Кислородный термометр

Сотрудники лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова и лаборатории геохимии мантии Земли ГЕОХИ РАН совместно с физическим факультетом МГУ им. М. В. Ломоносова изучили окислительно-восстановительное состояние (активность кислорода, fO2) силикатных минералов из земных и лунных базальтов. Результаты, опубликованные в «Астрономическом Вестнике» / Solar System Research, не только подтвердили экстремально восстановительные условия в недрах Луны, но и доказали работоспособность методики, которая может быть востребована в ходе будущих миссий «Луна-27/28».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №25-17-00051.

Активность кислорода — один из ключевых параметров, определяющих, какие газы выделяются при дегазации мантии: углекислый газ и вода или же метан, водород и угарный газ. Именно этот показатель задает сценарии формирования ранних атмосфер и океанов, а значит — и всей последующей эволюции планет.

Для сравнения ученые выбрали максимально контрастные объекты: кимберлиты Якутии, вынесшие вещество с глубин 200–300 км, и породы зоны субдукции на Камчатке, насыщенные водой и морскими осадками. Лунная точка в этом ряду была представлена метеоритом NWA 7611 — брекчией мантийных пород. Измерения проводились методом двойной электрохимической ячейки в диапазоне температур 800–1100°C. Полученная зависимость log fO2 = A + B/T с точностью R² ~ 0,9 позволила не только сопоставить минералы с известными Fe-буферами, но и независимо проверить соотношение Fe²⁺/Fe³⁺ методом Мессбауэровской спектроскопии.

Главный вывод: лунные минералы обладают самой низкой фугитивностью кислорода среди всех изученных образцов. Это прямое свидетельство того, что мантия Луны формировалась и эволюционировала в существенно более восстановительных условиях, чем земная. При этом, как отмечают авторы, NWA 7611, вероятно, представляет собой более глубокие или более древние слои лунной мантии, что делает его уникальным «свидетелем» ранних этапов истории спутника.

О том, почему активность кислорода стала центральным параметром исследования, чем земные кимберлиты отличаются от лунных брекчий, какие неожиданности принес анализ метеорита и что именно ученые надеются найти в свежем лунном грунте, в интервью «Ъ-Науки» с ведущим научным сотрудником лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова ГЕОХИ РАН, кандидатом физико-математических наук Сергеем Воропаевым.

— Сергей, ваша работа посвящена активности кислорода в земных и лунных минералах. Почему именно этот параметр оказался в фокусе исследования? Чем он принципиален для понимания эволюции планетных недр?

— Активность кислорода мантийных минералов определяет химический состав газов во флюидах, выделяющихся при дегазации мантии. Если активность высокая, то будут в основном окисленные соединения (углекислый газ и вода), если же низкая — то восстановленные (метан, водород, угарный газ и углеводороды). Соответственно, это определяет состав ранней атмосферы и океана, а затем и всю последующую эволюцию планеты.

— Вы изучали образцы из кимберлитов Якутии, зоны субдукции на Камчатке и лунный метеорит NWA 7611. Почему для сравнения были выбраны столь разные геологические объекты? Что общего между ними и что они позволяют увидеть в различиях?

— Кимберлиты — это породы, вынесенные из «сухих» мантийных глубин, скажем, 200–300 км. Вулканические породы из зоны субдукции — это «влажная» океаническая кора с захваченными морскими осадками. По активности кислорода это д. б. контрастные породы, и эту разницу мы увидели. Соответственно, мы хотели посмотреть, куда «ляжет» активность лунного метеорита NWA 7611. Судя по минералам, он представляет собой брекчию мантийных лунных пород. Его активность кислорода оказалась существенно ниже всех земных величин. Это показатель уникальности Луны.

— Метод двойной электрохимической ячейки, который вы применили,— насколько он уникален для российской науки? В чем его преимущества перед термодинамическим анализом минеральных равновесий и почему до сих пор такие измерения остаются нетривиальной задачей?

— Метод двойной электрохимической ячейки был разработан японцем Сато и успешно использовался для анализа фугитивности кислорода образцов лунных пород, доставленных миссиями «Аполлон». В ГЕОХИ РАН этот метод развивался группой Кадик А. А., Луканин О. А. и Жаркова Е. В. Была создана полностью своя установка на основе твердых электролитов и прокалибрована. Уникальность ее в том, что она позволяет прямые измерения фугитивности кислорода при высоких температурах, в отличие от косвенных оценок, например, с помощью отношения Fe²⁺/Fe³⁺.

— Вы получили зависимость log fO2 = A + B/T с точностью R² ~ 0,9. Насколько это хороший результат для подобных экспериментов и что стоит за коэффициентами A и B для земных и лунных минералов?

— R — это корреляция экспериментальных данных и зависимости. Если R>0,8, корреляция считается хорошей. Соответственно, в проведенных экспериментах данным можно доверять, поскольку были достигнуты условия термодинамического равновесия. Коэффициенты A и B показывают близость условий к определенному буферу Fe-FeO, C-CO и др.

— Результаты по лунному метеориту показали самую низкую фугитивность кислорода. Насколько это согласуется с существующими представлениями о восстановительных условиях лунной мантии? Были ли какие-то неожиданности?

— Согласуется хорошо, восстановительные условия в лунной мантии предполагались и ранее. Было интересно получить конкретное значение фугитивности кислорода NWA 7611 и сравнить его с образцами «Аполлонов». Неожиданность была в том, что NWA 7611, похоже, представляет собой более глубокие (или древние?) слои лунной мантии.

— Вы независимо проверяли соотношение Fe²⁺/Fe³⁺ методом Мессбауэровской спектроскопии. Насколько важно было это перекрестное подтверждение и что оно дало для интерпретации данных?

— Всегда полезно сравнить результаты, полученные разными методами. Это добавляет доверия к выводам и снимает п

одозрения в их «спекулятивности». Это основа научного метода исследования.

— В тексте вашей статьи говорится о трудностях, связанных с сохранением минеральных равновесий при подъеме глубинных пород на поверхность. Насколько сильно эти процессы могут искажать первичную картину и как вам удается от них отстраиваться?

— При подъеме на поверхность породы неизбежно подвергаются воздействию воды и кислорода воздуха. Эти изменения можно оценить по степени трансформации глубинных минералов — например, серпентизации. Обычно для исследования стараются брать центральные части минералов, наименее измененные.

— Один из ключевых практических выводов — применимость вашей установки для будущих миссий «Луна-27/28». Что именно вы хотели бы исследовать в доставленных образцах и какие задачи сейчас стоят перед лабораторией в этом направлении?

— Непосредственно методом двойной электрохимической ячейки можно оценить только величину фугитивности кислорода лунных минералов. Косвенно это будет говорить о возможности существования воды и газов в лунных породах. Но существуют и другие методы анализа — например, масс-спектрометрия, ИК и рамановская спектроскопия и др. Наша задача — собрать и использовать все методы вместе для получения наиболее полной и детальной информации.

— Насколько лунные образцы, доставленные миссиями, могут дополнить или скорректировать данные, полученные по метеоритам? Есть ли принципиальная разница между метеоритным и «местным» лунным материалом для ваших измерений?

— Лунный метеорит — это всегда рулетка с неизвестным местоположением. Невозможно привязать результаты к конкретному району Луны и, соответственно, геодинамической обстановке. Только общие соображения о геологической истории Луны.

Доставленные образцы — это привязка к конкретному району Луны, типу пород и этапу развития планеты. Также это гарантированно «ювенильное» (исходно чистое) вещество, не подверженное земному «загрязнению», которое подчас очень трудно оценить.

— Ваше исследование поддержано грантом РНФ. Что позволило сделать это финансирование и какие следующие шаги вы видите для развития темы — в частности, в контексте сравнения земных и лунных магматических систем?

— Финансирование РНФ позволило создать приборный комплекс для получения ИК-спектров минералов и содержащихся в них газов. В свою очередь, это подтолкнуло теоретические и экспериментальные исследования пород в лунных условиях — с учетом космического выветривания, степени раздробленности и т. д. Чтобы получить более полную картину, мы стали подтягивать другие методы анализа и учиться сопрягать данные вместе. Очень перспективны изотопные исследования воды и летучих, «запакованных» в лунных минералах. Это очень тонкий анализ сверхмалых концентраций, и мы начали разрабатывать специальные приставки к стандартному оборудованию, чтобы получить достоверные данные. Необходима отработка методики на земных магматических породах.

— Если говорить шире: что ваши результаты меняют в нашем понимании дифференциации планетного вещества и роли fO2 в этом процессе? Можем ли мы уже сейчас говорить о какой-то общей закономерности для Земли и Луны?

— Пока мы исследовали только один лунный метеорит — NWA 7611. Это уникальный образец, но его явно недостаточно для расширения нашего понимания состава и эволюции лунных недр. Необходимы анализы лунных метеоритов самых разных типов, чтобы что-то утверждать. Предварительно общей закономерности для Земли и Луны не просматривается в силу их разной гравитации, химического состава пород и пр. Наши результаты могут помочь в определении этих и других факторов, их весомости и вклада в уникальные пути развития каждой планеты.

— И последний вопрос: есть ли у вас гипотеза, которую вы хотели бы проверить в первую очередь, если бы у вас был доступ к свежему лунному грунту?

— Я бы проверил наличие и изотопный состав «ювенильных» воды и газов, хранящихся глубоко в кристаллической решетке минералов. Это открытый сейчас вопрос, имеющий и фундаментальное, и прикладное значение. От этого зависит, как и из чего создавалась Луна, какой лед мы можем найти в кратерах на полюсах и многое другое. Если изотопный состав воды «легкий», как на Земле,— это одна история, а если «тяжелый» — то совсем другая.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки