Молодость породивших шерготтиты марсианских вулканов подтвердили аргон-аргоновым методом

Ученые определили возраст пород в шерготтитах (метеоритах марсианского происхождения) с использованием усовершенствованной методики аргон-аргонового датирования. Результаты ― от 189 до 540 миллионов лет, ― в отличие от полученных ранее, согласуются с датировками, которые были проведены другими радиоизотопными методами, и подтверждают, что шерготтиты происходят из молодых вулканических отложений на поверхности Марса. Отчет об исследовании опубликован в Earth and Planetary Science Letters.

Шерготтитами называют класс метеоритов марсианского происхождения, вещество которых образовано излившимися на поверхность Марса лавами. При ударах крупных астероидов фрагменты этих пород были выброшены в космос, и некоторые из них достигли Земли. Вопрос об их датировке тесно связан с прояснением истории вулканизма Красной планеты. Различные методы радиоизотопного датирования дают для шерготтитов значения возраста от 160 до 475 миллионов лет, и это означает, что столь же молоды и их вулканические источники. Тем не менее возраст кристаллизации пород этих метеоритов долгое время оставался источником споров. Дело в том, что, применяя аргон-аргоновый изотопный хронометр, исследователи получали совсем другие результаты: шерготтиты оказывались на 25 и даже более процентов старше. Еще один метод ― свинец-свинцовый ― стал источником противоречий в датировках шерготтитов, определяя их возраст более чем в четыре миллиарда лет.

Аргон-аргоновый метод, в котором используется соотношение изотопов ³⁹Ar/⁴⁰Ar, ― это вариант калий-аргонового датирования, разработанный для повышения точности измерений. Аргон-39 в исследуемой пробе получают из стабильного калия-39, облучая ее нейтронами, а затем рассчитывают количество калия-40 (материнского изотопа) в пробе, исходя из постоянства отношения ⁴⁰K/³⁹K. Этот метод свободен от погрешностей, связанных с измерением калия в гетерогенных образцах, и не требует разделения пробы для измерения количеств калия и аргона, позволяя экономить материал уникальных образцов, таких как метеориты. Кроме того, он показывает, была ли система изотопов в исследуемом минерале открыта, то есть теряла аргон или приобретала его излишек. Однако метод очень чувствителен к поправкам и зависим от выбора образца, а также требует одновременного облучения надежно датированного эталона и точного подбора плотности нейтронного потока ― для минимизации эффекта от побочных реакций.

Разрешить противоречия в датировках шерготтитов, возникающие при использовании аргон-аргонового метода, попытались Бенджамин Коэн (Benjamin E. Cohen) из Исследовательского центра шотландских университетов по делам окружающей среды совместно с американскими и британскими коллегами. Ученые исследовали пробы минералов из семи шерготтитов (от 11 до 60 проб с одного метеорита) с помощью усовершенствованной методики измерений и обработки данных. Она позволила добиться повышения точности поправок, необходимых для того, чтобы вычесть примеси атмосферного аргона-40.

Во-первых, исследователи уточнили поправки на содержание космогенного аргона, влияющие на учет атмосферных примесей. Для этого содержание изотопов ³⁶Ar и ³⁸Ar, образующихся под воздействием космических лучей в определенном соотношении, измеряли поэтапно, начиная с необлученных проб, так как при нейтронном облучении эти изотопы также образуются. Затем для каждого метеорита построили свой график изотопных корреляций ⁴⁰Ar и ³⁶Ar, соотношение которых в земной и марсианской атмосферах различно. Так ученые установили, сколько аргона захватил каждый из них из атмосферы Марса, будучи выбитым с поверхности, и сколько принял с тех пор, как оказался на Земле. Наконец, анализу подвергали не один, а несколько минералов метеоритной породы. Это увеличило разброс данных на графиках изотопных корреляций и дало возможность получить максимум статистически значимых точек для построения изохрон.

Такой подход, при котором все поправки, позволяющие выделить «чистый» радиогенный аргон-40, рассчитывались индивидуально для каждого метеорита, принес положительные результаты. Ученым удалось построить изохроны, увязывающие соотношения изотопов ³⁶Ar/⁴⁰Ar (атмосферный захват) и ³⁹Ar/⁴⁰Ar (изотопный возраст) для шести метеоритов (один содержит переменную смесь земного и марсианского атмосферного аргона, и применить к нему уточненную методику не удалось). У четырех шерготтитов «атмосферное» соотношение оказалось очень близко к марсианскому, и они действительно попали на Землю относительно недавно. У двух, находящихся на Земле, видимо, более 60 тысяч лет, земной воздух проник в структуру минералов и теперь доминирует над любым марсианским атмосферным сигналом. Но в обоих случаях графики дали возможность установить изохронные возрасты: от 161 ± 9 до 540 ± 63 миллиона лет. Эти результаты оказались очень близки к полученным ранее другими методами.

Поправки на космогенный аргон показали, что астероидные удары выбили шерготтиты с Марса в разное время, и скорее всего, эти события произошли в разных точках планеты. Ударные условия при этом были неодинаковы. Но переплавлению, высвобождающему аргон и обнуляющему радиоизотопные часы, шерготтиты не подверглись, а лишь испытали ударный разогрев ― в одном случае примерно до 800 градусов. Это могло бы вызвать потерю аргона и «омолодить» породу при долгом остывании. Однако оно длилось лишь несколько часов, и потери даже в единственном экстремальном случае не превысили 18 процентов. Что касается огромного расхождения с результатами датировок по свинцу, Коэн и его коллеги склоняются к мнению, что последние указывают не на возраст кристаллизации породы, а на изотопное фракционирование, происходившее при дифференциации древней марсианской мантии. Уточнение же аргоновых датировок подтверждает, что шерготтиты происходят из самых молодых вулканических регионов Марса, таких как Фарсида с горой Олимп, Элизий или Амазония, где слой реголита тонок, что способствовало выбросу пород при ударах.

Ранее N + 1 рассказывал, как ученые нашли следы взрывного извержения кислой магмы в древней истории Марса, опознали фрагмент протопланетной коры в найденном в Сахаре метеорите, а в ходе его анализа узнали о неоднородном распределении изотопа алюминия в ранней Солнечной системе.