Диаметр его верхней части достигает 4000 км ― как у плюмов на Земле
Планетологи обнаружили признаки существования на Марсе активного плюма — поднимающейся из мантии струи вещества под равниной Элизий. На Земле над такими плюмами могут формироваться супервулканы. Основываясь на геофизической модели, на топографии кратеров и сейсмических данных, ученые оценили диаметр головы плюма в четыре тысячи километров — примерно такие же размеры у земных плюмов, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.
Период интенсивного вулканизма пришелся на раннюю историю Марса ― нойский (приблизительно 4,1–3,5 миллиарда лет назад) и гесперийский (около 3,5–3,2 миллиарда лет назад) периоды. Считается, что в это время появились гигантские щитовые вулканические постройки, такие как гора Элизий или вулканы Фарсиды, и трапповые провинции, например, плато Гесперия. Их развитие ученые связывают с мощными и стабильными восходящими потоками мантийного вещества ― плюмами.
В земной мантии тоже есть плюмы, иногда над ними возникают супервулканы, такие как Тоба и Йеллоустон, или районы активного вулканизма там, где плиты расходятся, например, в Исландии (об исландском вулканизме читайте в наших материалах «Сага о вулкане» и «Скандинавские тряски»).
Но большинство вулканов на Земле возникает в зонах субдукции, где одна литосферная плита ныряет под другую, а на Марсе тектоника плит отсутствует. Там древние вулканы оставались над своими источниками ― плюмами ― очень долго и росли на протяжении десятков и сотен миллионов лет.
В течение следующего, амазонийского периода, который продолжается и сейчас, вулканическая деятельность на Марсе ослабла и проявлялась лишь эпизодически, в ограниченном масштабе. Так, щитовой вулкан Элизий в последний раз извергался, по-видимому, около 60 миллионов лет назад, а возраст самых молодых лавовых потоков горы Олимп составляет всего два миллиона лет.
Однако недавно ученые получили свидетельства, что динамические процессы в марсианских недрах не прекратились до сих пор. Их проявления локализуются на равнине Элизий, к юго-востоку от одноименного вулкана. Изучая физические свойства и альбедо пород равнины Элизий по снимкам высокого разрешения c орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), планетологи обнаружили пирокластические отложения, образовавшиеся примерно от 210 до 53 тысяч лет назад. Они частично перекрывают лавовые поля возрастом менее 20 миллионов лет.
Равнину Элизий пересекает система разломов ― так называемые Борозды Цербера. Предполагается, что именно они послужили источником пирокластических выбросов общим объемом 11–28 миллионов кубических метров.
Данные, собранные станцией InSight начиная с февраля 2019 года, показали, что Борозды Цербера ― это центр сейсмической активности, которую вызывают процессы в магматическом резервуаре у подошвы коры. Причиной появления такого резервуара может быть как очаговое плавление на границе мантии и утолщенной коры или в мелкомасштабной конвективной ячейке, так и нагрев от восходящего потока в мантии.
Чтобы выяснить, как образуется магма под Бороздами Цербера, планетологи из Аризонского университета Адриен Броке (Adrien Broquet) и Джеффри Эндрюс-Ханна (Jeffrey Andrews-Hanna) привлекли геофизические и топографические данные. В основу модели они положили данные измерений гравитационных аномалий, учли наклон дна кратеров, а затем рассчитали поле напряжений коры в области Борозд Цербера.
Для анализа распределения аномалий силы тяжести ученые использовали глобальную карту аномалий GMM-3, построенную на данных о колебаниях высоты орбит трех аппаратов ― MGS, Mars Odyssey и MRO.
На этой карте был выбран участок равнины Элизий, протянувшийся в меридиональном направлении на достаточном удалении от массивной вулканической постройки, чтобы исключить ее вклад в аномалии. Оказалось, что профиль участка характеризуется положительной аномалией величиной до 50 миллигал. Эта аномалия отражает существование в коре крупной возвышенной структуры. Броке и Эндрюс-Ханна предположили, что своим возникновением она обязана мантийному плюму.
Гал ― единица измерения ускорения в системе СГС, получившая название в честь Галилео Галилея. Гал равен одному сантиметру в секунду за секунду, и при расчетах аномалий силы тяжести гравиметристы используют именно эту единицу. Так что 50 миллигал составляют 5 × 10–4 метров в секунду за секунду.
Исследователи промоделировали поднятие коры под воздействием плюма и получили результат, близкий к наблюдаемому рельефу в районе Борозд Цербера. Его топографические профили по направлениям север—юг и запад—восток показывают, что уровень поверхности здесь повышается примерно на километр относительно окружающей территории.
О том, что поверхность равнины Элизий вздувается, говорит и наклон дна кратеров вблизи разломов. Большинство импактных структур в исследуемой области оказались сильно разрушены или недостаточно велики для того, чтобы можно было уверенно определить наклон. Однако ученые нашли три кратера диаметром более 30 километров, практически не затронутых эрозией. Они аппроксимировали гладкими поверхностями профили этих кратеров в направлении на центр аномалии и получили хорошее соответствие с моделью приподнятой плюмом коры.
Расчет поля тектонических напряжений в этой модели показал, что кора в районе аномалии испытывает растяжение, а вокруг нее ― сжимается. Это сжатие носит глобальный характер и связано с остыванием Марса. Поэтому разломы Борозд Цербера находят объяснение только при введении плюма в модель напряжений. В его верхней части («голове») и в подошве литосферы возникают очаги плавления, и магма устремляется в ослабленные зоны коры, образуя дайковые интрузии. Разломы ― следствие этого процесса. Релаксация напряжений сопровождается марсотрясениями, что и подтверждают данные InSight.
Броке и Эндрюс-Ханна оценили диаметр головы плюма в 3600–4000 километров, что сопоставимо с размерами аналогичных структур на Земле, а толщину― в 200–500 километров. Проекция центра на поверхность отстоит от эпицентров ближайших марсотрясений всего на 200 километров.
Ограничения на толщину подпираемой плюмом коры установить пока трудно. Однако ученые указывают, что ее наращивание за счет внедрения интрузий необходимо учитывать при интерпретации данных сейсмографа SEIS на аппарате InSight. Его посадочная площадка расположена над головой плюма. Еще одна трудность в использовании данных InSight может возникнуть из-за того, что положительная термальная аномалия головы, которая должна составлять от 95 до 285 кельвин, локально понизит скорость поперечных сейсмических волн.