [17]. По некоторым оценкам, такой набор летучих соединений лучше всего согласуется с привносом их кометами и астероидами, бомбардирующими поверхность Луны [18].

Рис. 2. Карты содержания льда воды в верхнем слое толщиной 1 м [4, с изменениями]. Красные точки показывают местоположения надвиговых уступов: 1 — Рождественский 1; 2 — Рождественский 2; 3 — Нансен F; 4 — Кабео; 5 — Симпелий; 6 — Шумейкер

Сейсмические сотрясения, сопровождавшие образование надвигов, по-видимому, могут вызывать в полярных областях сублимацию и последующую потерю льда из порового пространства поверхностного материала. На примере шести обсуждаемых надвигов это вероятное явление достоверно исследовать невозможно, но его следует иметь в виду в последующих работах.

Упомянутый земной аналог лунных надвигов — надвиг близ городка Мекеринг (Meckering) в западной Австралии образовался 14 ноября 1968 г., когда там произошло землетрясение с магнитудой 6,9 по шкале Рихтера [11]. Оно продолжалось 40 сек и привело к образованию уступа-надвига (рис. 3) и к разрушению городских построек и участков железной дороги (рис. 4, 5).

Рис. 3. Фото надвигового уступа Мекеринг. Фото с сайта aees.org.au

Высота уступа Мекеринг достигает 3 м (т.е. он ниже, чем рассматриваемые лунные уступы), а его протяженность (с ответвлениями) — примерно 40 км (по этому параметру он не уступает лунным аналогам). Анализ сейсмограмм показал, что надвиговый разлом Мекеринг начался на глубине 1,5 км от поверхности и распространился на глубину не более 6 км [19]. Землетрясение вызвало и появление трещин растяжения шириной около 1 м, которые, по всей вероятности, уместно сопоставлять с небольшими грабенами, описанными в ассоциации с некоторыми лунными надвигами [10].

Рис. 4. Искривление рельсов железной дороги в Мекеринге. Фото с сайта aees.org.au

Надвиговый разлом произошел в песчано-алевритовых аллювиальных отложениях и местами сопровождался сухой флюидизацией песка, похожей на явление, описанное в работе Н. Мелоша [20]. Песок, подвергавшийся флюидизации, залегал на глубине около 1 м под суглинистым почвенным слоем. Во время землетрясения он прорывался на поверхность через слабые зоны в почве — в местах сгнивших корней деревьев [21]. Не исключено, что достаточно сильные лунотрясения могут вызывать подобную сухую флюидизацию лунного грунта. Подобное явление требует специального изучения.

Итак, из приведенного материала следует, что в полярных областях Луны (так же как и на других территориях) наблюдаются геологически молодые уступы, по-видимому, созданные тектоническими надвигами. Их образование сопровождалось лунотрясениями. Наблюдения 1969–1977 гг. с помощью сейсмометров в местах посадки космических кораблей «Аполлон-12, -14–16» подтверждают существование современной сейсмической активности на Луне. Одно из зарегистрированных неглубоких лунотрясений, которое относится к категории относительно сильных, произошло недалеко от южного полюса. Полярные области Луны рассматриваются как места, перспективные для создания лунной базы, в том числе из-за наличия там ресурсов льда воды в поверхностном рыхлом слое. Очевидно, что лунотрясения вблизи базы могут приводить к серьезным механическим напряжениям в жилых и технических помещениях и в элементах ее инфраструктуры. Этот фактор риска должен специально изучаться, что, очевидно, потребует развертывания на Луне новой сети сейсмических наблюдений. И если будет установлено, что лунотрясения представляют реальную опасность, то при постройке базы это должно обязательно учитываться.

Рис. 5. Катастрофическое разрушение жилого дома в Мекеринге. Фото с сайта static.panoramio.com

Работа поддержана Российским научным фондом (проект 17-17-01149).

Литература
1. Burke J. D. Merits of lunar polar base location. Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century. Ed. W. W. Mendel. Houston. 1985; 77–84.
2. Zelenyi L. Milestones of the Russian space science program for the decade 2016–2025. The Seventh Moscow Solar System Symposium 7m-s3, Space Research Institute, Moscow, Russia, October 10–14, 2016. Moscow, 2016; 7MS3-OS-01.
3. Feldman W. C., Lawrence D. J., Elphic R. C. et al. Polar Hydrogen Deposits on the Moon // J. Geophys. Res. Planets. 2000; 105(E2): 4175–4195.
4. Sanin A. B., Mitrofanov I. G., Litvak M. L. et al. Hydrogen distribution in the lunar polar regions // Icarus. 2017; 283: 20–30.
5. Nakamura Y., Latham G. V., Dorman H. J. et al. Shallow moonquakes — Depth, distribution and implications as to the present state of the lunar interior // Proceedings 10th Lunar and Planetary Science Conference. Houston, 1979; 2299–2309.
6. Nakamura Y. Shallow moonquakes: How they compare with earthquakes // Proceedings, 11th Lunar and Planetary Science Conference. Houston, 1980; 1847–1853.
7. Braden S. E., Stopar J. D., Robinson M. S. et al. Evidence for basaltic volcanism on the Moon within the past 100 million years // Nature Geoscience. 2014; 7: 787–791.
8. Watters T. R., Robinson M. S., Beyer R. A. et al. Evidence of recent thrust faulting on the Moon revealed by the Lunar Reconnaissance Orbiter Camera // Science. 2010; 329: 936–940.
9. Watters T. R., Robinson M. S., Collins G. C. et al. Global thrust faulting on the Moon and the influence of tidal stresses // Geology. 2015; 43(10): 851–854.
10. Watters T. R., Weber R. C., Collins G. C., Johnson C. L. Shallow lunar seismic activity and the current stress state of the Moon // Lunar and Planetary Science XLVIII Conference. Houston, 2017; 2569.
11. Everingham I. B. Preliminary report on the 14 October 1968 earthquake at Meckering, Western Australia // Bureau of Mineral Resources, Geology and Geophysics, Department of Natural Development, Commonwealth of Australia. 1968; 142.
12. Базилевский А. Т., Иванов М. А., Красильников С. С. и др. Молодые тектонические деформации в южной полярной области Луны // Астрономический вестник. 2017. В печати.
13. Wilhelms D. E. The geologic history of the Moon // US Geological Survey Spec. Pap. 1987; 1348.
14. Ivanov M. A., Hiesinger H., Abdrakhimov A. M. et al. Landing site selection for Luna-Glob mission in crater Boguslawsky // Planetary and Space Science. 2015; 117: 45–63.
15. Saal A. E., Hauri E. H., Cascio M. L. et al. Volatile content of lunar volcanic glasses and the presence of water in the Moon’s interior // Nature. 2008; 454(7201): 192–195.
16. Hauri E. H., Weinreich T., Saal A. E., et al. High pre-eruptive water contents preserved in lunar melt inclusions // Science. 2011; 333(6039): 213–215.
17. Colaprete A., Schultz P., Heldmann J. et al. Detection of water in the LCROSS ejecta plume // Science. 2010; 330(463): 463–468.
18. Berezhnoy A. A., Kozlova E. A., Sinitsyn M. P. et al. Origin and stability of lunar polar volatiles // Advances in Space Research. 2012; 50: 1638–1646.
19. Langston C. A. Depth of faulting during the 1968 Meckering, Australia, earthquake sequence determined from waveform analysis of local seismograms // J. of Geophys. Res. 1987; 92(Bll,11): 561–574.
20. Melosh H. J. Acoustic fluidization: A new geologic process // J. of Geophys. Res. 1979; 84(B13): 7513–7520.
21. Collins C., Cummins P., Clark D. et al. Paleoliquefaction studies in Australia to constrain earthquake hazard estimates // Proceedings of 2004 NZSEE Conference, Rotorua, 19–24 March 2004. Rotorua, 2004; 50: 1–7.