Почему различается изотопный показатель кислорода земных и лунных пород? Что нам показывают анализы экспедиций? Давайте разбираться.
Рис. 1. Образец 15535 — кусок базальта, привезенный экспедицией «Аполлон-15», который исследовался в обсуждаемой работе. Справа — фото небольшого лунного валуна, от которого были отколоты этот и еще один образец. Фото с сайта lpi.usra.edu
Согласно самой популярной гипотезе, Луна сформировалась примерно 4,5 млрд лет назад после столкновения Земли с гипотетической малой планетой Тейей. В результате столкновения часть земной материи и остатки Тейи остались на околоземной орбите и постепенно слипались в Луну, при этом разогреваясь и переплавляясь.
Из этой гипотезы следует, что в составе лунных пород должны проявляться следы Тейи — так, ожидалось, что иным будет соотношение изотопов кислорода, индивидуальное для каждого независимо сформировавшегося космического тела. Но анализ лунных пород, доставленных на Землю в ходе миссий программы «Аполлон», показал, по изотопному составу кислорода они идентичны земным породам.
Это противоречие до недавних пор было главной проблемой импактной гипотезы формирования Луны. Исследование различных типов лунных горных пород с использованием современного высокоточного оборудования, проведенное командой ученых из Университета Нью-Мексико, показало, что на самом деле их изотопные соотношения сходны с земными лишь при усреднении и что для разных типов пород изотопные значения отличаются.
Эти различия возникли из-за смешения с силикатным газом, обогащенным 16О, возникшим при столкновении. Полученные в этой работе изотопные соотношения для лунных пород позволяют корректнее оценить их исходные значения для Тейи, а также устраняют противоречие в наиболее общепринятой модели образования спутника Земли.
Изотопами называют атомы одного и того же элемента, обладающие одинаковой структурой электронных оболочек, но разными массами ядер из-за того, что в них разное число нейтронов. У кислорода три стабильных изотопа — 16О (самый распростаненный, его доля составляет 99,757%), 17О (0,038%) и 18О (0,205%). Напомним, что верхний индекс означает массовое число ядра — сумму протонов и нейтронов.
Изотопный анализ активно используется в астрономии, помогая выяснять историю происхождения небесных тел. Например, Земля и Луна обладают почти абсолютно одинаковыми соотношениями изотопов кислорода, что сразу намекает на тесную связь историй их формирования.
Считается, что Луна образовалась при столкновении Земли и малой планеты Тейи около 4,5 млрд лет тому назад. Эту гипотезу называют импактной (от англ. impact — столкновение). В настоящее время она принимается большинством ученых как основная.
Эта гипотеза получила серьезные аргументы в свою пользу после возвращения американских и советских лунных миссий в 1970-х годах, так как позволяла объяснить почти все геохимические особенности лунных пород.
Во-первых, в исследованиях тех лет было обнаружено сходство соотношений изотопов кислорода в лунных и земных породах, — в рамках импактной гипотезы оно объяснялось участием земного материала в формировании Луны.
Во-вторых, в лунных породах по сравнению с земными было зафиксировано меньшее содержание железа и легкоплавких элементов и, наоборот, повышенное содержание элементов с высокими температурами плавления и некогерентных элементов (элементов, остающихся в расплаве, а не входящих в кристаллизующиеся породообразующие минералы).
Меньшие содержания железа объясняли уже сформировавшимся ядром Земли, недостаток легкоплавких элементов — потерями при столкновении, относительное обогащение тугоплавкими — потерей легкоплавких, а обогащение некогерентными элементами — большим количеством обогащенного ими поверхностного (корового) материала Земли, выбитого при ударе и вошедшего в состав Луны.
После столкновения оставшиеся на околоземной орбите обломки Тейи и фрагменты Земли начали слипаться в более крупные образования под действием взаимного притяжения — пока не собрались в частично расплавленную прото-Луну. На этой стадии, называемой в планетологии фазой магматического океана, началось выделение геологических оболочек планеты (стратификация).
Сначала из тяжелых элементов (Fe–Ni) сформировалось ядро. Попутно началась кристаллизация оливинов и пироксенов мантии, а немного позже — образование первичной анортозитовой коры (подробнее про строение Луны, лунную кору и мантию см. в новости На поверхности Луны обнаружен материал ее мантии, «Элементы», 13.06.2019). После завершения формирования коры и мантии и более позднего базальтового вулканизма, приведшего к образованию лунных морей, Луна приняла хорошо знакомый нам вид.
Ранние результаты численного моделирования также поддерживали импактную гипотезу, показав, что она хорошо объясняет суммарный угловой момент системы «Земля — Луна» и в ее рамках могло образоваться необходимое количество обедненного железом материала.
Однако в наиболее вероятном варианте развития событий, согласно этой гипотезе, для формирования Луны требуется 70–90% вещества Тейи (R. Canup, E. Asphaug, 2001. Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation). А из этого вытекает главная проблема импактной гипотезы: изотопные соотношения кислорода в лунных и земных породах слишком уж похожи. Чтобы это сходство внятно объяснить, требуется предполагать, что процесс формирования Луны обладал неординарными особенностями (также об этой проблеме читайте в новости Луна могла сформироваться из выплеснувшейся на орбиту земной магмы, «Элементы», 16.05.2019).
Самое простое предположение — формирование Земли и Тейи примерно на одинаковом расстоянии от Солнца (A. Mastrobuono-Battisti et al., 2015. A primordial origin for the compositional similarity between the Earth and the Moon). Этот сценарий, хоть и возможен теоретически, считается маловероятным. Альтернатива ему — переуравновешивание изотопов, то есть обмен изотопами до достижения одинаковых соотношений.
Оно могло происходить при взаимодействии материала, из которого формировалась Луна, с газовой фазой (K. Pahlevan, D. Stevenson, 2007. Equilibration in the afermath of the lunar-forming giant impact) или стать результатом очень крупного столкновения (R. Canup, 2012. Forming a Moon with an earth-like composition via a giant impact).
Конечно же, наряду с пересмотром нюансов импактной гипотезы формирования Луны параллельно шла ревизия старых и накопление новых результатов изотопных анализов кислорода из лунных пород (которые и вызвали противоречие). Недавно в журнале Nature Geoscience вышла статья американских геофизиков под руководством известного геохимика Захари Шарпа (Zachary Sharp) из Университета Нью-Мексико с описанием нового исследования лунных пород. Ученые пользовались новейшим оборудованием, которое позволяет очень точно измерять изотопные отношения.
Отдельные значения содержания того или иного изотопа не несут никакой очевидной информации, поэтому обычно в геохимии используются функции этих значений. Для изотопов кислорода применяются две такие функции — δ17О и δ18О, показывающие отклонение величин 17O/16O и 18O/16O в изучаемом образце от стандарта, за который принято значение этих же величин в VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) — специальным образом очищенной от примесей океанической воде. Оба показателя выражаются в промилле.
Различные физические и химические процессы, такие как кристаллизация минералов или фазовые переходы, ведут к изменению соотношений изотопов — фракционированию (см. Isotope fractionation). При этом происходит перераспределение изотопов между взаимодействующими средами. Чаще всего причиной является разница в массе изотопов. Например, при испарении более легкие изотопы с большей вероятностью попадают в газовую фазу, а более тяжелые — остаются в жидкой. Такой процесс называется масс-зависимым фракционированием. Механизмы масс-независимого фракционирования (mass-independent fractionation) таже известны, но гораздо более редки. Превращения одних изотопов в другие при фракционировании, естественно, не происходит — это возможно лишь в ядерных реакциях.
Масс-зависимое фракционирование изотопов кислорода — обычный процесс, происходящий при образовании планет. На диаграмме δ17О/δ18О анализы горных пород для каждого автономно образовавшегося небесного тела ложатся на линию с определенным наклоном и положением (рис. 2). Наклон линии определяется процессами обмена изотопами кислорода между разделяющимися оболочками формирующейся планеты, а положение — с исходным составом материала, из которого планета образовалась. Для Земли, например, угловой коэффициент соответствующей линии равен 0,528 (это так называемая TFL, Terrestrial Fractionation Line, — линия масс-зависимого фракционирования). Полученные в старых исследованиях усредненные значения для разных лунных образцов также лежат на этой линии, но с несколько большим разбросом (U. Wiechert et al., 2001. Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact). Также из рис. 2 можно заметить, что у линий, построенных для марсианский пород и для метеоритов, отколовшихся от астероида Веста, наклон почти такой же, как и у «земной» линии, что подтверждает универсальность законов масс-независимого фракционирования.
Рис. 2. Линия масс-зависимого фракционирования Земли (TFL). Кружочками отмечены изотопные соотношения для лунных пород (в масштабе графика разброс относительно TFL не виден), четырехугольниками — для марсианских пород, треугольниками — для метеоритов с астероида (4) Веста (HED — говардиты, эвкриты, диогениты). График из статьи U. Wiechert et al., 2001. Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact
Для удобного описания небольших отклонений изотопных соотношений кислорода от этой линии (изучению таких отклонений и посвящена обсуждаемая работа американских геохимиков) используется модифицированный показатель Δ17O = δ17O − 0,528·δ18O. В обсуждаемой статье авторы, для удобства, использовали линеаризованные виды функций δ17О, δ18О и Δ17O, которые они обозначали δ’17О, δ’18О и Δ’17O (см. раздел «Методы» обсуждаемой статьи).
Исследования с использованием более современных масс-спектрометров, в которых пересматривались значения изотопных показателей кислорода в лунных образцах, появились в середине 2010-х годов. Разные научные группы сходились во мнении, что лунные значения Δ’17O несколько больше земных, однако публиковали разные предположения о масштабах отклонения этой цифры от нуля (нулевое значение соответствовало бы тому, что значение изотопного показателя равно земному), лежащие в диапазоне от 0,001 до 0,012 промилле (см., например, D. Herwartz et al., 2014. Identification of the giant impactor Teia in lunar rocks).
Изучив различные типы лунных горных пород из коллекции, собранной миссией «Аполлон», Шарп с коллегами пришли к выводу, что предыдущий подход к анализу был не совсем корректен. По их мнению, сравнивать надо не только земные и лунные образцы, но и разные типы лунных пород между собой. Эта идея позволяет выявить верные значения соотношений изотопов кислорода не только для Луны, но и для Тейи и, возможно, разрешить главное противоречие импактной гипотезы.
Соотношения изотопов кислорода измерялись в двадцати трех лунных образцах, включающих базальты лунных морей с высоким и низким содержанием титана, анортозиты лунных материков, нориты и вулканические стекла, а также отдельные зерна минералов из них. Для сравнения также был произведен анализ двадцати двух образцов земных мантийных горных пород, принятых за среднее для силикатной части Земли, то есть без учета ядра (модель Bulk Silicate Earth, BSE). Получившееся среднее значение Δ’17O для Луны составило −0,056 ± 0,010‰, что полностью согласуется с предыдущими работами, а для Земли получилось −0,060 ± 0,004‰ (рис. 3).
Рис. 3. Полученные соотношения изотопов кислорода для земных и лунных образцов. Черными квадратами отмечены лунные образцы, черной линией показано среднее значение (−0,056 ± 0,010‰), красными кружочками — земные образцы, красной линией — среднее значение для них (−0,060 ± 0,004‰). График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience
Отличие практически незначительное, однако стоит обратить внимание на значительно больший разброс лунных значений (1σ = 0,0103‰) по сравнению с земными (1σ = 0,0037‰). Это и наводит на мысль о необходимости рассмотрения пород по отдельности, согласно их происхождению и виду.
Если сгруппировать все изотопные показатели по типам пород (рис. 4), то их различия между собой становятся очевидны. Авторы статьи предлагают считать получившуюся градацию соотношений изотопов кислорода результатом смешения двух изотопных резервуаров — двух больших скоплений вещества с различными соотношениями изотопов. Один из них — глубинное лунное вещество, наиболее близкое по изотопному составу к Тейе, а второй — обогащенный легкими изотопами силикатный газ, образовавшийся в результате столкновения.
Рис. 4. Значения Δ’17O для различных типов пород. Красный — породы мантии Земли, зеленый — лунное вулканическое стекло с низким содержанием титана (VLT = Very Low Ti, очень низкий уровень титана), оранжевый — базальты с высоким содержанием титана, желтый — базальты с низким содержанием титана, синий — породы лунной коры. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience
Относительная обедненность силикатного газа изотопом 17О, согласно существующим экспериментальным данным, стала результатом масс-независимого фракционирования этого изотопа при конденсации SiO2 в присутствии водорода (S. Chakraborty et al., 2013. Mass-independent oxygen isotopic partitioning during gas-phase SiO2 formation). Изотоп 17О преимущественно входил в состав конденсирующегося оксида, из-за чего в остаточном газе его становилось меньше и значение Δ’17O снижалось. Этот конденсат замешивался в лунный магматический океан, покрывавший всю планету, однако не оказывал особенного влияния, к примеру, на состав лунной мантии (ее тогда еще просто не было), влияя лишь на изотопные соотношения Луны в целом.
Авторы статьи полагают, что после начала стратификации магматического океана оставшийся газ с низкими значениями Δ’17O начал смешиваться с его верхней частью, меняя изотопные соотношения в ней. В пользу этого говорит и динамическое моделирование конвекции в лунном магматическом океане, показывающее, что сценарии, в которых вязкая холодная приповерхностная часть с низким Δ’17O почти не перемешивается с более горячими глубинными слоями вполне возможны (F. Spera. 1992. Lunar magma transport phenomena). Именно поэтому ранние образцы лунной коры (обозначены синим на рис. 4), наиболее показательными из которых являются анортозиты, образовавшиеся за счет всплывания кристаллов плагиоклаза в магматическом океане, имеют самые низкие значения Δ’17O. А вулканические породы, такие как низкотитанистые базальты и вулканические стекла (обозначены оранжевым и зеленым на рис. 4), образовавшиеся из мантийных расплавов, наоборот, почти не взаимодействовали с этим газом и сохранили значения, близкие к исходным изотопным соотношениям Тейи.
Изотопные различия между высокотитанистыми и низкотитанистыми базальтами также объясняются механизмами их образования в ходе остывания Луны. При кристаллизации лунного магматического океана тяжелые минералы, такие как оливин и пироксен, тонули и образовывали кумулаты различного локального состава, плавление которых в дальнейшем питало лунный базальтовый магматизм (C. Shearer et al., 2006. Termal and magmatic evolution of the Moon). В образовании этих базальтов участвовали как минимум два различных изотопных источника. Первым являлись глубинные кумулаты, не испытавшие воздействия газового облака, а вторым — «загрязненные» приповерхностные кумулаты (рис. 5). Если первые состояли преимущественно из пироксена и оливина, отражая начальные стадии застывания магматического океана, то вторые, возникшие на самых последних этапах, имели более сложный состав, включающий титанистый пироксен и ильменит (FeTiO3). Эти поздние породы были более тяжелыми, чем нижележащие.
Рис. 5. Значения показателя Δ’17O и содержание TiO2 в проанализированных лунных образцах. Цветные полосы на фоне показывают сравнительные значения для Земли (BSE, серый) и Луны (Pristine Moon, красный). Форма значка соответствует типу анализируемого вещества (вся порода, стекло, отдельные минералы). Зеленые квадратики — вулканическое стекло с низким содержанием титана, оранжевые значки — высокотитанистые базальты, желтые — низкотитанистые базальты. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience
Такая ситуация гравитационно неустойчива и приводила к тому, что породы с высоким содержанием титана тонули. Их смешение с нижележащими оливин-пироксеновыми кумулатами приводило к частичному плавлению, при этом возникающие магмы различались по степени смешения материала из глубинных и поверхностных источников. Этот процесс, как полагают ученые, привел к появлению высокотитанистых базальтов или даже всего спектра базальтов лунных морей (S. Zhong et al., 2000. A dynamic origin for the global asymmetry of lunar mare basalts). Таким образом, вторым механизмом, ответственным одновременно за возникновение лунных вариаций и TiO2, и Δ’17O в базальтах, предлагается считать гибридизацию магм. При подъеме через материал коры они могли также частично поглощать и перерабатывать его, что приводило к дальнейшему снижению Δ’17O.
Ученые смогли установить и возможные исходные значения изотопных соотношений для Тейи. В зависимости от количества ее материала, вошедшего в состав Луны (по разным моделям это от 70 до 90%,) получаются значения от −0,028‰ до −0,035 ‰, а как нижняя оценка дается значение −0,038‰ (рис. 6).
Рис. 6. Значение изотопного показателя кислорода в различных моделях столкновения прото-Земли и Тейи. Разными типами линий показаны три вероятных сценария, различающиеся массами обоих тел. По горизонтальной оси отложена доля вещества в составе Луны. График из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature Geoscience
Исходя из этих данных и из разумного предположения, что чем дальше от Солнца, тем выше Δ’17O, получается, что Тейя сформировалась на гораздо более удаленной орбите, чем Земля. Полученный авторами статьи результат избавляет от необходимости переуравновешивать изотопный состав Луны каким-то экзотическим способом или как-то объяснять одинаковые значения изотопных показателей кислорода для Земли и Тейи и дает возможность строить более реалистичные и точные модели различных лунных процессов. Обсуждаемая работа предлагает весьма элегантное решение главной проблемы импактной гипотезы формирования Луны и, возможно, закрывает дискуссию о способе образования спутника нашей планеты, переводя ее в область уточнения деталей столкновения.
Источник: elementy.ru
