Планетологи нашли в древней истории Марса взрывное извержение кислой магмы

Ученые промоделировали образование комплекса минералов, найденного марсоходом «Кьюриосити» в породах кратера Гейл и включающего редкий минерал тридимит. Оказалось, что их совместному возникновению наилучшим образом удовлетворяют условия взрывного извержения вулкана, который питала магма кислого состава, с последующим осаждением пепла в озере, существовавшем в кратере Гейл 3,7–3,0 миллиарда лет назад. Об исследовании сообщает статья в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Марсианский кратер Гейл примечателен тем, что долгая история формирования некогда заполнявших его отложений доступна для прочтения в слоях центральной возвышенности — горы Шарп (Эолида). С 2012 года в рамках исследовательской миссии NASA «Марсианская научная лаборатория» (MSL) этим занимается марсоход «Кьюриосити». Благодаря ему ученые смогли надежно подтвердить высказанное ранее предположение о том, что кратер в гесперийском периоде, 3,7–3,0 миллиарда лет назад, представлял собой водный бассейн. Время от времени он пересыхал — об этом говорит обнаруженное в слоях горы Шарп переслаивание эоловых и озерно-аллювиальных отложений.

По данным, которые добывает «Кьюриосити», ученые постепенно уточняют стратиграфию нижней части горы Шарп, а также определяют минеральный и химический состав пород из различных слоев. Самые древние отложения — в подошве горы — исследователи объединяют в группу формаций Брэдбери, в которой перемежаются слои озерных аргиллитов, речных конгломератов и косослоистых песчаников дельтового происхождения. Выше лежит группа Маунт-Шарп, в основании которой выделяют формацию Мюррей, в основном сложенную аргиллитами и в меньшей степени — дельтовыми песчаниками.

Нижняя пачка слоев формации Мюррей подробно изучена марсоходом на обнажении Парамп-Хиллз мощностью около 25 метров. В районе под названием Перевал Марайас по итогам анализа проб, взятых при бурении на площадке Бакскин, в 2016 году «Кьюриосити» обнаружил в пробе аргиллита минерал тридимит — разновидность кремнезема SiO₂, которая образуется при высокой температуре и низком давлении. Последующие исследования показали, что мощность слоя, богатого кремнеземом и в том числе содержащего тридимит, достигает метра, а простирается он не менее чем на 17 километров.

Тридимит иногда встречается в составе метеоритов, но на Земле он чрезвычайно редок. В одном случае этот минерал был найден в кернах из Чесапикского ударного кратера у побережья США. Другие местонахождения — это области кислого вулканизма; там тридимит кристаллизовался из вязкой магмы, содержавшей много — от 64 до 78 процентов — кремнезема (такую магму называют риолитовой). Поэтому ученые сразу предположили, что на Марсе образование тридимита, скорее всего, тоже связано с кислым вулканизмом.

Американские исследователи во главе с Валери Пейре (Valérie Payré) из Университета Северной Аризоны попытались установить, каким был наиболее вероятный сценарий образования содержащего тридимит слоя в кратере Гейл. Ученые применили моделирование процессов кристаллизации в риолитовой магме, а затем определили, какой из возможных путей миграции ее продуктов привел к наблюдаемому соотношению минеральных компонентов в пробах с площадки Бакскин.

Анализ, выполненный «Кьюриосити» с помощью спектрометров CheMin и APXS, показал, что массовая доля SiO₂ в осадочной породе из этих проб составляет более 70 процентов. Из них 15,6 процента приходится на тридимит, 2,8 процента на кристобалит и около 54 процентов на аморфный кремнезем (большей частью в форме опала). Ниже- и вышележащие слои содержат значительно меньше кремнезема. Остальные компоненты минерального комплекса с площадки Бакскин — это полевые шпаты (в основном плагиоклаз, которого почти 20 процентов), магнетит и ангидрит.

Моделирование показало, что наиболее предпочтительный вариант образования большого количества тридимита — быстрое охлаждение изначально горячей (не менее 870 градусов) риолитовой магмы. При таком охлаждении тридимит не замещается кварцем, а претерпевает серию фазовых превращений и приходит к такой кристаллической форме, какая была обнаружена марсоходом. До начала резкого охлаждения в магматическом очаге уже кристаллизовались плагиоклаз и, возможно, кристобалит.

Пейре и ее коллеги полагают, что эта кислая магма, скорее всего, быстро охладилась в условиях взрывного вулканического извержения. Интенсивного пеплопада в кратере Гейл не было, иначе он оставил бы слой тефровых отложений, который здесь отсутствует. Однако частицы пепла все же попали как в озеро, заполнявшее кратер Гейл, так и в речные потоки, которые в него впадали. Водный перенос этих частиц мог способствовать дополнительной концентрации продуктов извержения в осаждавшемся слое, так что содержание тридимита в самом пепле, вероятно, было даже меньше, чем обнаружено в аргиллите Бакскина.

В пользу гипотезы о вулканическом взрыве говорит резкий пик содержания тридимита в одном слое Парамп-Хиллз. Установить, какой вулкан взорвался, пока не представляется возможным. Например, на расстоянии около 2100 километров от кратера Гейл находится древний вулкан Apollinaris Mons («Аполлонова гора»). Его взрывная активность в начале и середине гесперийского периода оставила на вершине след в виде большой кальдеры и, предположительно, послужила источником протяженных пирокластических отложений. Но для сравнения с продуктами кислого вулканизма в пробах Бакскина необходимо определить состав пепла Аполлоновой горы. Впрочем, источник — кальдера, которую легко принять за деградировавший ударный кратер, — мог располагаться и ближе к кратеру Гейл. А количество пепла, попавшее в озерно-аллювиальные отложения, зависело от направления эруптивного облака.

N + 1 регулярно рассказывает об исследованиях Красной планеты с помощью марсоходов — не только прибывших на Марс в 2021 году роверов «Персеверанс» и «Чжужун», но и ветерана «Кьюриосити». В частности, он зафиксировал в углероде из пород кратера Гейл экстремально низкое содержание изотопа ¹³C и нашел каменный кустик из осажденных в древнем озере минералов.