Частина історії вулканізму планети зафіксована в її породах. У випадку Марса ці «записи» довго виглядали суперечливими: метеорити марсіанського походження виявилися сильно окисненими, тоді як внутрішні умови планети мали б бути різко відновними. Нове дослідження планетологів Хідегару Кувахари (Hideharu Kuwahara) та Рьоїті Накади (Ryoichi Nakada) з Університету Ехіме, про яке розповідає Universe Today, пропонує розв’язання цієї загадки за участі незвичного «коштовного каменя» — мейжориту.
Мейжорит — це різновид гранату, який формується лише за гігантських тисків і температур глибоко в мантії кам’янистих планет. Саме його властивості, за версією авторів роботи, можуть пояснити, чому марсіанські породи виглядають такими окисненими, попри близькість до металевого ядра, де кисень зазвичай активно «забирається» з порід.
Чому марсіанські породи виглядають надто окисненими
Коли Марс сформувався приблизно 4,5 мільярда років тому, важкі елементи осіли в центрі, утворивши залізне ядро — подібно до Землі. У присутності майже чистого металу хімічні реакції зазвичай позбавляють сполуки кисню, створюючи так зване відновне середовище.
Місія InSight підтвердила, що над ядром Марса лежить приблизно 150-кілометровий шар розплавлених силікатних порід — мантія. Вона також мала б бути сильно відновною через контакт із металевим ядром. Однак аналіз марсіанських метеоритів і зразків кори показує, що ці породи, навпаки, сильно окиснені. Саме цю суперечність і намагалися пояснити дослідники.
Вони припустили, що ключову роль може відігравати мейжорит, який на Марсі формується біля основи мантії, безпосередньо над ядром, за тиску близько 18 гігапаскалів — це приблизно 180 000 разів більше, ніж атмосферний тиск на рівні моря на Землі.
Експеримент: відтворити глибини Марса в лабораторії
Щоб перевірити свою гіпотезу, вчені вирішили відтворити умови біля основи марсіанської мантії. Вони використали потужний гідравлічний прес, який стискав синтетичну «марсіанську» породу між блоками з твердого карбіду вольфраму всередині крихітних алмазних капсул.
Початковий матеріал складався з силікатів, які за надвисокого тиску й температури перетворюються на мейжорит. Температуру підняли до приблизно 2150–2200 °C і наситили систему металевим залізом, щоб відтворити максимально відновні умови поблизу ядра планети.
Після того як зразки достатньо нагріли й стиснули, їх охолодили та перевезли до синхротронного комплексу SPring-8 на відстані близько 250 км. Там зразки опромінювали рентгенівським випромінюванням, щоб з’ясувати, у якій формі залізо увійшло до кристалічної структури мінералів, що утворилися.
Мейжорит як «губка» для окисненого заліза
Результати показали, що мейжорит поводиться як своєрідна «губка» для окисненого заліза. У його кристалічній решітці виявили значну частку окисненого, тривалентного заліза (ферикового). За даними роботи, від 11% до 21% заліза в мейжориті було саме в окисненій формі — значно більше, ніж у навколишніх силікатах, що також утворилися в експерименті.
Це дає можливе пояснення марсіанської загадки. Коли внутрішні шари Марса почали кристалізуватися, мейжорит осаджувався з розплавленої породи біля основи мантії. У процесі він «захоплював» частину ферикового заліза, яке інакше залишалося б розчиненим у відновному шарі біля ядра.
Згодом рух мантії міг піднімати ці мейжоритвмісні породи ближче до поверхні. Там вони частково плавилися, вивергаючи вже окиснені вулканічні породи на поверхню Марса, а іноді — й у космос, коли гігантські вулкани на кшталт Олімпа викидали матеріал настільки потужно, що він ставав метеоритами.
Паралелі із Землею та значення роботи
Отримані результати важливі не лише для Марса, а й для розуміння глибинної будови Землі. Наша планета приблизно вдвічі більша за Марс, тому її мантія простягається глибше. У нижніх шарах мантії Землі домінує інший мінерал — бріджманіт (bridgmanite), який, як уже відомо, може вміщувати ще більше заліза, ніж мейжорит.
Це означає, що глибока мантія Землі хімічно розшарована. Коли ж гарячий матеріал піднімається вгору, бріджманіт перетворюється на мейжорит і вивільняє частину ферикового заліза в навколишні породи. Таким чином, перехідна зона мантії може окиснюватися «знизу», за рахунок цих мінеральних перетворень.
У підсумку робота Кувахари та Накади поєднує два, на перший погляд, далеких аспекти: хімічні «підписи» в марсіанських метеоритах і поведінку кристалів під тиском у присутності розплавленого металу. Мінерал, який формується лише в екстремальних умовах глибокої мантії, виявляється здатним зберігати інформацію про окисно-відновну історію планет протягом мільярдів років.
Про внутрішню будову Марса та роль його мантії у формуванні поверхні також розповідає відео наукового каналу, доступне за посиланням: .