Аномалии магнитного поля Луны вызваны включениями магнетита в реголите

Рис. 1. Карта напряженности магнитного поля Луны, построенная по данным автоматической межпланетной станции НАСА Lunar Prospector. Место посадки аппарата «Чанъэ-5» отмечено красной звездочкой. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Китайские ученые проанализировали образцы лунного грунта, доставленного на Землю аппаратом «Чанъэ-5», и установили, что сферические частицы реголита содержат субмикроскопические включения магнетита — минерала, обладающего намагниченностью. Исследователи считают, что присутствием этих включений, возникших во время ударных событий, можно объяснить загадочные аномалии магнитного поля на поверхности Луны.

В отличие от Земли, Луна не имеет дипольного магнитного поля из-за отсутствия геодинамо в ее ядре. А постоянное магнитное поле, фиксируемое на ее поверхности, весьма неоднородно (рис. 1). Существует несколько гипотез, объясняющих магнитные аномалии Луны. Первая предполагает, что намагниченность пород возникла в самом начале лунной истории, когда внутреннее геодинамо еще работало. Вторая — что магнитные аномалии возникли в результате импактных событий в эпоху образования лунных кратеров. Есть также мнение, что намагниченность сохранилась в материале, из которого сформировалась Луна в результате столкновения ранней Земли с гипотетической планетой Тейя, или возникала периодически в результате коротких импульсов магнитной активности, связанных с порционной дифференциацией материала лунной мантии (A. J. Evans, S. M. Tikoo, 2022. An episodic high-intensity lunar core dynamo).

Недавно проведенный анализ образцов, собранных и доставленных на Землю в рамках программы «Аполлон», показал, что отдельные зерна силикатов с магнитными включениями из лунных пород, образовавшихся 3,9, 3,6, 3,3 и 3,2 миллиарда лет назад, которые теоретически могли бы сохранить сигнатуры сильных палеомагнитных полей, таковых не содержат. То есть, судя по всему, долгоживущего динамо-эффекта в ядре Луны не было (J. A. Tarduno et al., 2021. Absence of a long-lived lunar paleomagnetosphere). В то же время в образцах из ударных кратеров ученые обнаружили сильную намагниченность и частицы импактного стекла, что согласуется со второй гипотезой. Но собственно магнитные минералы обнаружить не удалось.

Основные магнитные минералы — это оксиды железа и титана изоморфного ряда магнетит—титаномагнетит—ульвешпинель (Fe₃O₄ — Fe₂TiO₄). Считается, что резко восстановительная среда из-за постоянной бомбардировки ее протонами солнечного ветра делает маловероятным их присутствие на поверхности Луны. В образцах «Аполлонов» находили субмикроскопические фазы железа, похожие по структуре на магнетит, но достоверно присутствие этого минерала доказано не было.

Сильными магнитными свойствами обладает также метеоритное железо, представленное ферритом, известным также как альфа-железо (α-Fe) — одной из аллотропных разновидностей самородного железа, которое самостоятельно или в виде сплавов с никелем — камасита (см. Kamacite) и тэнита (см. Taenite) — слагает большую часть железных и железно-каменных метеоритов. Из-за отсутствия других вариантов долгое время феррит считали главной магнитной фазой на Луне, хотя трудно представить, что метеоритное железо, даже в мелкодисперсном виде, может покрывать значительные площади.

В декабре 2020 года, впервые после того, как в 1976 году на Луне побывала советская автоматическая межпланетная станция «Луна-24», на Землю прибыли новые образцы лунного грунта, собранные китайским аппаратом «Чанъэ-5». Ученые из Института геохимии Китайской академии наук детально изучили их минеральный состав методом рентгеноспектрального микроанализа и обнаружили субмикроскопические частицы магнетита.

На снимках, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, видно, что сферические зерна сульфидов железа диаметром менее 2 мкм, присутствующие в реголите, имеют кайму из самородного железа. Внутри зерен троилит-пирротинового состава находятся многочисленные микровключения металлического железа и магнетита размером около 100 нм, причем их тесная пространственная связь предполагает одновременное осаждение (рис. 2).

Рис. 2. Изображения зерна сульфида железа, полученные методами просвечивающей электронной микроскопии (а) и рентгеноспектрального микроанализа (b). Fe⁰ — самородное железо, Mag — магнетит, Tro-Po — троилит-пирротиновая матрица. Фото из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Еще одна особенность заключается в том, что краевая кайма чистого железа, которое было идентифицировано как α-Fe, содержит многочисленные поры, заполненные серой и кислородом, а также нитевидные сростки минералов кремния и кальция. Поры по своим размерам соизмеримы с частицами железа (около 60 нм), и большинство из них открытые, что позволяет предположить, что на краях сульфидных зерен происходила бурная реакция выделения газа. Внутри зерен также есть более мелкие закрытые пузырьки газовой фазы размером около 20 нм. Эллипсовидная форма, большое количество пор по краям зерен и образование чистого металлического железа указывают на то, что сферические зерна сульфида железа испытали высокотемпературное воздействие.

Объединив полученные данные с термодинамическими расчетами, исследователи пришли к заключению, что наблюдаемые взаимоотношения могли сформироваться при эвтектической реакции растворения FeO в сульфидах железа с образованием субмикроскопического магнетита и металлического железа (FeS + 6FeO = SO₂  + 4Fe + Fe₃O₄), которая имела место в газово-жидкой фазе, образующейся во время импактных событий. Точка эвтектики, когда все фазы находятся в термодинамическом равновесии, для подобного состава возникает при температуре 915°C и мольной доле FeS около 80% (рис. 3).

Рис. 3. Фазовая диаграмма состояния системы FeO–FeS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Интересно то, что авторы предыдущих исследований указывали на связь между магнитными аномалиями и крупными кратерами, но объясняли ее присутствием внутри кратеров и в материалах выброса ферромагнитных минералов импакторов — астероидов и метеоритов (M. A. Wieczorek et al., 2012. An Impactor Origin for Lunar Magnetic Anomalies), или считали, что магнетит образовался при разложении метеоритного вюстита (FeO) на магнетит (окисленные частицы) и металлическое железо (восстановленные частицы) при относительно низкотемпературных (около 570°C) гидротермальных процессах.

Китайские ученые предполагают, что мелковкрапленный магнетит может быть широко распространен в лунном реголите, особенно на обратной стороне Луны, где кратеров намного больше, а магнитные аномалии значительно сильнее (рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент карты напряженности магнитного поля Луны в районе места посадки «Чанъэ-5», обозначенного красной звездочкой. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

К тому же, «Чанъэ-5» прилунился на базальтовом плато, возраст которого составляет всего лишь около двух миллиардов лет. То есть, излияния лав на нем происходили уже после того, как этап поздней тяжелой бомбардировки (4,1–3,8 млрд лет назад), в течение которого сформировалось большинство кратеров Луны, завершился. Образцы, доставленные китайским аппаратом вообще самые молодые из всех лунных пород, когда-либо попадавших в руки исследователей.

В целом, по мнению авторов, сценарий образования магнетитсодержащих зерен выглядел так. Во время импактного события капли расплавленного сульфида железа соединялись с силикатными парами в газово-жидкую фазу. На стадии застывания сульфидного расплава газообразный компонент FeO в ходе реакции восстановления образовывал кайму из самородного железа вокруг сульфидных зерен, а также растворялся внутри в виде пузырьков. При последующем переходе FeO в твердую фазу происходило его разложение с образованием субмикроскопических частиц магнетита и чистого металлического железа.

Возможно, считаю исследователи, этот механизм был универсальным и действовал в период кратерообразования по всей поверхности Луны. Не случайно магнитные аномалии практически повсеместно совпадают с полями выбросов ударных пород.

Источник: Zhuang Guo, Chen Li, Yang Li, Yuanyun Wen, Yanxue Wu, Bojun Jia, Kairui Tai, Xiaojia Zeng, Xiongyao Li, Jianzhong Liu, Ziyuan Ouyang. Sub-microscopic magnetite and metallic iron particles formed by eutectic reaction in Chang’E-5 lunar soil // Nature Communications. 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-35009-7.

Владислав Стрекопытов