Российские ученые представили новые модели мантии Луны

Как сообщили в Минобрнауки России, работа была проведена сотрудниками лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов. На основе геолого-геофизических данных космических аппаратов и методов физико-химического моделирования ученые предложили два новых класса моделей химического состава Луны: модель Е с земными концентрациями оксида кальция (CaO) и оксида алюминия (Al2О3) и модели М с более высоким содержанием тугоплавких оксидов. Результаты исследования опубликованы https://link.springer.com/article/10.1134/S0016702924700733 в журнале «Geochemistry International».

О том, как проводилось исследование, рассказал доктор химических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории ГЕОХИ РАН Олег Кусков.

– Вы предложили две модели химического состава мантии Луны. А по поводу коры ученым уже все известно? Из чего она состоит?

– Лунная кора состоит в основном из материковых пород. Основные минералы в этих породах – плагиоклаз, пироксен, оливин, ильменит и шпинель. Плагиоклазы в лунных породах близки по составу к анортиту, что указывает на высокое содержание кальция и алюминия. Морские породы, составляющие около 1% коры, представлены базальтами, которые заполняют темные впадины лунных морей. Средняя толщина лунной коры составляет около 30-40 километров.

– Как люди поняли то, что скрыто на такой глубине? И как можно понять, что скрыто в еще более глубоком слое – в мантии?

– Ударные события способствовали экскавации (извлечению) материала из более глубоких мантийных слоев коры, «предоставив» нам образцы для изучения.

– Считается, что Луна и Земля очень похожи по химическому составу. Когда и на каких вводных данных были сделаны эти выводы и сколько лет назад?

– Вывод о сходстве или различии химического состава Луны и Земли в первую очередь основан на результатах миссии Apollo (1969–1972), изотопном анализе лунных пород. Изучение образцов показало, что изотопный состав целого ряда элементов (кремния, титана, калия, вольфрама, хрома, кислорода) в лунных и земных породах почти идентичен. Эти результаты относятся к открытиям эпохи Apollo, которые были сделаны более 50 лет назад, но были уточнены с помощью современных инструментальных и аналитических методов, особенно за последние 10–15 лет.

– Какие модели мантии Луны существовали до Вашей работы?

– Основные модели связаны с оценкой распространенности породообразующих оксидов: железа (FeO), алюминия (Al2O3), кальция (CaO), магния (MgO) и кремния (SiO2). Наибольшую популярность получили две концептуальные геохимические модели состава Луны: «Лунная примитивная верхняя мантия» (LPUM – Lunar Primitive Upper Mantle) с концентрациями оксидов алюминия, кальция и железа, близкими к земным, и модель «Целая Луна Тэйлора» (TWM – Taylor Whole Moon), обогащенная по сравнению с пиролитовой мантией Земли (состоящей из двух главных минералов пироксена (30-40%) и оливина (60-70%) и в небольших количествах – из других минералов) оксидами железа, кальция и алюминия примерно на 50%.

Поскольку консенсус между этими геохимическими моделями отсутствует, мы решили подойти к переоценке химического состава Луны на основе комплекса гравитационных и сейсмических данных.

– Какие инструменты Вы использовали в вашей работе и какие изменения внесли в итоге?

– Основным источником информации о строении лунных недр являются сейсмические эксперименты экспедиций Аpollo, геолого-геофизические и гравитационные данные советских лунных аппаратов серии «Луна», американских миссий – Apollo, Clementine, Lunar Prospector, LRO, GRAIL, японских – Kaguya, китайских – Chang'E, и индийских – Chandrayaan. Использовались геохимические и изотопные исследования образцов лунного грунта, имеющегося в нашем распоряжении, а также методы термодинамики и физики минералов.

– Удалось в итоге разрешить давний спор?

– Мы предложили два новых класса моделей химического состава Луны: модели «Е» с земными концентрациями тугоплавких оксидов кальция и алюминия (Earth-like models) и модели «М» с более высоким их содержанием (Moon-like models). Доминирующим минералом верхней мантии Луны в обеих моделях является ортопироксен, а не оливин. К тому же они больше обогащены оксидом кремния и железа, чем Земля.

– Какую же из версий происхождения Луны это отражает?

– Принципиально важный для геохимии Луны и мантии Земли вопрос о сходстве или различии их состава до сих пор остается предметом острой дискуссии. Наиболее популярной, хотя и не общепринятой, является ударная модель происхождения Луны в результате катастрофического столкновения растущей Земли с телом размером порядка Марса, получившим название Тейя (Theia). Мы можем сделать предположение, что одновременное обогащение Луны кремнеземом и оксидом железа несовместимо с образованием Луны из земного вещества в результате гигантского столкновения (мегаимпакта) Земли с условной Тейей.

– Есть ли все-таки у Луны магнитное поле?

– В настоящее время у Луны нет глобального магнитного поля, как у Земли. Магнитное поле Луны чрезвычайно слабое. Однако данные, полученные из лунных пород и намагниченности коры, указывают на то, что древнее магнитное поле Луны существовало миллиарды лет назад. Оно могло быть вызвано конвекционными потоками в расплавленном железном ядре Луны.

– Как знания о строении Луны могут помочь нам осваивать спутник?

– Во-первых, они помогут нам при добыче ценных ресурсов, таких как водяной лед, редкие и редкоземельные металлы, изотоп гелий-3, который в весьма отдаленном будущем может быть использован в термоядерной энергетике. Во-вторых, – при строительстве среды обитания человека на Луне, и, в-третьих, – в дальнейших научных исследованиях.