В Алжире нашли необычный метеорит с Марса возрастом 1,27 миллиарда лет

На Земле обнаружен марсианский метеорит, который оказался необычным сразу по нескольким параметрам. Камень Northwest Africa 13441, или NWA 13441, нашли в Алжире ещё в 2019 году, однако его возраст и химический состав удалось подробно исследовать только недавно. Оказалось, что этот фрагмент Марса сформировался около 1,27 миллиарда лет назад и представляет собой редкое свидетельство периода геологической истории планеты, от которого почти не осталось образцов.

Особенно интересен не только возраст метеорита. Его изотопный состав отличается от состава большинства известных марсианских метеоритов и указывает на то, что источник породы мог находиться в ранее практически не изучавшейся области марсианской мантии. Исследование также показывает, что существующее собрание марсианских метеоритов далеко не полностью отражает разнообразие пород, которые когда-то формировались внутри Красной планеты.

Камень, который оказался частью Марса

NWA 13441 относится к шерготтитам — наиболее распространённой группе марсианских метеоритов. Это магматические породы, то есть они сформировались из расплавленного вещества внутри Марса, а не образовались на Земле после падения космического тела.

Марсианские метеориты появляются в результате мощных ударных событий. Когда крупный астероид сталкивается с поверхностью Марса, часть марсианской породы может получить настолько сильный импульс, что оказывается выброшенной за пределы планеты. Некоторое количество таких фрагментов покидает Марс, движется по межпланетному пространству, а затем часть из них пересекает орбиту Земли и падает на её поверхность.

Именно поэтому марсианские метеориты имеют особую научную ценность. В отличие от большинства пород, которые изучают непосредственно на Марсе с помощью посадочных аппаратов и роверов, метеориты позволяют исследовать марсианское вещество в земных лабораториях. Учёные могут применять к небольшому образцу значительно более широкий набор аналитических методов.

NWA 13441 нашли в Алжире в 2019 году. После этого исследователи провели его минералогическое, химическое и изотопное изучение. Состав кислорода, а также характерные соотношения железа и марганца в минералах подтвердили марсианское происхождение образца.

Возраст оказался главным сюрпризом

Исследователи определили возраст формирования породы примерно в 1,273 миллиарда лет. Оценка с учётом неопределённости составляет 1,273 ± 0,021 миллиарда лет. Это означает, что исходная магматическая порода кристаллизовалась примерно 1,27 миллиарда лет назад.

Сам по себе такой возраст не является рекордом среди марсианских пород. Гораздо важнее то, что он необычен именно для шерготтитов.

Большинство известных шерготтитов значительно моложе. Согласно исследованию, почти все ранее известные представители этой группы имеют возраст менее 600 миллионов лет. Исключением являются два особенно древних шерготтита — NWA 7635 и NWA 8149, возраст которых составляет около 2,4 миллиарда лет.

Получается своеобразный пробел в геологической летописи Марса. Среди известных шерготтитов практически отсутствуют образцы, относящиеся к огромному промежутку между примерно 600 миллионами и 2,4 миллиардами лет назад.

NWA 13441 оказался как раз внутри этого промежутка.

Поэтому метеорит не просто добавляет ещё одну древнюю марсианскую породу в коллекцию. Он помогает заполнить часть временного интервала, о котором по образцам марсианского происхождения известно сравнительно мало.

Почему возраст в 1,27 миллиарда лет настолько важен

История Марса насчитывает около 4,56 миллиарда лет. За это время планета пережила множество изменений: формирование коры и мантии, вулканическую активность, изменения климата и атмосферы, удары астероидов и постепенную эволюцию внутренних геологических процессов.

Однако исследовать эти события напрямую непросто. На Земле геологическая активность постоянно перерабатывает старые породы. Тектоника плит перемещает и погружает участки земной коры, горообразование изменяет породы, а эрозия разрушает поверхностные образования.

На Марсе ситуация иная. У планеты нет современной тектоники плит, подобной земной. Поэтому некоторые древние особенности её внутреннего строения могли сохраняться значительно дольше.

Именно это делает изотопный состав NWA 13441 особенно интересным. Он может содержать информацию не только о моменте образования самой породы, но и о более древнем веществе, из которого она сформировалась.

Необычный изотопный «почерк»

Одной из главных особенностей NWA 13441 оказался его изотопный состав неодима.

Неодим относится к редкоземельным элементам. В геохимии соотношения различных изотопов неодима используются для изучения происхождения пород и эволюции вещества планетарных недр.

Исследователи обнаружили в NWA 13441 изотопную характеристику, которую называют хондритовой. Она необычна для шерготтитов и не наблюдалась ранее в таком сочетании у этой группы марсианских метеоритов.

Чтобы понять значение этого результата, необходимо учитывать происхождение хондритов. Хондриты представляют собой древние метеоритные материалы, которые считаются одними из наиболее примитивных веществ Солнечной системы. Они сохранили особенности материала, существовавшего на ранних этапах формирования планет.

Поэтому сходство части изотопного состава NWA 13441 с хондритовым материалом может указывать на сохранение в Марсе древнего резервуара вещества.

Это не означает, что внутри Марса находится кусок обычного хондритного метеорита. Речь идёт о геохимическом сходстве изотопных характеристик, которое помогает реконструировать историю вещества в недрах планеты.

Что это говорит о мантии Марса

Марс, как и Земля, имеет внутреннее слоистое строение. В центре находится ядро, над ним расположена мантия, а снаружи — кора.

Магматические породы формируются из вещества, которое связано с мантией и корой. Поэтому химический и изотопный состав древнего вулканического метеорита может служить своеобразным образцом материала, находившегося внутри планеты.

Исследователи считают, что NWA 13441 мог происходить из ранее не отбиравшегося образцами марсианского резервуара. Другой вариант заключается в том, что его необычный состав возник в результате смешения материалов, связанных с уже известными типами марсианских источников.

Таким образом, работа не доказывает существование конкретного нового слоя или отдельной области мантии Марса. Она показывает, что существующие модели состава марсианских внутренних резервуаров могут быть неполными и что NWA 13441 не вписывается в привычную картину полностью.

Почему отсутствие тектоники плит имеет значение

Земля и Марс развивались по-разному.

На Земле тектоника плит постоянно перерабатывает кору. Одни участки погружаются в мантию, другие формируются заново. В результате очень древние геологические материалы часто оказываются уничтоженными или глубоко изменёнными.

Марс не демонстрирует современной глобальной системы тектоники плит. Это означает, что часть его ранней геологической истории могла сохраниться в более первозданном виде.

Исследователи связывают это обстоятельство с возможностью сохранения древних геохимических характеристик марсианской мантии. В случае NWA 13441 необычный изотопный состав может быть следствием того, что определённый участок внутреннего вещества Марса оставался относительно слабо изменённым на протяжении миллиардов лет.

Однако важно различать сохранение древнего химического состава и отсутствие геологической активности. Марс не является полностью геологически «мёртвым» телом. Его история включает масштабный вулканизм, магматические процессы и другие изменения. Речь идёт именно о том, что некоторые особенности внутреннего вещества могли сохраняться значительно дольше, чем аналогичные особенности земной коры.

Порода родилась недалеко от границы коры и мантии

Минералогический анализ NWA 13441 дал ещё одну важную информацию.

Исследователи определили условия, при которых происходила кристаллизация минералов, и пришли к выводу, что процесс начался вблизи границы между марсианской корой и мантией.

Сам метеорит представляет собой базальт с большим количеством крупных кристаллов оливина. В основной массе породы присутствуют оливин, пироксен и маскелинит, а также небольшие количества других минералов.

Оливин особенно интересен для изучения магматических пород. Крупные кристаллы этого минерала могли сформироваться раньше остальных компонентов расплава, а затем оказаться включёнными в более молодую массу затвердевшей породы.

Поэтому структура NWA 13441 позволяет исследователям восстанавливать не только возраст, но и условия формирования исходного марсианского расплава.

В метеорите много стекла

NWA 13441 отличается и необычно большим количеством расплавленного стекла.

Около 7 процентов объёма образца приходится на участки стекловидного материала, образовавшегося в результате воздействия чрезвычайно высокой температуры и ударных нагрузок. В минералах также присутствуют признаки сильного ударного воздействия.

Исследователи оценивают максимальные условия ударного воздействия примерно в 28–34 гигапаскаля и 200–250 градусов Цельсия для соответствующих процессов ударного метаморфизма. Эти величины характеризуют воздействие, которое порода испытала в результате мощного космического столкновения, а не обычные условия на поверхности современного Марса.

Это особенно важно для понимания происхождения метеорита. Чтобы фрагмент марсианской породы оказался в межпланетном пространстве, его необходимо было выбросить с поверхности планеты. Мощный удар мог одновременно разрушить окружающую породу, изменить часть минералов и придать отдельным участкам стекловидную структуру.

Таким образом, нынешний образец хранит информацию сразу о нескольких событиях: о формировании магматической породы внутри Марса и о гораздо более позднем ударном событии, которое помогло выбросить её с планеты.

Как учёные установили возраст метеорита

Возраст NWA 13441 определяли по изотопной системе самарий—неодим.

Такие методы основаны на естественном радиоактивном превращении одних изотопов в другие. Скорость этого процесса известна, поэтому соотношение исходных и дочерних изотопов в минералах позволяет оценить время, прошедшее с момента формирования породы.

В случае NWA 13441 исследователи анализировали отдельные минералы и продукты их обработки. Полученная изотопная зависимость дала возраст около 1,273 миллиарда лет с неопределённостью примерно 21 миллион лет.

Это не дата падения метеорита на Землю. Это принципиальное различие.

Метеорит нашли в 2019 году, но сама порода сформировалась на Марсе примерно 1,27 миллиарда лет назад. Между этими событиями прошло более миллиарда лет.

Точная дата выброса NWA 13441 с Марса пока не является тем же самым, что возраст его кристаллизации. Внутри породы сохраняются признаки последующего ударного воздействия, которое связано с событиями уже после её формирования.

Почему шерготтитов так много

Шерготтиты составляют более 90 процентов известных марсианских метеоритов согласно исследованию. Они представляют собой магматические породы и делятся на несколько разновидностей в зависимости от структуры и химического состава.

Большое количество шерготтитов позволило исследователям построить определённую картину эволюции марсианской мантии. Однако эта картина имеет очевидное ограничение: образцы, которые достигли Земли, не являются случайной выборкой всех пород Марса.

Чтобы марсианская порода стала метеоритом, должно произойти множество событий. Она должна находиться в подходящем месте для выброса при ударе, получить достаточную скорость, покинуть Марс, не разрушиться полностью в космосе, пересечь орбиту Земли и в конечном итоге упасть на поверхность нашей планеты.

Поэтому коллекция марсианских метеоритов неизбежно имеет собственные особенности отбора.

Именно NWA 13441 показывает, насколько сильно такая выборка может искажать представление о Марсе. Если большинство доступных шерготтитов имеет возраст менее 600 миллионов лет, это ещё не означает, что вулканическая активность Марса в более ранние периоды отсутствовала.

Вполне возможно, что соответствующие породы просто значительно хуже представлены среди метеоритов, которые мы смогли обнаружить на Земле.

Почти двухмиллиардный пробел становится немного меньше

Особую ценность находке придаёт её положение во времени.

Существующая коллекция марсианских метеоритов долгое время давала исследователям довольно неравномерную картину. Для шерготтитов основная масса известных образцов относится к относительно недавнему геологическому периоду Марса — менее 600 миллионов лет назад.

Существуют также два шерготтита возрастом около 2,4 миллиарда лет.

NWA 13441 с возрастом 1,27 миллиарда лет оказывается между ними. Поэтому он помогает связать два ранее плохо представленных периода и показывает, что промежуточные по возрасту магматические породы действительно существовали.

Впрочем, один метеорит не может заполнить весь временной пробел. Он лишь даёт первый редкий образец определённого возраста и состава.

Для полноценного восстановления геологической истории Марса нужны дополнительные метеориты и, особенно, образцы, собранные непосредственно на поверхности планеты.

Что необычного нашли в химическом составе

Исследователи классифицируют NWA 13441 как оливин-порфировый шерготтит промежуточного геохимического типа.

Шерготтиты принято разделять на обогащённые, промежуточные и обеднённые по особенностям распределения элементов и изотопному составу. Эти различия позволяют судить о происхождении магмы и свойствах источника в марсианской мантии.

NWA 13441 оказался необычным именно сочетанием характеристик. По ряду признаков он близок к промежуточным шерготтитам, но его изотопный состав неодима существенно отличается от известных представителей этой группы.

Поэтому исследователи рассматривают две основные интерпретации. Метеорит мог образоваться из ранее не представленного в коллекции марсианского резервуара либо его состав мог сформироваться в результате смешения материалов из известных резервуаров.

Обе возможности важны, поскольку указывают на то, что внутреннее строение Марса может быть геохимически более разнообразным, чем следовало из изученных ранее метеоритов.

Марс мог сохранить очень древнее вещество внутри себя

Есть ещё один интересный аспект находки.

Марс сформировался очень быстро по астрономическим меркам — исследования указывают, что планета возникла менее чем через 5 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Поэтому часть веществ, из которых сформировался ранний Марс, потенциально могла оказаться глубоко внутри планеты на самых ранних этапах её развития.

Если необычный хондритоподобный изотопный состав NWA 13441 действительно отражает древний марсианский резервуар, то он может быть своеобразным химическим наследием раннего этапа формирования планеты.

Но здесь необходима осторожность. Исследование не показывает, что учёные непосредственно обнаружили «нетронутый кусок первичного Марса». Авторы допускают как существование ранее не отбиравшегося резервуара, так и вариант смешения уже известных источников.

Именно дальнейшее изучение подобных образцов позволит различить эти сценарии.

Что метеорит рассказывает о вулканизме Марса

NWA 13441 является магматической породой. Следовательно, его существование связано с процессами плавления и последующего охлаждения вещества внутри Марса.

Исследование расширяет временной и изотопный диапазон, в пределах которого известен марсианский магматизм. Это особенно важно для понимания того, насколько долго продолжались процессы плавления мантии и формирования магм на планете.

Однако сам метеорит не позволяет восстановить глобальную картину вулканической активности Марса в период около 1,27 миллиарда лет назад. Он является отдельным образцом и, вероятно, представляет конкретный участок и конкретный источник марсианской магмы.

Тем не менее даже один такой образец способен изменить представление о доступном геологическом архиве. До его изучения в коллекции шерготтитов практически отсутствовал представитель соответствующего возраста и с таким изотопным составом.

Почему марсианские метеориты остаются незаменимыми

У современных марсоходов есть серьёзное преимущество: они могут изучать породы непосредственно там, где те находятся. Но возможности инструментов на поверхности Марса всё равно ограничены размерами оборудования и условиями работы.

На Земле образец можно исследовать значительно более подробно. Один и тот же фрагмент можно разделить на части, изучить его минералы под микроскопом, определить химический состав, измерить изотопные соотношения и провести другие лабораторные анализы.

При этом метеориты дают информацию о Марсе без необходимости доставлять каждый образец с поверхности планеты.

Есть и обратная сторона. Мы не всегда знаем точное место на Марсе, откуда происходил конкретный метеорит. Поэтому лабораторная точность измерений компенсируется недостатком географического контекста.

Именно здесь особенно важны будущие миссии по доставке марсианских образцов на Землю. Образцы, которые будут отобраны в известных геологических районах Марса, смогут связать лабораторные данные с конкретным местом на поверхности планеты.

Один камень показывает ограничения нашей картины Марса

NWA 13441 важен не потому, что является самым старым марсианским метеоритом. Он интересен тем, что одновременно нарушает несколько привычных представлений о доступной выборке марсианских пород.

Во-первых, его возраст — около 1,27 миллиарда лет — необычен для шерготтитов.

Во-вторых, его изотопный состав неодима имеет хондритоподобную характеристику, ранее не наблюдавшуюся у шерготтитов в таком сочетании.

В-третьих, характеристики метеорита указывают на возможное происхождение из ранее не отобранного марсианского резервуара либо на смешение материалов из разных известных источников.

В-четвёртых, сама порода содержит многочисленные признаки сильного ударного воздействия и значительное количество расплавленного стекла, что помогает понять условия, которые она испытала после формирования.

В совокупности эти особенности показывают, что известная коллекция марсианских метеоритов представляет лишь часть геологического разнообразия Красной планеты.

Что ещё предстоит выяснить

Исследователи планируют продолжить изучение NWA 13441 и сравнить его изотопные характеристики с другими древними материалами Солнечной системы и марсианскими метеоритами.

Особенно важно определить, насколько необычный состав этого образца связан с самостоятельным древним резервуаром марсианской мантии. Если последующие данные подтвердят такую интерпретацию, NWA 13441 станет свидетельством существования области марсианских недр, которая сохраняла отличительные геохимические характеристики на протяжении миллиардов лет.

Если же окажется, что необычный состав возник вследствие смешения уже известных источников, это тоже будет значимым результатом. В таком случае метеорит поможет лучше понять процессы взаимодействия различных резервуаров марсианской мантии.

В обоих сценариях NWA 13441 расширяет представление о внутренней геологии Марса.

Марсианская история оказывается сложнее, чем показывает коллекция метеоритов

Изучение NWA 13441 показывает, насколько осторожно необходимо интерпретировать имеющиеся образцы.

Если большая часть доступных шерготтитов молода, это ещё не означает, что именно такой была вся история марсианского вулканизма. Если определённый изотопный состав ранее не встречался среди метеоритов, это ещё не значит, что соответствующего вещества на Марсе не существовало.

Коллекции метеоритов формируются случайным и сложным путём, а потому неизбежно неполны.

NWA 13441 стал редким окном в период примерно 1,27 миллиарда лет назад. Его минералы сохранили информацию о формировании магматической породы, его изотопы — сведения о происхождении вещества, а следы ударного воздействия — о событиях, которые произошли значительно позже.

В результате небольшой камень, найденный в алжирской пустыне, оказался образцом, который связывает разные этапы геологической истории Марса и показывает, что в недрах Красной планеты могли сохраняться древние химические особенности, почти не представленные в существующей коллекции метеоритов.

Исследование NWA 13441 опубликовано в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta. Работа посвящена минералогии, геохимии и изотопному составу этого метеорита и его значению для понимания резервуаров марсианской мантии.

Источники:
Статья создана по материалам Space.com