Гранат из глубин мантии Марса может хранить в себе секрет древней магмы

Фото из открытых источников

История вулканической активности планеты содержится в её горных породах. А марсианские породы — или, по крайней мере, многие метеориты, совершившие путешествие с Марса на Землю, — рассказывали противоречивую историю. Они казались сильно окисленными, но наше понимание внутренних вулканических сил на Марсе означало, что они должны были образоваться в восстановительной среде — прямо противоположно тому, что указывают сами химические свойства пород. Теперь новая статья, опубликованная в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, от планетологов Хидехару Кувахары и Рёичи Накады из Университета Эхиме, даёт ответ на этот вопрос — и он связан с драгоценным камнем.

Это не значит, что это тот тип драгоценного камня, который ювелир стал бы вставлять в кольцо. Но мажорит, разновидность граната, образующаяся только под огромным давлением и при высоких температурах глубоко в мантии планет, по-видимому, является причиной противоречивых сигналов, связанных с породой. Но чтобы понять почему, давайте сначала немного подробнее рассмотрим историю геологии Марса.

Когда планета впервые сформировалась четыре с половиной миллиарда лет назад, её тяжёлые металлы были притянуты к центру и образовали богатое железом ядро, подобное земному. В присутствии чистого металла, как в ядре планеты, химические реакции обычно приводят к немедленному удалению кислорода, создавая так называемую восстановительную среду. Недавно миссия НАСА InSight также подтвердила наличие 150-километрового слоя расплавленной силикатной породы непосредственно над ядром — того, что мы обычно называем «мантией». Поскольку она образуется в присутствии такого высокого уровня чистого металла, она также должна быть чрезвычайно восстановленной. Однако данные, полученные из метеоритов и образцов марсианской коры, показывают, что они чрезвычайно окислены.

Это главное противоречие, которое исследователи попытались разрешить, и они предположили, что в этом может быть замешан майорит. На Марсе он образуется у основания мантии — прямо над сильно восстановительным ядром — при давлении около 18 гигапаскалей, или в 180 000 раз превышающем атмосферное давление на уровне моря. Поэтому, чтобы увидеть, как этот кристалл ведет себя в таких условиях, авторам пришлось подвергнуть его воздействию той же среды.

Для этого они использовали массивный гидравлический пресс, который сжимал синтетическую марсианскую породу между блоками карбида вольфрама внутри крошечных алмазных капсул. Поскольку породы состояли из силикатов, при чрезвычайно высоком давлении и температуре в них образовывался бы мажорит — тип силикатного кристалла. Поэтому они также повысили температуру системы примерно до 2150–2200 градусов Цельсия и насытили её металлическим железом, чтобы попытаться имитировать «восстановительные» условия вблизи ядра планеты.

После того как образцы были достаточно нагреты и подвергнуты давлению, исследователи дали им остыть, а затем доставили в синхротронный комплекс SPring-8, расположенный примерно в 250 км от места исследования. Внутри синхротрона образцы были облучены рентгеновскими лучами, чтобы изучить, как железо было связано с минеральными зернами, образовавшимися под воздействием сильного нагрева и давления.

Согласно статье, мажорит действовал почти как железная губка, впитывая большое количество окисленного трехвалентного железа непосредственно в свою кристаллическую структуру. От 11% до 21% железа, заключенного внутри кристаллов мажорита, было окислено, что значительно превышало процентное содержание в окружающих силикатах, также образовавшихся в ходе эксперимента. И в этом заключается ответ на противоречие.

По мере кристаллизации недр Марса из расплавленной породы вокруг него начал выпадать мажорит. Затем он захватывал часть трехвалентного железа, которое в противном случае растворилось бы в восстановительном базальном слое. В конечном итоге, постоянное движение мантии планеты выталкивало бы эти богатые мажоритом породы ближе к поверхности, иногда выбрасывая окисленные вулканические породы на поверхность и даже в космос, когда извергались такие вулканы, как Олимп.

Это исследование также имеет значение для понимания внутренних процессов Земли. Поскольку диаметр Земли примерно вдвое больше диаметра Марса, у неё гораздо более глубокая мантия, что позволяет другому минералу, бриджманиту, преобладать в её нижних слоях, вблизи ядра. Учёные уже знают, что бриджманит может содержать огромное количество железа — даже больше, чем мажорит, — поэтому глубокая мантия Земли заметно химически расслоена. Однако по мере подъёма мантии бриджманит вынужден превращаться в мажорит, высвобождая при этом часть своего трёхвалентного железа в окружающую породу, по сути, окисляя переходную зону мантии снизу.

В конечном итоге, эта статья связывает химические признаки, наблюдаемые в метеоритах, с тем, как кристаллы реагируют под давлением в присутствии расплавленного металла. Хотя эти два явления могут показаться не напрямую связанными, особый вид драгоценных камней, образующихся только глубоко в мантии каменистых планет, обеспечивает связь, которая может сохраняться миллиарды лет.