Минерал на Марсе свидетельствует о недавних вулканических изменениях

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, идентифицирует сульфат железа на Марсе, который может представлять собой совершенно новый минерал. 

Сера широко распространена на Марсе и в сочетании с другими элементами образует минералы, особенно сульфаты. Хотя большинство сульфатов хорошо растворяются на Земле во время дождей, на сухой поверхности Марса эти минералы могут сохраняться миллиарды лет, храня важные сведения о ранней истории планеты.

Каждый минерал обладает уникальной кристаллической структурой и свойствами, включая распространённые минералы гипс и гематит. Ученые используют данные, собранные марсианскими орбитальными аппаратами, для идентификации минералов на поверхности и получения информации о прежних условиях на Марсе, которые могли способствовать их образованию.

Почти 20 лет исследователи ломали голову над необычными слоистыми сульфатами железа с уникальной спектральной сигнатурой. Исследование под руководством Джанис Бишоп из Института SETI и Исследовательского центра Эймса НАСА в Кремниевой долине, Калифорния, позволило обнаружить и охарактеризовать необычную фазу гидроксисульфата железа, объединив лабораторные эксперименты с орбитальными наблюдениями за Марсом.

Это открытие позволяет по-новому взглянуть на то, как тепло, вода и химические реакции формируют поверхность Марса.

«Мы исследовали два сульфатосодержащих участка вблизи обширной системы каньонов Долины Маринера, которые включали загадочные спектральные полосы, обнаруженные по орбитальным данным, а также слоистые сульфаты и интригующую геологию», — сказал Бишоп.

Исследование охватило регион под названием Арам-Хаос, расположенный к северо-востоку от Долины Маринера, где древняя вода стекала в более низкие регионы на севере, а также плато над Ювенте-Чазмой, каньоном глубиной 5 км, расположенным к северу от Долины Маринера.

Этот район, расположенный недалеко от скал долины Маринера, хранит ключи к более влажному прошлому Марса. В ландшафте видны следы древних водных каналов, но учёные обнаружили сульфаты лишь в одном небольшом низинном месте, вероятно, оставшемся после медленного высыхания водоёмов с богатой сульфатами водой, в результате чего образовались гидратированные сульфаты железа.

Эти минералы, включая гидроксисульфат железа, появляются в виде тонких слоев метровой толщины, залегающих как над, так и под базальтовыми материалами, что позволяет предположить, что они были нагреты от лавы или пепла после образования.

«Изучение морфологии и стратиграфии этих четырёх составных единиц позволило нам определить возраст и формационные связи между различными единицами», — отметила соавтор исследования Кэтрин Вайц из Института планетологии.

Исследователи обнаружили сульфатные минералы по всему региону Долины Маринера, в том числе в пересеченных ландшафтах, известных как хаотичные местности, — областях, которые, по их мнению, были сформированы и вырезаны мощными наводнениями в прошлом.

По мере постепенного высыхания воды, остались слоистые отложения сульфатов железа и магния – едва заметные, но убедительные свидетельства того, что Марс когда-то был гораздо более влажным. В хаотичном ландшафте, образовавшемся внутри бывшего ударного кратера, верхние слои содержат полигидратированные сульфаты, а ниже залегают моногидратированные и гидроксисульфатные слои железа.

Каждый из этих трёх сульфатов обладает уникальными спектральными признаками, которые можно идентифицировать с орбиты с помощью инструмента CRISM. Хотя стратиграфия этих трёх сульфатов изначально вызывала недоумение, лабораторные исследования показали, что нагревание полигидратированных сульфатов до 50°C приводит к образованию моногидратированных форм, а нагревание выше 100°C — к образованию гидроксисульфата железа, что подтверждает предположение о том, что геотермальное тепло вызвало трансформацию минералов.

Моногидратированные и полигидратированные сульфаты встречаются повсеместно, в то время как гидроксисульфат железа (III) ограничен лишь несколькими небольшими регионами. Самые тёплые геотермальные источники, вероятно, располагались под участками, где сегодня встречается гидроксисульфат железа (III), хотя под моногидратированными сульфатами может находиться и большее их количество.

Исследователи из Института SETI и NASA Ames провели лабораторные эксперименты, чтобы определить, как трансформировались эти сульфаты — из розенита (Fe2 + SO4 · 4H2O) с четырьмя молекулами воды на элементарную ячейку, в самольнокит (Fe2 + SO4 ·H2O) с одной и, наконец, в гидроксисульфат железа, который содержит в своей структуре OH вместо H2O.

«Наши эксперименты показывают, что этот гидроксисульфат железа образуется только при нагревании гидратированных сульфатов железа в присутствии кислорода», — сказал Йоханнес Мойсбургер из NASA Ames. «Хотя изменения в атомной структуре очень незначительны, эта реакция радикально меняет способ поглощения этими минералами инфракрасного света, что позволило идентифицировать этот новый минерал на Марсе с помощью CRISM».

Для этой реакции требуется газообразный кислород, и в результате образуется вода. Сегодня Марс имеет разреженную атмосферу, состоящую в основном из CO2, но кислорода в ней всё ещё достаточно для протекания этой реакции, а также для окисления других форм железа.

«Материал, полученный в ходе этих лабораторных экспериментов, вероятно, является новым минералом благодаря своей уникальной кристаллической структуре и термической стабильности», — сказал Бишоп. «Однако учёным необходимо найти его на Земле, чтобы официально признать его новым минералом».

Интересно, что этот новый гидроксисульфат железа по своей структуре похож на сомольнокит, моногидратированный сульфат железа, однако гидроксисульфат железа легче образуется из розенита, тетрагидратированного минерала.

Это превращение гидратированных сульфатов железа (II) в гидроксисульфат железа (III) происходит только при температуре выше 100°C, что значительно выше обычной температуры на поверхности Марса. Сульфаты в Арам-Хаосе и Ювенте, включая гидроксисульфат железа (III), вероятно, образовались позже, чем сама местность, в которой они встречаются, возможно, в амазонский период (<3 млрд лет назад).

В этом исследовании показано, что тепло вулканической активности на плато Ювенте и геотермальная энергия под Арам Хаосом могут преобразовывать обычные гидратированные сульфаты в гидроксисульфат железа.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что некоторые части Марса были химически и термически активны гораздо позже, чем считали ученые, что открывает новые возможности для понимания динамики поверхности планеты и ее потенциала для поддержания жизни.