Формирование Марса и его геологическая эволюция вовсе не сопровождались активным перемешиванием мантии, как предполагалось ранее, поскольку в ней выделяются несколько обособленных резервуаров воды. К такому выводу пришли ученые, проанализировав изотопный состав водорода в марсианских метеоритах. Статья опубликована в Nature Geoscience.
Марс, как и Земля, состоит из ядра, мантии, коры и атмосферы. Эти планеты формировались примерно в одно время, проходя через стадии аккреции вещества, его дифференциации на разные структурные компоненты и дальнейшей термохимической эволюции. Считается, что после аккреции поверхность планет какое-то время была покрыта сплошным океаном магмы, в котором в результате постоянной бомбардировки крупными телами вещество активно перемешивалось, после чего произошло формирование коры, мантии и ядра. Как изначально была распределена вода в структурных компонентах Марса, каким был ее изотопный состав, можно понять, анализируя марсианские метеориты, данные астрономических наблюдений и марсианских миссий — от орбитальных станций до посадочных модулей и марсоходов.
Информация, полученная из всех этих источников, говорит нам, что на Марсе есть как минимум два резервуара воды, отличающихся по изотопному составу. Резервуар в данном случае подразумевает не водоем, а вообще воду, которая содержится в некой среде. Первый из них сосредоточен в атмосфере и полярных шапках планеты, второй, предположительно, относится к первичной марсианской мантии. Отношение дейтерия — тяжелого изотопа водорода — и обычного водорода (D/H) в этих двух резервуарах отличается примерно в пять раз: от 9,3×10-4 до 1,99 ×10-4. Дейтерия в атмосфере при этом больше, поскольку легкие изотопы водорода быстро улетучиваются.
Анализ изотопного состава водорода в марсианских метеоритах и в породах на поверхности Марса показывает различные соотношения D/H, которые лежат между этими двумя крайностями. До сих пор этот разброс объясняли взаимным смешиванием либо земным загрязнением. Однако при этом нет однозначного доказательства того, что на Марсе когда-то имела место такая же тектоника плит, как на Земле, а в ее отсутствие кора выступает как физико-химический барьер между атмосферой и мантией. Поэтому непонятно, было ли когда-то в истории Марса активное перемешивание пород.
Джессика Барнс (Jessica Barnes) и ее коллеги из Великобритании и Германии исследовали при помощи вторично-ионной масс-спектрометрии образцы двух марсианских метеоритов — Allan Hills (ALH) 84001 и Northwest Africa (NWA) 7034, которые, предположительно, испытали воздействие жидких и газообразных компонентов коры Марса — первый 3,9 миллиарда лет назад, второй — 1,5 миллиарда лет назад. Единственным общим для этих образцов минералом, который содержит воду, был апатит. Его анализ показал, что в пределах погрешностей изотопное отношение было одинаковым в обоих метеоритах — между 3,12 × 10-4 и 4,67 ×10-4. Дейтерия в древней марсианской коре было меньше, чем в современной атмосфере планеты, и при этом изотопный состав водорода в ней оставался стабильным как минимум на протяжении 2,4 миллиарда лет, которые разделяют два метеорита.
Эти данные сравнили с изотопным составом водорода в других марсианских метеоритах — шерготтитах, или базальтовых метеоритах, которые, как считается, представляют собой результаты частичного плавления мантии. При этом уже было известно, что марсианские базальты происходят из по крайней мере двух геохимически различных областей мантии и делятся на обедненные и обогащенные.
Исследования показали, что содержание воды и соотношение D/H в изотопном составе водорода в обогащенных шерготтитах выше, чем в обедненных (36–72 миллионных долей воды и D/H (8,03 ± 0,52) × 10-4. против 14-23 миллионных долей воды и D/H 1,99 ± 0,02 × 10-4.), что противоречит гипотезе об единственном источнике воды в мантии.
Существование различных по изотопному составу водорода резервуаров в марсианской мантии говорит о том, что изотопный состав водорода в коре Марса происходит из как минимум двух мантийных резервуаров. Не исключен и третий компонент, определяемый первичными атмосферой и гидросферой в первые 660 миллионов лет истории Марса.
Тем не менее, процесс плавления под давлением не объясняет четких различий в изотопном составе водорода у обедненных и обогащенных источников. А значит, эти особенности — наследство первичных «строительных блоков», из которых сформировался Марс, что указывает на то, что мантия планеты была слабо перемешана на раннем этапе ее эволюции.
Авторы статьи отмечают, что для того, чтобы понять, почему после стадии глобального океана магмы на Марсе изотопное соотношение в мантии не выровнялось, нужны дополнительные исследования, однако очевидно, что любая новая модель формирования планеты должна будет учитывать сохранение в мантии двух резервуаров водорода, различных по изотопному составу.
Наличие и распределение воды на Марсе играет важную роль в понимании его геологической эволюции и возможной обитаемости. Считается, что на древнем Марсе было достаточно водорода для жизни примитивных микроорганизмов. А изучение следов водных потоков на поверхности помогает строить модели эволюции климата на планете.
Евгения Скареднева