Изотопы магния рассказали историю формирования поверхности Луны

Американские исследователи проанализировали изотопный состав магния в образцах лунных пород и обнаружили, что базальты на Луне сформировались при плавлении различных частей магмы, которые образовались в результате ее кристаллизации. Более того, оказалось, что изотопный состав магния на Луне аналогичен составу внутренней солнечной системы. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

После завершения американской программы «Апполон», помимо несанкционированных конвертов, на Землю привезли образцы лунного грунта. Уже первые исследования показали, что их изотопный состав сильно отличается в зависимости от места отбора пробы. Эти выводы привели к созданию гипотезы о существовании лунного магматического океана, из которого сформировалась кора небесного тела. Считается, что наименее плотные породы (анортозиты) всплыли к поверхности кристаллизующейся магмы, а более плотные опустились вниз, образуя оливиновые и пироксеновые слои. Согласно одной из гипотез, наиболее молодые лунные базальтовые моря (темные пятна застывшей лавы на поверхности Луны) появились в результате извержения переплавленных частей лунного магматического океана. Чтобы проверить это предположение, ученые из Гарвардского университета Фатима Седагатпур (Fatemeh Sedaghatpour) и Штейн Якобсен (Stein B. Jacobsen) впервые проанализировали изотопный состав магния в образцах, богатых магнием, и железистых анортозитов.

Соотношение изотопов элемента в образце может многое сказать о его происхождении и возрасте. Изотопный состав элемента в породе уникален, как отпечатки пальцев человека. Дело в том, что при фазовых переходах (из одного агрегатного состояния в другое), разные изотопы одного элемента предпочитают находится в разных состояниях. К примеру, когда водный пар конденсируется, концентрация более тяжелых изотопов (¹⁸O и ²H) выше в жидкой фазе, а более легких (¹⁶O и ¹H) — в газовой.
Чтобы проследить эволюцию магматических слоев, авторы провели высокоточный изотопный анализ магния в лунных объектах разных типов и возрастов, включая древние магнийсодержащие породы, базальты, анортозиты, брекчии и лунные метеориты. Образцы растворили в смеси сильных кислот под воздействием микроволнового излучения, отделили мешающие компоненты смеси и определили изотопный состав методом мультиканальной масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Этот метод позволяет очень точно определить малые концентрации ионов по отношению их массы к заряду.

Учитывая предыдущие модели эволюции геологического состава Луны, авторы новой работы предложили свою. Она показывает, что изотопные составы как магния, так и железа в лунных базальтах объясняются моделью кумулятивного повторного плавления океана лунной магмы, которая предполагает, что более поздние базальтовые моря появились в результате выброса отдельных частей ранее закристаллизовавшейся магмы. Изотопы магния сохраняют признаки дифференциации (расслоения) лунной магмы. А изучение изотопного состава магния в сочетании с этой моделью показывает, что силикатные породы Луны и Земли похожи. Однако, как предполагают ученые, состав лунных базальтов — не лучший представитель силикатных пород, так как изотопные составы некоторых из анализируемых базальтов не соответствовали рассчитанным. 

Изучением происхождения и эволюции Луны занимаются уже давно. В одной из подобных работ ученые смоделировали процесс кристаллизации океана лунной магмы в присутствии воды и без, чтобы узнать участвовала ли она в образовании лунных пород.

Алина Кротова