Изучение внутреннего строения Луны и ее химического состава

В лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) идет работа по проблемам внутреннего строения Луны и крупных спутников в системах Юпитера и Сатурна. Исследуются новые модели химического состава мантии Луны и специфические черты сходства и различия в составах силикатных порций Земли и её спутника, основанные на методах физики минералов и математического моделирования.

Существуют серьёзные противоречия между геофизическими и геохимическими классами моделей химического состава Луны и внутри обоих классов. Основные из них связаны с оценкой распространенности породообразующих оксидов FeO, Al2O3, CaO, MgO и SiO2. В геохимической литературе рассматриваются две предельные модели состава Луны: LPUM (Lunar Primitive Upper Mantle) и TWM (Taylor Whole Moon). Обе модели имеют ~45% SiO2, но по содержанию CaO, Al2O3 и FeO различаются в 1,5 раза. Отсутствие консенсуса между моделями побуждает подойти к переоценке химического состава Луны на основе комплекса гравитационных и сейсмических данных.

Отличительная особенность постановки задачи состоит во включении геохимических параметров, в качестве которых использованы ограничения на концентрации тугоплавких элементов: модели с земными значениями CaO и Al2О3 (модели Е) и модели с более высоким их содержанием (модели М). В результате решения получены новые оценки химического состава мантии для двух классов Е-, М-моделей.

Приведено обоснование SiO2-FeO-обогащенной (оливин-пироксенитовой) мантии Луны, не имеющей генетического сходства с пиролитовым веществом мантии Земли. Результаты представляют интерес для выяснения особенностей вещественной и скоростной структуры мантии Луны космическими аппаратами в планируемых миссиях по изучению химического состава и внутреннего строения тел Солнечной системы.

Член-корреспондент РАН Олег Кусков, главный научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, доктор химических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Каково внутреннее строение Луны?

— В сейсмическом и химико-минералогическом отношении Луна (средний радиус — 1737 км) подразделяется на кору, твёрдую силикатную мантию, частично расплавленный переходный слой, жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро (общим радиусом 300–400 км), состоящее из железоникелевого сплава с примесью лёгких элементов (сера, углерод и др.).

— Что входит в химический состав Луны?

— Основным источником информации о химическом составе и физическом состоянии глубоких недр являются сейсмические эксперименты экспедиций Аpollo, гравитационные данные спутников, геохимические и изотопные исследования образцов лунного грунта. Химический состав Луны на 99% может быть описан системой оксидов CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-Na2O-TiO2. Элементы и их оксиды, присутствующие в малых концентрациях K2O, Cr2O3, NiO, MnO, в сумме составляют около 1%. Минеральные ассоциации коры и мантии включают плагиоклаз, базальты, оливин, шпинель, ильменит, гранат, ортопироксен, клинопироксен и др. Ядро Луны состоит в основном из железоникелевого сплава.

— Как и зачем учёные ГЕОХИ РАН исследуют мантию Луны?

— Информация о веществе Луны основана на результатах исследования лунных образцов, доставленных экспедициями Apollo и автоматическими станциями «Луна» и Chang’e-5, а также метеоритов лунного происхождения, характеризующих состояние коры до глубины менее 1 км. Информация о составе более глубоких недр Луны может быть получена только на основе дешифровки напрямую не связанных сейсмических, гравитационных, электромагнитных и термических данных в сочетании с методами математического моделирования и физики минералов. Исследование мантии Луны необходимо для понимания строения Земли и происхождения системы Земля—Луна.

— С помощью каких технологий происходит исследование?

— Исследования проводят с помощью космических аппаратов методами лазерной локации и альтиметрии, радиолокационной интерферометрии, сейсмологии, термического и электромагнитного зондирования. Геохимические и геофизические исследования Луны, начатые более 60 лет назад, в XX веке, космическими аппаратами Luna, Apollo, Clementine, Lunar Prospector и продолженные в XXI веке орбитальными зондами LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory), Kaguya / SELENE, Chang’e, Chandrayaan, позволили получить сведения о термическом состоянии, химическом составе и внутреннем строении Луны.

— Что это за новые модели химического состава мантии Луны, которые исследуют учёные?

— Геохимические интерпретации состава лунной мантии, основанные на традиционном понимании данных эпохи Аполлона, отдавали предпочтение составу верхней мантии с преобладанием оливина. Методы математического моделирования, основанные на гравитационных и сейсмических данных, приводят к аргументам в пользу пироксенитового состава верхней мантии. Анализы спектральных данных пород ударных бассейнов, полученные китайскими станциями Chang’e-3, 4, дали характеристики минерального состава лунного грунта и нашли, что в крупных бассейнах типа Южный полюс—Эйткен преобладают пироксены с низким содержанием кальция. Пироксенсодержащая верхняя мантия подтверждается спектральными данными пород и ряда других лунных ударных бассейнов.

— Как математическое моделирование помогает в исследовании Луны?

— В общем случае методы математического моделирования, термодинамики и физики минералов позволяют восстановить искомый набор неизвестных параметров (температуры, химического состава) на основе других, известных, параметров — сейсмических и гравитационных данных. Решение обратной задачи сводится к реконструкции химического состава с помощью разных алгоритмов.

— Учёные из Университета Аризоны на основании своих исследований считают, что мантия молодой Луны перевернулась вверх дном. Могут ли исследования ученых ГЕОХИ РАН подтвердить или опровергнуть эти выводы?

— На заключительной стадии формирования внешний слой Луны был расплавлен из-за выделения большого количества тепла, что привело к образованию магматического океана. Под последним обычно понимается внешняя оболочка толщиной не менее нескольких сотен километров.

Предполагается, что в определённых условиях в этом слое возникает гравитационная неустойчивость, приводящая к конвективному общемантийному овертону. Этот процесс известен как гипотеза гравитационной реструктуризации и переворота мантии, в результате которой происходит перемещение лёгкого вещества к поверхности, а тяжёлого — к центру Луны с одновременным выделением железосульфидной компоненты, не смешивающейся с магматическим расплавом, в ядро.

— Как могут быть применены результаты исследований мантии Луны в науке и технологиях?

— Все существующие лунные программы направлены на более глубокое изучение и детализацию уже полученных сведений о Луне. В прагматическом отношении Луна представляет интерес как промежуточная база для полётов к дальним объектам Солнечной системы и как перспективный в будущем источник минерального сырья (полезные ископаемые — платиноиды, редкие металлы, необходимые в промышленности высоких технологий на Земле). Одним из удивительных результатов стало получение методом нейтронной спектроскопии свидетельств о возможности существования водяного льда (или водородсодержащих соединений) на лунных полюсах — потенциального источника кислородно-водородного топлива для обеспечения жизнедеятельности последующих экспедиций.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Астрономический вестник».