Марс выглядит как планета, лучшие дни которой давно позади. Его вулканы потухли, кора неподвижна, и, в отличие от Земли, на нем никогда не развивались движущиеся тектонические плиты, которые постоянно меняют облик нашего мира.
Именно поэтому новое открытие удивило ученых. Глубоко под поверхностью Марса исследователи обнаружили свидетельства существования огромной магматической системы, которая когда-то простиралась через всю земную кору планеты. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomical.
До сих пор ученые считали, что для существования подобной геологической структуры необходимы тектоника плит. Если Марсу удалось сформировать столь сложную внутреннюю структуру без движения тектонических плит, то ингредиенты для создания благоприятной для жизни планеты могут быть гораздо более распространены, чем считали ученые ранее.
Миры, которые когда-то считались слишком маленькими или слишком тихими, заслуживают повторного внимания. Эти данные получены с помощью посадочного аппарата NASA InSight, который в 2018 году установил первый сейсмометр на поверхности Марса. Затем в течение нескольких последующих лет он регистрировал слабые внутренние толчки планеты.
Некоторые из этих толчков были вызваны ударами метеороидов. Другие — марсотрясениями, марсианскими аналогами землетрясений. Эти записи позволили исследователям гораздо точнее, чем раньше, изучить структуру под посадочным модулем.
Более ранний анализ тех же данных показал, что марсианская кора состоит из слоев, а не представляет собой единую твердую массу. Трещиноватые, водоносные породы залегают ближе к поверхности, уступая место более плотному материалу на большей глубине.
Примерно в 15 милях от берега находилась загадка. На этой глубине сейсмические волны резко меняли скорость, обозначая четкую границу, но никто не мог сказать, чем отличается порода наверху от породы внизу. Одни ученые интерпретируют это как древнее основание земной коры, в то время как другие видят в этом обычную слоистость в нижней части коры.
Чтобы выяснить, что означает эта граница, группа исследователей под руководством геолога Тобермори Маккей-Чемпиона из Оксфордского университета применила другой подход. Он и его коллеги собрали сотни возможных вариантов состава горных пород во внутренней части Марса.
Для каждого рецепта они рассчитывали, с какой скоростью должны распространяться сейсмические волны, а затем сравнивали эти прогнозы со скоростями, измеренными прибором InSight.
Остальное сделали статистические данные. Система оценки определяла, насколько хорошо каждый тип породы соответствовал данным, слой за слоем. Выше границы марсианской поверхности скала вела себя как базальт, темная вулканическая порода, покрывающая большую часть марсианской поверхности. Ниже же ситуация изменилась.
Эти более глубокие волны были слишком высокими для базальта. Вместо этого они соответствовали более плотной породе с низким содержанием кремнезема и высоким содержанием железа и магния — той, которую геологи называют ультрамафической породой.
Полученные результаты оказались неравномерными. Вероятность того, что нижний слой породы является ультрамафическим, составляла примерно 91 процент. Вероятность того, что верхний слой породы похож на базальт, составляла примерно 86 процентов.
В совокупности полученные результаты описывают полосу плотной, богатой железом породы толщиной примерно 14 километров у основания земной коры, начинающуюся примерно на глубине 24 километра.
Подобный слой образуется нелегко. Команда интерпретирует его как толстый слой кристаллов, образовавшийся в результате скопления магмы глубоко в земной коре и ее медленного охлаждения. По мере кристаллизации магмы под Марсом самые тяжелые минералы оседали и накапливались, в то время как более легкий расплав поднимался вверх.
При температурах, которые обычно достигаются в марсианской коре, ее нижние слои никогда не должны были нагреться до такой степени, чтобы расплавиться. Их тепловые модели показали, что только необычайно сильный поток тепла снизу мог вызвать это таяние.
Наиболее вероятным источником был подъем горячей мантии под Марсом, выталкивающий свежую магму в земную кору. В совокупности эти процессы образуют транскоровый магматизм — взаимосвязанную сеть горных пород, которая плавится, скапливается и поднимается через всю толщину земной коры.
На Земле подобные системы расположены под цепями вулканов и участвуют в формировании континентов. Ранее считалось, что для их функционирования необходима тектоника плит.
То, что команда наблюдает на Марсе, перекликается с процессами, изучаемыми на Земле на протяжении десятилетий. Независимые данные подтверждают эту картину. Исследование горных пород на дне кратера Езеро, детально изученное марсоходом НАСА «Персеверанс», показало аналогичное скопление кристаллов, образовавшееся в результате охлаждения мощного магматического массива.
Ведущий автор исследования видит в этом открытии более широкий урок. «Марс мог поддерживать существование крупных, долгоживущих систем, в которых расплавленная порода эволюционировала и перерабатывалась по всей земной коре», — сказал Маккей-Чемпион.
Та же сейсмическая граница обнаруживается на большей части северного полушария Марса. Это говорит о том, что погребенный слой простирается на сотни, а возможно, и тысячи километров, а не находится только под посадочным модулем.
Если команда права, то более лёгкий расплав, выдавленный из этого глубокого слоя, со временем поднялся бы к поверхности. Исследование более светлых, богатых кремнеземом пород в других местах на Марсе предполагает, что часть этих пород действительно достигла поверхности.
Эти глубинные магматические системы связаны с тем, как планета формирует атмосферу и удерживает воду, — условиями, которые позволяют поддерживать температуру, достаточную для жизни. Земля демонстрирует эту связь. Подобный процесс переработки помогает поддерживать климат стабильным на протяжении миллиардов лет, и исследователи долгое время связывали весь этот процесс с тектоникой плит.
Профессор Джон Уэйд, специалист по наукам о Земле из Оксфорда, работавший над исследованием, считает, что открытие, касающееся Марса, ослабляет это старое предположение. «Один из главных вопросов в планетологии — уникальна ли Земля», — сказал он.
До начала этих работ граница, расположенная примерно в 24 километрах ниже по течению, представляла собой необъяснимый сбой в сейсмической записи.
Теперь это выглядит как дно древней магматической системы, которая когда-то пронизывала всю кору Марса, образовавшись без единого движущегося тектонического плиты. Благодаря этому путь Земли к сложной, благоприятной для жизни земной коре выглядит не таким уж случайным. Это также дает охотникам за планетами повод внимательнее изучать небольшие, тихие миры, которые они когда-то могли игнорировать.
