Марсоход Perseverance собрал первые данные о магматических породах Марса

Так получилось, что на первом этапе путешествия по Красной планете марсоходу Perseverance попались на пути не осадочные породы, за которыми он, собственно, и отправился, а магматические. Возможно, астробиологи, ожидавшие как можно скорее получить доказательства существования в прошлом марсианской жизни, были расстроены, но для геологов это был настоящий «джекпот». Полученные результаты показали, что в центральной части кратера Езеро выходит на поверхность расслоенный интрузивный массив. Это свидетельствует о том, что ранняя история Марса была весьма активной — в недрах существовали очаги жидкой магмы, а на поверхность изливались огромные объемы лавы.

18 февраля 2021 года американский марсоход Perseverance («Настойчивость») высадился на поверхность Красной планеты в районе кратера Езеро. По мнению ученых, в ранние эпохи истории Марса (более 3,5 млрд лет назад) здесь существовало озеро. Главной задачей миссии было собрать образцы осадочных пород в палеодельте реки Неретва, когда-то впадавшей в озеро. Анализ геологической обстановки показал, что эти породы содержат карбонаты и глинистые минералы, для образования которых требуется жидкая вода. Ученые предполагают, что в образцах с высокой долей вероятности можно будет обнаружить свидетельства древней микробной жизни (подробнее см. новость Кратер Езеро заготовил много интересного для марсохода «Марс-2020», «Элементы», 25.11.2019).

Кратер Езеро расположен на краю одного из самых крупных бассейнов в северном полушарии Марса — равнины Исиды. Основой для выбора района посадки стала геологическая карта Марса, составленная в 2014 году Геологической службой США (USGS) по данным дистанционного зондирования орбитальных аппаратов программы «Викинг» и скорректированная с учетом результатов работы миссии Mars Reconnaissance Orbiter(рис. 2).

Рельеф палеодельты в настоящее время имеет перевернутую топографию. Это означает, что бывшие рукава русла реки теперь превратились в хребты, потому что осадочные отложения более устойчивы к выветриванию, чем окружающие их пирокластические породы. Поэтому марсоход решили посадить не непосредственно в зону дельты, а на плоскую поверхность дна кратера, напротив того места, где пересохшее русло Неретвы расходится на три рукава. Это место получило название Three Forks («тройная развилка»).

Но посадка произошла на 1,7 км юго-западнее, и Perseverance оказался отделен от дельты областью Сейтах, покрытой песками. Пересекать ее напрямую посчитали рискованным из-за опасности увязнуть, и марсоход пошел обходить эту область с юга. Однако к началу ноября 2021 года (на 253 сол движения) он снова уперся в пески. Было принято решение возвращать аппарат в исходную точку и отправить его к Three Forks уже северным путем (рис. 3).

В начале марта 2022 года (на 367 сол миссии) аппарат вернулся в точку отсчета и начал движение по северному маршруту. В середине апреля он вышел к Three Forks. На этом завершился первый этап экспедиции и начался второй (по обследованию фронтальной части дельты), получивший название Delta Front Campaign. В настоящее время Perseverance все еще находится у подножия уступа, сложенного дельтовыми отложениями.

Несмотря на то, что путь от места посадки до южной оконечности области Сейтах и обратно был незапланированным, он позволил ученым получить обширную информацию о породах, слагающих основание кратера. Обобщенные результаты за первый год работы миссии недавно опубликованы в четырех статьях в журналах Science и Science Advances. Основой стали результаты химических и минералогических анализов, выполненных с помощью набора инструментов для оптического, химического и минералогического анализа SuperCam, расположенного на борту марсохода, а также детальные фото, сделанные камерой в местах отбора проб. По времени период охватывает первые 286 сола — примерно до середины декабря 2021 года.

Perseverance оснащен роботизированной рукой с буром (рис. 4), с помощью которой он отбирает пробы весом около 20 грамм каждая и запечатывает их в металлические цилиндры. Затем он оставит образцы в определенном месте на поверхности Марса, чтобы будущая миссия смогла забрать их на Землю для изучения.

Всего на сегодняшний день отобрано 14 проб: 8 — из магматических пород основания кратера и 6 — из осадочных пород фронтальной части дельты. Попыток было больше, но в десяти случаях роботу не удалось захватить каменный материал, и автомат запечатал пустые цилиндры. Ученые в шутку называют их «образцами марсианской атмосферы» (рис. 5).

Первая статья посвящена составу и физическим свойствам пород основания кратера, которые, как оказалось, имеют магматическое происхождение. Они представлены лавами базальтов и выходами интрузивных пород. До этого предполагали, что дно кратера сложено озерными, эоловыми или вулканическими пирокластическими отложениями.

По данным авторов, магматические породы кратера отчетливо стратифицированы. Нижние слои обогащены крупными (2–3 мм) идиоморфными, практически неизмененными зернами оливина, очевидно, образовавшимися на ранней стадии формирования расслоенной интрузии. По составу и структуре они идентичны обнаруженным в марсианских метеоритах, богатых оливином. Выше идут пироксеновые породы, а завершается стратифицированная толща базальтами с плагиоклазом. При этом по направлению снизу вверх уменьшается кислотность и плотность пород. Слоистость настолько четкая, что, когда геологи на этапе подготовки миссии анализировали снимки, сделанные с орбиты, они посчитали породы массива Сейдах осадочными (рис. 6).

Ученые предполагают, что подобная расслоенность магматических пород характерна для всего региона Nilo Syrtis, в пределах которого расположен кратер Езеро. Разделение, скорее всего, происходило в результате кумулятивного процесса, когда из остывающего расплава сначала осаждались кристаллы ранних минералов — оливина и пироксена, формирующие слои ультраосновного состава, а затем — более кислые производные. Судя по минеральному и химическому составу, в центральной части области Сейтах на поверхность выходит нижняя, более глубинная часть расслоенного массива, а по краям, в областях Артюби и Мааз — соответственно средняя и верхняя (рис. 7).

В качестве возможных сценариев образования массива авторы предлагают три варианта. При этом первый наиболее вероятен, так как между тремя формациями (Мааз, Артюби и Сейтах) отсутствуют четкие границы (рис. 8).

Возраст массива геологи предварительно оценивают в 3,90–3,75 млрд лет. На нашей планете нет таких древних расслоенных интрузий. Но это не значит, что их и не было. Возможно, они просто уничтожены эрозией. Пример Марса, где эрозионные процессы были значительно слабее, чем на Земле, показывает, что они могли формироваться на самых ранних этапах развития планет.

В пользу того, что расслоенный массив Сейтах образовался при медленном охлаждении единой порции расплава, а не последовательном внедрении нескольких различных, говорят результаты второго исследования.

Данные орбитальных аппаратов указывали на то, что в центральной части кратера Езеро на поверхность выходит крупный (площадью около 70 тысяч км²) участок пород, представленных практически чистым оливином. До посадки Perseverance были самые разные гипотезы его происхождения — от импактной, связанной с ударом метеорита, образовавшего кратер, до осадочной (на Гавайских островах, например, есть пляжи, покрытые зеленым оливиновым песком).

Но результаты анализа, выполненного прибором PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry — «Планетарный инструмент для рентгеновской литохимии»), установленным на борту Perseverance, показали, что кристаллы оливина в породе хорошо оформлены и больше по размеру, чем можно было ожидать от зерен в метеоритах или вулканических породах (песок образуется из вулканического оливина). Кроме того, они однородные по составу и включены в структуру породы. Все это указывает на то, что минерал осаждался из медленно остывающего расплава (рис. 9).

«Кристаллы оливина не демонстрируют признаков срастания друг с другом, а скорее тесно упакованы, с плотными контактами граней, что предполагает осаждение как механизм концентрации оливина. Оседание под действием силы тяжести в расплаве согласуется и с узким распределением зерен по размерам», — пишут авторы статьи.

Выход кумулятивной оливиновой породы сейчас составляет центральную часть массива Сейтах (рис. 7). По составу она близка к верлиту — ультраосновной магматической породе из группы перидотитов. До 65 % ее объема составляет оливин, а остальное — авгит (минерал из группы пироксенов), полевой шпат и некоторые акцессорные минералы.

Третья статья посвящена анализу гидротермальных изменений магматических пород кратера Езеро. Прежде всего авторы установили, что коренные породы (породы основания) подвергались воздействию воды. Это стали ясно сразу после первой же неудачной попытки бурения — порода была настолько рыхлая, что рассыпалась от воздействия бура (рис. 10).

По мнению ученых, озеро заполнило кратер уже после образования формаций Сейтах и Мааз. Но через некоторое время (не больше миллиона лет) высохло, а незначительные озерные осадки были удалены эрозией. Сохранились лишь отложения дельты. На то, что вода в кратере была совсем недолго указывают хорошая в целом сохранность магматических пород и отсутствие глиноземистых глинистых минералов. Однако подземные воды могли оставаться в недрах значительно дольше.

Оливины формации Сейтах окружены тонкой оторочкой карбонатов магния и железа, что указывает на взаимодействие с водой, богатой СО₂. Об этом же свидетельствуют продукты изменения пород формации Мааз — силикаты железа окружены оксидами Fe. Обе пачки содержат скопления ярко-белых солей — сульфатов, перхлоратов и карбонатов. В них также выявлено присутствие простых органических молекул. Авторы считают, что при взаимодействии с водой происходило окисление железа, входившего в состав магматических минералов, и в результате высвобождались молекулярный водород (потенциальный источник энергии для микробной жизни) и углеводороды, такие как метан, которые могли служить строительными блоками для более сложных органических соединений.

Геофизические данные, которые позволили реконструировать форму массива Сейтах, приведены в четвертой статье. Perseverance оснащен прибором RIMFAX (Radar Imager for Mars' Subsurface Experiment), который использует для подземных исследований радиоволны. Он разработан на базе радара, применяемого на Земле для неглубоких (до 15 м) исследований подземных слоев горных пород и льда. Результаты дистанционного зондирования показали, что в центральной части массив образует выступ, края которого погружаются под углом 10–15 градусов.

Несмотря на то, что минералого-геохимические анализы указывают на магматическую природу пород формаций Сейтах и Мааз, авторы статьи по этому поводу высказываются весьма осторожно, отмечая, что по характеру залегания это больше похоже на толщу последовательно наслаивающихся лавовых покровов или осадочных пород, образовавшихся при их разрушении. В то же время, в пределах некоторых «горизонтов» присутствуют элементы обратной слоистости, фиксируемые плоскостями с высокой отражающей способностью, а это больше характерно для расслоенных магматических массивов (рис. 11).

Какая из версий окажется истинной, покажет время. Точно сказать, что за породы слагают дно кратера, можно будет только когда образцы, собранные марсоходом Perseverance, доставят на Землю. А произойдет это не раньше 2030 года. После этого ученые смогут определить, когда в картере была вода, поскольку отложения дельты накладываются сверху на породы основания кратера.

Обозначить временные границы климатического периода, когда на Марсе существовали реки и озера, очень важно с точки зрения дальнейших поисков следов древней жизни на Красной планете. Сейчас интервал неопределенности весьма широкий — от начала ноя до раннего гесперия (4,1–3,5 млрд лет).

Источники:
1) Roger C. Wiens, Arya Udry, Oliver Beyssac, Cathy Quantin-Nataf, Nicolas Mangold, Agnès Cousin, Lucia Mandon, Tanja Bosak, Oliver Forni, Scott M. McLennan, Violaine Sautter, Adrian Brown, Karim Benzerara, Jeffrey R. Johnson, Lisa Mayhew, Sylvestre Maurice, Ryan B. Anderson, Samuel M. Clegg, Larry Crumpler, Travis S. J. Gabriel, Patrick Gasda, James Hall, Briony H. N. Horgan, Linda Kah, Carey Legettiv, Juan Manuel Madariaga, Pierre-Yves Meslin, Ann M. Ollila, Francois Poulet, Clement Royer, Shiv K. Sharma, Sandra Siljeström, Justin I. Simon, Tayro E. Acosta-Maeda, Cesar Alvarez-Llamas, S. Michael Angel, Gorka Arana, Pierre Beck, Sylvain Bernard, Tanguy Bertrand, Bruno Bousquet, Kepa Castro, Baptiste Chide, Elise Clavé, Ed Cloutis, Stephanie Connell, Erwin Dehouck, Gilles Dromart, Woodward Fischer, Thierry Fouchet, Raymond Francis, Jens Frydenvang, Olivier Gasnault, Erin Gibbons, Sanjeev Gupta, Elisabeth M. Hausrath, Xavier Jacob, Hemani Kalucha, Evan Kelly, Elise Knutsen, Nina Lanza, Javier Laserna, Jeremie Lasue, Stéphane Le Mouélic, Richard Leveille, Guillermo Lopez Reyes, Ralph Lorenz, Jose Antonio Manrique, Jesus Martinez-Frias, Tim McConnochie, Noureddine Melikechi, David Mimoun, Franck Montmessin, Javier Moros, Naomi Murdoch, Paolo Pilleri, Cedric Pilorget, Patrick Pinet, William Rapin, Fernando Rull, Susanne Schröder, David L. Shuster, Rebecca J. Smith, Alexander E. Stott, Jesse Tarnas, Nathalie Turenne, Marco Veneranda, David S. Vogt, Benjamin P. Weiss, Peter Willis, Kathryn M. Stack, Kenneth H. Williford, Kenneth A. Farley, SuperCam Team. Compositionally and density stratified igneous terrain in Jezero crater, Mars // Science Advances. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abo3399.
2) Y. Liu, M. M. Tice, M. E. Schmidt, A. H. Treiman, T. V. Kizovski, J. A. Hurowitz, A. C. Allwood, J. Henneke, D. A. K. Pedersen, S. J. VanBommel, M. W. M. Jones, A. L. Knight, B. J. Orenstein, B. C. Clark, W. T. Elam, C. M. Heirwegh, T. Barber, L. W. Beegle, K. Benzerara, S. Bernard, O. Beyssac, T. Bosak, A. J. Brown, E. L. Cardarelli, D. C. Catling, J. R. Christian, E. A. Cloutis, B. A. Cohen, S. Davidoff, A. G. Fairén, K. A. Farley, D. T. Flannery, A. Galvin, J. P. Grotzinger, S. Gupta, J. Hall, C. D. K. Herd, K. Hickman-Lewis, R. P. Hodyss, B. H. N. Horgan, J. R. Johnson, J. L. Jørgensen, L. C. Kah, J. N. Maki, L. Mandon, N. Mangold, F. M. McCubbin, S. M. McLennan, K. Moore, M. Nachon, P. Nemere, L. D. Nothdurft, J. I. Núñez, L. O'Neil, C. M. Quantin-Nataf, V. Sautter, D. L. Shuster, K. L. Siebach, J. I. Simon, K. P. Sinclair, K. M. Stack, A. Steele, J. D. Tarnas, N. J. Tosca, K. Uckert, A. Udry, L. A. Wade, B. P. Weiss, R. C. Wiens, K. H. Williford, M-P. Zorzano. An olivine cumulate outcrop on the floor of Jezero crater, Mars // Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abo2756.
3) K. A. Farley, K. M. Stack, D. L. Shuster, B. H. N. Horgan, J. A. Hurowitz, J. D. Tarnas, J. I. Simon, V. Z. Sun, E. L. Scheller, K. R. Moore, S. M. McLennan, P. M. Vasconcelos, R. C. Wiens, A. H. Treiman, L. E. Mayhew, O. Beyssac, T. V. Kizovski, N. J. Tosca, K. H. Williford, L. S. Crumpler, L. W. Beegle, J. F. Bell 3^rd, B. L. Ehlmann, Y. Liu, J. N. Maki, M. E. Schmidt, A. C. Allwood, H. E. F. Amundsen, R. Bhartia, T. Bosak, A. J. Brown, B. C. Clark, A. Cousin, O. Forni, T. S. J. Gabriel, Y. Goreva, S. Gupta, S-E. Hamran, C. D. K. Herd, K. Hickman-Lewis, J. R. Johnson, L. C. Kah, P. B. Kelemen, K. B. Kinch, L. Mandon, N. Mangold, C. Quantin-Nataf, M. S. Rice, P. S. Russell, S. Sharma, S. Siljeström, A. Steele, R. Sullivan, M. Wadhwa, B. P. Weiss, A. J. Williams, B. V. Wogsland, P. A. Willis, T. A. Acosta-Maeda, P. Beck, K. Benzerara, S. Bernard, A. S. Burton, E. L. Cardarelli, B. Chide, E. Clavé, E. A. Cloutis, B. A. Cohen, A. D. Czaja, V. Debaille, E. Dehouck, A. G. Fairén, D. T. Flannery, S. Z. Fleron, T. Fouchet, J. Frydenvang, B. J. Garczynski, E. F. Gibbons, E. M. Hausrath, A. G. Hayes, J. Henneke, J. L. Jørgensen, E. M. Kelly, J. Lasue, S. Le Mouélic, J. M. Madariaga, S. Maurice, M. Merusi, P-Y. Meslin, S. M. Milkovich, C. C. Million, R. C. Moeller, J. I. Núñez, A. M. Ollila, G. Paar, D. A. Paige, D. A. K. Pedersen, P. Pilleri, C. Pilorget, P. C. Pinet, J. W. Rice Jr, C. Royer, V. Sautter, M. Schulte, M. A. Sephton, S. K. Sharma, S. F. Sholes, N. Spanovich, M. St Clair, C. D. Tate, K. Uckert, S. J. VanBommel, A. G. Yanchilina, M-P. Zorzano. Aqueously altered igneous rocks sampled on the floor of Jezero crater, Mars // Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abo2196/.
4) Svein-Erik Hamran, David A. Paige, Abigail Allwood, Hans E. F. Amundsen, Tor Berger, Sverre Brovoll, Lynn Carter, Titus M. Casademont, Leif Damsgård, Henning Dypvik, Sigurd Eide, Alberto G. Fairén, Rebecca Ghent, Jack Kohler, Michael T. Mellon, Daniel C. Nunes, Dirk Plettemeier, Patrick Russell, Matt Siegler, Mats Jørgen Øyan. Ground penetrating radar observations of subsurface structures in the floor of Jezero crater, Mars // Science Advances. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abp8564.

Владислав Стрекопытов