Датировка циркона из метеорита NWA 7034 сократила длительность марсианского «окна спокойствия»

Рис. 1. Части метеорита NWA 7034. Слева — текстура коры плавления, справа — внутренняя структура. Из-за блестящей черной коры плавления этот метеорит получил неофициальное название «Черная красавица» (Black beauty) Фото с сайта curator.jsc.nasa.gov

После формирования первичной коры ~4,5 млрд лет назад Марс подвергся интенсивной метеоритной бомбардировке. В то время у Марса еще была плотная атмосфера и магнитное поле, а на поверхности присутствовали водоемы. Столкновения с крупными космическими телами приводили в том числе и к потере легких летучих веществ — таких как вода. В предыдущих работах предполагалось, что интенсивность катастрофических импактных событий уменьшилась ~4,48 млрд лет назад и что примерно 4,2 млрд лет на поверхности Марса установились вполне спокойные условия, напоминающие земные. Этот гипотетический период истории Марса называют «окном спокойствия». В свежем выпуске журнала Science Advances вышла статья с описанием кристалла циркона из прилетевшего на Землю с Марса метеорита NWA 7034. Этот циркон запечатлел в себе свидетельство масштабного импактного события, случившееся заведомо после появления самого кристалла, который, по оценке авторов статьи, кристаллизовался 4,45 млрд лет назад. Вкупе с анализом возрастов древнейших марсианских кратеров, также проведенным в рамках этой статьи, датировка циркона из метеорита NWA 7034 служит весомым аргументом против гипотезы об «окне спокойствия».

Марс — каменистая планета земного типа. Ранние периоды геологической истории Марса и Земли похожи: на Красной планете тоже были магнитное поле, плотная атмосфера и водоемы. На наличие аналогичного земному магнитного поля у древнего Марса указывают как остаточная намагниченность коры, картированная аппаратом Mars Global Surveyor (J. E. P. Connerney et al., 2012. The global magnetic field of Mars and implications for crustal evolution), так и палеомагнитные измерения минералов из марсианских метеоритов, таких как знаменитый ALH 84001 (B. P. Weiss et al., 2002. Records of an ancient Martian magnetic field in ALH84001). Русла древних рек отлично видны на космоснимках (см. новость Кратер Езеро заготовил много интересного для марсохода «Марс-2020», «Элементы», 25.11.2019), а марсианские осадочные породы, образовавшиеся в водных условиях, неплохо изучены марсоходом Curiosty в кратере Гейл за последние восемь лет (E. B. Rampe et al., 2020. Mineralogy and geochemistry of sedimentary rocks and eolian sediments in Gale crater, Mars: A review after six Earth years of exploration with Curiosity). Первые свидетельства того, что раньше у Марса была солидная атмосфера, которую он со временем почти полностью потерял, были собраны еще «Викингами» и позже подтверждены детальными измерениями элементного и изотопного состава (B. M. Jakosky, 2021. Atmospheric Loss to Space and the History of Water on Mars). Одним из самых очевидных аргументов в пользу существования у Марса в прошлом гораздо более массивной атмосферы является высокое значение отношения тяжелого изотопа водорода дейтерия (D или ²H) к более легкому (¹H), объясняющееся избирательной потерей последнего в течение долгого времени (J. P. Greenwood et al., 2008. Hydrogen isotope evidence for loss of water from Mars through time).

На Марсе действовали и гидротермальные системы, в которых образовывались различные органические соединения углерода — возможная первая ступень абиогенеза. Обнаружение таких соединений в марсианских метеоритах (подробнее см. новость Органические вещества в марсианском метеорите ALH 84001 образовались в результате серпентинизации, «Элементы», 28.01.2022) в 1990-х стало основой гипотезы о том что в какой-то момент на этой планете могла существовать жизнь. Когда она могла возникнуть — вопрос не менее спорный, чем сама гипотеза, однако мы довольно точно знаем, после какого момента этого не могло произойти: период сколько-нибудь благоприятных условий на Марсе завершился 3,5 млрд лет назад. Из-за небольшого размера и особенностей строения к этому времени ядро Марса охладилось настолько, что «динамо-машина», поддерживавшая магнитное поле, остановилась (подробнее об этом см. новость Сейсмологические данные миссии InSight позволили уточнить размеры геологических оболочек Марса, «Элементы», 02.09.2021). Исчезновение магнитного поля резко ускорило потерю воды с поверхности и превратило Марс в каменистую пустыню, наблюдаемую сегодня. Однако гипотеза о возможности существования жизни на Марсе до рубежа 3,5 млрд лет назад является до сих пор предметом серьезного обсуждения в научных кругах и включается в обоснование для финансирования некоторых марсианских миссий.

По современным представлениям одним из важнейших условий для существования жизни на планете является наличие жидкой воды. Марс находится в зоне обитаемости, поэтому для него это условие выполняется. Кроме воды для зарождения и развития жизни необходима относительная стабильность условий на планете: благоприятные условия должны сохраняться на протяжении сотен миллионов лет. Нарушать эту стабильность и приводить к вымираниям или вообще полной стерилизации планеты (если жизнь на ней таки смогла зародиться) могут масштабные извержения вулканов или падения крупных метеоритов. Самыми известными примерами таких катастрофических событий из земной истории являются формирование Сибирских траппов, приведшее к пермскому вымиранию (подробнее см. новость Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания, «Элементы», 25.09.2018), и падение астероида Чикшулуб (Чиксулуб), определившее границу мелового и палеогенового периодов (см. новость Основная причина мел-палеогенового вымирания — падение астероида, а не формирование Деканских траппов, «Элементы», 05.03.2020).

И метеоритная бомбардировка, и катастрофические извержения присутствовали в ранней истории Марса. Так, очень интенсивный вулканизм в провинции Фарсида продолжался ~500 млн лет до начала гесперийского периода (3,74 млрд лет назад) (см. P. Whelley et al., 2021. Stratigraphic Evidence for Early Martian Explosive Volcanism in Arabia Terra). Более того, судя по данным миссии InSight, магматический расплав скорее существует в этой области под поверхностью до сих пор.

Изучать изменение интенсивности метеоритной бомбардировки Марса нам помогает отсутствие на нем субдукции и обновления поверхности. Это позволяет исследовать даже древнейшую геологическую историю этой планеты в период 3,5–4,5 млрд лет. К слову, на Земле об этом времени сохранилось гораздо меньше информации.

Одной из наиболее странных особенностей этой периода древней геологической истории Марса является разница в высотах между южным полушарием и северным планеты. Северное полушарие представляет собой огромную низменность (42% поверхности), тогда как в южном сплошь возвышенности. Основной гипотезой формирования этой особенности является столкновение с гигантским космическим объектом диаметром 1600–2700 км (M. Marinova et al., 2008. Mega-impact formation of the Mars hemispheric dichotomy). Если эта гипотеза подтвердится, то северное полушарие Марса окажется самым крупным метеоритным кратером Солнечной системы. Само столкновение однозначно было событием несовместимым с существованием каких-либо живых организмов, поэтому оно является второй теоретической временной границей в обсуждении возможности древней жизни на Марсе. Однако из-за крайней древности этой структуры и невозможности прямого исследования время ее образования поначалу оценивалось весьма приблизительно.

Попытка точной датировки была предпринята в 2019 году (D. Moser et al., 2019. Decline of giant impacts on Mars by 4.48 billion years ago and an early opportunity for habitability): ученые предположили, что она сформировалась более 4,48 млрд лет назад, а после этого наступило так называемое «окно спокойствия» — снижение интенсивности метеоритной бомбардировки. Чтобы прийти к такому выводу, они проанализировали кристаллы минералов циркона (ZrSiO₄) и бадделеита (ZrO₂) из метеорита NWA 7034 (рис. 1). Эти минералы обычны для коровых пород и обладают способностью сохранять следы резких нагревов или сжатий, происходивших с ними в далеком прошлом, тем самым идеально подходя на роль источника информации о падениях крупных метеоритов. При падении метеорита образуется высокоэнергетическая ударная волна, проходящая через кристаллы, поэтому, исследовав возникающие при этом характерные повреждения кристаллической структуры минерала, можно сделать вывод о масштабе события. Кроме того цирконы и бадделеиты при росте могут накапливать уран и торий, что делает возможным определение их абсолютного возраста уран-свинцовым методом (подробнее об этом см. картинку дня Древнейший циркон). А этот возраст является нижней границей для момента падения метеорита, вызвавшего повреждения структуры кристалла: циркон уж точно не мог «запомнить» то, что произошло до его возникновения, а значит метеорит упал после его формирования.

NWA 7034 — весьма примечательная марсианская горная порода, хотя с точки зрения планетолога такое можно сказать обо всех 324 марсианских метеоритах, известных нам на сегодняшний день. Он был найден на просторах Сахары и попал в руки ученых в 2011 году. Как и многие другие метеориты с буквами NWA (North-West Africa, Северо-Западная Африка) в названии, он был собран жителями пустыни и продан местному торговцу, так что установить точное место и время его падения невозможно. Описанию этого метеорита в 2013 году была посвящена целая статья в журнале Science, в которой на основе сходства петрологического и изотопного составов устанавливалось его марсианское происхождение (C. B. Agee et al., 2013. Unique Meteorite from Early Amazonian Mars: Water-Rich Basaltic Breccia Northwest Africa 7034). Подобной чести удоставаются лишь наиболее важные и интересные для науки метеориты.

NWA 7034 — осадочная горная порода, если точнее — полимиктовая брекчия. То есть он сам состоит из обломков как магматических пород, так и осадочных (рис. 2). В процессе выбивания с поверхности Марса большая часть слагающих его минералов испытала давление 5–10 гигапаскалей, что соответствует падению относительно небольшого метеорита. В упоминавашемся исследовании 2019 года не было обнаружено никаких более серьезных следов ударной деформации в цирконах этого метеорита и на основе этого факта и возраста породы был сделан вывод о том, что начиная с 4,48 млрд лет интенсивность метеоритной бомбардировки Марса снизилась.

Рис. 2. Срез фрагмента метеорита NWA 7034. Разными цветами показано распределение различных химических элементов, полученное с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии: железо — красный, кальций — зеленый, магний — синий. Кусочки пород больше 1 мм обведены пунктиром. Врезки показывают кристалл циркона с шоковыми деформациями (параллельные линии на правой врезке). Sedimentary — осадочная порода, basalt — базальт, vitrophyre — порода с порфировой структурой и стекловатой основной массой, devitrified glass — девитрифицированное стекло. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Однако, как выяснилось, авторы статьи 2019 года просто плохо искали. Опубликованная в Science Advances на прошлой неделе статья базируется на анализе тех же самых цирконов в том же самом метеорите NWA 7034 и посвящена опровержению гипотезы об «окне спокойствия».

Авторы проанализировали 66 зерен циркона в трех образцах этого метеорита с использованием сканирующего электронного микроскопа и катодолюминесцентного анализа. Так как NWA 7034 — порода осадочная, в ней встречаются цирконы разного возраста и происхождения. Самая древняя популяция цирконов кристаллизовалась из магматического расплава ~4,4 млрд лет назад. Работа 2019 года основывалась на анализе особенностей именно этой группы кристаллов, и в них действительно нет следов ударных деформаций в период 4,3–1,7 млрд лет. Вторая, более молодая (~299 млн лет) популяция цирконов имеет вулканическое происхождение и связана с извержением вулканов в области Элизиума или в провинции Фарсида. Сама же осадочная порода сформировалась не ранее 225 млн лет назад и была выбита с поверхности Марса около 5 млн лет назад. Эта очень детальная геологическая история была получена благодаря изучению нескольких изотопных систем в ряде разновозрастных минералов, входящих в состав NWA 7034. В основу легли датировки, представленные в статье 2018 года (W. S. Cassata et al., 2018. Chronology of martian breccia NWA 7034 and the formation of the martian crustal dichotomy), дополненные результатами авторов обсуждаемой статьи.

Рис. 3. Крупный план кристалла циркона с ударными деформациями (диагональные темные полосы). Изображение, полученное с помощью СЭМ, из обсуждаемой статьи в Science Advances

В одном из образцов NWA 7034 ими было обнаружено зерно циркона возрастом ~4,45 млрд лет с хорошо выраженными ударными деформациями (рис. 2). Они представлены проявлением двойникования по кристаллическому направлению {112}. Известно, что образование этих структур характерно для шоковых давлений 20–30 гигапаскалей или более, да и в целом этот циркон практически неотличим от земных цирконов из трех самых больших древних кратеров — Вредефорт (диаметр ~300 км), Садбери (~250 км) и Чикшулуб (~180 км) (рис. 3).

Авторы смогли восстановить и историю самого необычного кристалла циркона, размер которого составляет всего около 50 микрон. Комбинируя данные об истории породы метеорита и наблюдаемые в кристалле деформации, они заключили, что его история разбивается на несколько этапов. Оценка давления указывает на то, что этот циркон происходит из центра кратера диаметром несколько сотен километров (рис. 4, А) и был выброшен за кромку при его формировании (рис. 4, B). При выветривании содержащей его импактной горной породы он оказался на поверхности (рис. 4, С) и через какое-то время за счет транспорта с участием ветра, воды или небольших метеоритов оказался в зоне формирования осадочной породы (рис. 4, D). Позже кусок этой породы с цирконом, теперь известный как метеорит NWA 7034, был выбит с поверхности Марса и долетел до Земли, упав в песках Сахары.

Рис. 4. Геологическая история рассматриваемого в статье зерна циркона. А — центральное поднятие кратера, место откуда кристалл был выбит; В — кристалл в составе импактита за кромкой кратера; С — в ходе разрушения импактита кристалл оказывается на поверхности и транспортируется в зону образования осадочной породы (D). Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Конечно, описанный сценарий является лишь одним из возможных, а история путешествий кристалла основана на экстраполяции известных геологических механизмов. Однако в ней нет никаких особенных фантазий или преувеличений: в цирконе «записано», где он образовался, а по метеориту мы однозначно видим, куда он попал. Основываясь на изучении земных кратеров — таких, например, как кратер Рис в Баварии (см. картинку дня Кратер Рис), мы хорошо знаем, как разлетается вещество из центра кратера и что с ним происходит дальше. Очевидно, что зерно циркона с ударными деформациями находится в осадочной горной породе вне родного импактита. Мы также знаем, что циркон — типичный минерал россыпей и что он отлично сохраняется и путешествует после разрушения содержавшей его породы. Поэтому заключительный этап с выветриванием и перемещением также является не спекуляцией, а очень простым и наиболее вероятным предположением.

Рис. 5. Сравнение геологической истории Земли и Марса. По горизонтальной оси указано время в миллионах лет. Пиктограммы метеоров обозначают значительные импактные события, размер значка отражает размер метеорита. Зеленым показаны условия, благоприятствующие существованию жизни. Если в случае Земли они длятся миллиарды лет, то в случае Марса — максимум несколько сотен миллионов. Вертикальная черная граница с круглым значком (Zircon crystallization) показывает время формирования циркона; период, обозначенный цифрой 1, — наиболее вероятное время появление ударных деформаций; период, обозначенный цифрой 2, — менее вероятное, но также возможное. На оси Марса пиктограмма капли на отметке 3,8 млрд лет назад означает первые признаки наличия жидкой воды (рельеф), а перечеркнутая капля на 3,5 млрд назад — потерю атмосферы и поверхностной воды. На оси Земли пиктограмма капли на 4,3 млрд лет назад означает первое свидетельство наличия жидкой воды (полученное на основе анализа изотопов кислорода в цирконе). Зелеными точками указаны первые изотопные следы жизни (4,1 млрд лет назад), первые минералогические следы жизни (3,8 млрд лет назад) и первые окаменелости (3,5 млрд назад). Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances

Падение достаточно крупного метеорита, произошедшее после формирования циркона 4,45 млрд лет назад и выбившее его из родительской породы, уже противоречит идее о затишье в бомбардировке Марса, начавшейся 4,48 млрд лет назад. Заподозрив, что с гипотезой об «окне спокойствия» что-то не так, авторы обсуждаемой статьи решили проанализировать возрастное распределение наиболее значительных марсианских кратеров, возникших примерно в те времена. Сделав это, они обнаружили, что характеристики (размер и возраст) этих кратеров также противоречат этой гипотезе. Равнина Эллада диаметром 2000 км имеет возраст 4,13–4,05 млрд лет, равнина Аргир (1300 км) — 4,07–4 млрд лет, равнина Исиды (1400 км) — 3,92 млрд лет, а кратер Гейл (154 км) — 3,8–3,6 млрд лет. Как бы странно это ни звучало, но в исходной статье об «окне спокойствия» действительно не был проанализирован возраст кратеров. Гипотеза базировалась преимущественно на основе авторской модели остывания коры, а также на геохимических и минералогических данных. Географические наблюдения были не учтены, что очень хорошо заметно при сравнении рисунков 5 и 6.

Рис. 6. Геологическая история молодых Земли и Марса по версии авторов статьи D. Moser et al., 2019. Decline of giant impacts on Mars by 4.48 billion years ago and an early opportunity for habitability. Зеленой стрелкой показан период гипотетической «обитаемости». Черный круг слева — падение метеорита, создавшего низменность северного полушария Марса. Серый круг слева внизу — формирование Луны (эпизод из земной истории). Вдоль числовой оси указана модельная температура на поверхности. Можно видеть, что на схеме отсутствует упоминание о падениях крупных метеоритов в период 4,1–3,7 млрд лет назад. Рис. 5, по сути, является перерисовкой этой схемы с добавлением крупных метеоритных событий

Представленные в обсуждаемой работе данные не только показывают, что в метеорите NWA 7034 есть минералогические следы падений больших метеоритов уже после отметки 4,48 млрд лет назад, но и ставят под вопрос саму гипотезу «окна спокойствия». Очень весомым аргументом против нее, наряду с описанным цирконом, является анализ распределения возрастов кратеров. Если выводы статьи верны, то гипотеза о существовании длительного «окна спокойствия» окажется некорректной. Это означает, что условия на молодом Марсе были далеки от благоприятных для зарождения жизни, а возможный промежуток, когда это могло произойти, сокращается с миллиарда лет до нескольких сотен миллионов лет. И, возможно, именно многокилометровые метеориты, падавшие каждые сто миллионов лет, могут быть ответственны за то, что на Марсе не возникла жизнь, несмотря на наличие жидкой воды и атмосферы.

Источник: Morgan A. Cox, Aaron. J Cavosie, Kenneth J. Orr, Luke Daly, Laure Martin, Anthony Lagain, Gretchen K. Benedix, Phil A. Bland. Impact and habitability scenarios for early Mars revisited based on a 4.45-Ga shocked zircon in regolith breccia // Science Advances. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abl7497.

Кирилл Власов