Луна удивила геохимиков

В лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН) проведено исследование, направленное на согласование геофизических и геохимических моделей внутреннего строения Луны. Результаты работы, опубликованные в журнале Geochemistry International, свидетельствуют, что лунная мантия, вероятно, обогащена кремнеземом (SiO₂, ~50 мас. %) и имеет минералогический состав, отличный от ранее принятых представлений.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Ключевые выводы исследования

• Геофизические модели с высоким содержанием SiO₂ (~50%) лучше согласуются с сейсмическими данными миссий Apollo, чем популярные геохимические модели (SiO₂, ~45%).
• Основным минералом мантии Луны, согласно расчетам, является ортопироксен, а не оливин, как предполагалось ранее.
• Данные дистанционного зондирования (*Kaguya, Chang’E-4*) и анализ образцов (*Chang’E-5*) подтверждают преобладание пироксена в лунных породах.
• Мантия Луны, вероятно, дифференцирована: верхняя часть обеднена Ca и Al по сравнению с нижней.

Полученные результаты указывают на возможные различия в составе силикатных оболочек Земли и Луны, несмотря на их изотопное сходство. Это ставит новые вопросы перед теориями формирования и эволюции Луны, включая гипотезу ее происхождения в результате гигантского столкновения.

«Несмотря на высокую степень сходства земного и лунного вещества по изотопному составу, состав их мантий, вероятно, различается. Это подчеркивает необходимость дальнейшего поиска консенсуса между геофизическими и геохимическими моделями»,— отметил д.х.н., член-корреспондент РАН Олег Кусков, руководитель исследования.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Олег Кусков, д.х.н., член-корреспондент РАН, руководитель исследования, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Какие геофизические и геохимические модели строения Луны сравнивались в исследовании?

— Существуют серьезные противоречия между геофизическими и геохимическими классами моделей химического состава и внутреннего строения Луны, связанные с отсутствием прямой информации о вещественном составе ее недр: коры, мантии, ядра. Геофизические и геохимические модели Луны основаны на разном объеме входной информации и разных методологических принципах ее обработки. Геофизические модели, обогащенные кремнеземом (SiO₂, ~50 мас. %) и оксидом железа (11–13% FeO) по отношению к составу силикатной части Земли, основаны на совместной инверсии интегрального набора селенофизических, сейсмических и геохимических параметров. Геохимические модели, содержащие ~45 мас. % SiO₂, но с разными концентрациями тугоплавких оксидов (СаО, Al₂O₃) и FeO, основаны на анализе лунных морских базальтов и элементных отношениях Mg/Si, MgO/FeO, MgO/Th в метеоритах.

— Почему сейсмические данные Apollo остаются ключевым источником информации о внутреннем строении Луны?

— Основные ограничения на структуру недр получены из данных по гравитационному полю, электромагнитному зондированию, сети лунных сейсмометров и уголковых отражателей. Сейсмические данные своего рода «розеттский камень» информации о внутреннем строении Луны. Сейсмические станции, установленные астронавтами космических аппаратов Аpollo-12, -14, -15, -16, с 1969 по 1977 год регистрировали удары метеоритов, мелкофокусные (до 200 км) и глубокофокусные (800–1100 км) лунотрясения, а также искусственные события (падения частей космических аппаратов). Сейсмические исследования в совокупности с топографическими и гравитационными данными позволяют оценить толщину, плотность и пористость лунной коры, физические границы в мантии и размеры ядра.

— Как расчеты фазовых равновесий и скоростей звука помогают определить состав лунной мантии?

— Расчеты фазовых равновесий и скоростей звука являются незаменимыми и взаимодополняющими инструментами для превращения сырых геохимических и геофизических данных в количественные модели состава и строения мантии Луны. Они позволяют перейти от комбинации химических элементов к минералогии, связать химический состав с глубинными границами и неоднородностями, учесть влияние температуры и возможного плавления, предсказать свойства мантии там, где прямые образцы недоступны, создать непротиворечивую картину, согласующую фрагментарные данные разных наук. Новые сейсмические данные от будущих миссий и усовершенствованные термодинамические модели позволяют дать более точные ограничения на состав и внутреннее строение Луны.

— Как дифференциация лунной мантии влияет на ее эволюцию?

— Вне зависимости от модели и механизма происхождения Луны образовавшееся первичное вещество претерпевало широкомасштабное или частичное плавление, в результате которого произошло образование лунного магматического океана, под которым понимается внешняя оболочка толщиной не менее нескольких сотен километров. Со временем (сотни миллионов лет) происходят кристаллизация магматического океана и дифференциация Луны на оболочки с образованием полевошпатовой коры низкой плотности, стратифицированной по химическому составу верхней и нижней мантии, простирающейся вплоть до границы с частично расплавленным переходным слоем или небольшим металлическим ядром.

— Какие новые ограничения это накладывает на гипотезу образования Луны в результате гигантского столкновения?

— Существуют различные сценарии происхождения системы Земля—Луна. Наибольшую популярность приобрела гипотеза гигантского столкновения или мегаимпакта, которая стала доминирующей парадигмой в астрофизике и планетных исследованиях, подобно феноменам Big Bang (гипотеза Большого взрыва, лежащая в основе Стандартной космологической модели), Biological Big Bang (Кембрийский взрыв скелетной фауны) или вымирания динозавров в результате падения астероида. Помимо гидродинамических проблем, ее один из основных недостатков имеет геохимический характер, ибо импактная модель не позволяет адекватно объяснить изотопную идентичность целого ряда элементов (железа, кремния, титана, калия, вольфрама, хрома, кислорода), поскольку Луна, в основном образовавшаяся из ударного тела в другом изотопном резервуаре, имела бы изотопный состав, отличный от земного, и, следовательно, составы земных и лунных пород должны различаться. Однако высокоточные измерения не выявили значимых изотопных различий. Кроме того, импактные сценарии не учитывают различия в содержании породообразующих оксидов (SiO₂, FeO, Al₂O₃) между Землей и Луной. Поскольку они столь значительны, то возникает вопрос о причине обогащения Луны оксидами железа и кремния и дихотомии в отношении Al₂O₃, а также связанный с этим вопрос о происхождении Луны и системы Земля—Луна. Одновременное обогащение Луны SiO₂ и FeO должно приводить к дополнительным ограничениям на состав ударного тела (или тел) при анализе любых космогонических концепций происхождения Луны и моделировании физических, динамических и космохимических процессов формирования системы Земля—Луна.

— Какие несоответствия между геофизическими и геохимическими моделями еще предстоит объяснить?

— Несколько ключевых несоответствий между геофизическими и геохимическими моделями Луны все еще остаются предметом активных исследований и дискуссий: модели кристаллизации глобального магматического океана, толщина и структура лунной коры, содержание долгоживущих радиоактивных источников тепла (U, Th, K), изотопное сходство Земли и Луны, размеры и физическое состояние внутреннего и внешнего ядра Луны. Более тесная интеграция геофизических (гравитационные и сейсмические данные, электропроводность, тепловой поток) и геохимических (элементный и изотопный состав, петрология) данных должна способствовать построению унифицированных моделей.

— Как новые лунные миссии (например, «Луна-25» и последующие) могут помочь в проверке этих выводов?

— Планируемые миссии — «Луна-26» (орбитальный космический аппарат для дистанционного исследования Луны), «Луна-27» (посадочный аппарат с криогенным бурением) и международные миссии (Artemis, китайские Chang'e и др.). Планируются анализ грунта в районе Южного полюса Луны, поиск и анализ водного льда и других летучих соединений (CO, CO₂, CH₄, NH₃, S) в затененных областях, состава глубинных пород, выброшенных ударами (особенно из бассейна Южный полюс—Эйткен).

— Какие эксперименты и моделирования планируются для дальнейшего изучения состава Луны?

— Глубинное бурение и криогенный анализ летучих веществ: бурение на глубину (до 2 м), экстракция и in-situ анализ состава льда и газов масс-спектрометрами. Развертывание сети сейсмометров для регистрации ударов/лунотрясений и определения внутреннего строения Луны (толщина коры, границы слоев, размер и физическое состояние ядра). Зондирование подповерхностных слоев (до нескольких метров) для поиска погребенного льда, слоистых отложений, структуры реголита. Усовершенствование гамма- и нейтронной спектроскопии. Создание глобальных карт высокого разрешения по распределению элементов (U, Th, K, Fe, Ti и др.). Картирование остаточной намагниченности для изучения истории древнего магнитного поля и структуры литосферы. Возврат и анализ образцов с ранее не изученных регионов.

— Как эти результаты могут повлиять на понимание эволюции планет земной группы?

— Луна — фундаментальная глава в учебнике планетологии, уникальная «капсула времени», сохранившая свидетельства ранних процессов, стертых на более крупных и геологически активных телах. Новые лунные миссии, особенно к полярным регионам с фокусом на летучие вещества и глубинный состав, и установка сети современных сейсмометров предоставят недостающие данные для построения универсальных моделей формирования и эволюции планет земной группы. Понимание того, как Луна прошла путь от магматического океана до «мертвого» мира, позволит реконструировать ранние, стертые этапы истории Земли, Марса, Венеры и Меркурия, а также лучше интерпретировать процесс формирования ядра, источники летучих элементов, происхождение системы Земля—Луна, а также данные об экзопланетах земного типа.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки