Марсоход Perseverance расшифровал геологическую историю кратера Езеро

Рис. 1. Так в представлении художника выглядело три с половиной миллиарда лет назад озеро в кратере Езеро. Иллюстрация с сайта nasa.gov

Результаты георадарного зондирования, которые провел марсоход Perseverance в западной части кратера Езеро, позволили восстановить этапы формирования его геологической структуры. Сначала, более трех с половиной миллиардов лет назад, здесь действовала вулканическая система, а потом, в течение нескольких миллионов лет существовало озеро, в которое впадали две реки. Ученые предполагают, что в сохранившихся озерных и дельтовых отложениях есть все шансы найти следы древней марсианской жизни.

Прошло три года с тех пор, как марсоход Perseverance («Настойчивость»), входящий в состав миссии НАСА «Марс-2020», начал свою работу на Красной планете. Аппарат совершил посадку 18 февраля 2021 года в кратере Езеро, расположенном к северу от марсианского экватора, на северо-западной окраине равнины Исиды — крупнейшей структуры ударного происхождения не только на Марсе, но и во всей Солнечной системе.

Кратер Езеро был выбран в качестве целевой площадки для работы миссии, так как геологические признаки указывали на то, что более 3,5 млрд лет назад здесь было озеро. Спектрометрическая съемка с борта орбитального спутника НАСА Mars Reconnaissance Orbiter, запущенного в 2005 году, показала, что породы, заполняющие кратер, содержат карбонаты и глинистые минералы, для образования которых нужна жидкая вода. По мнению ученых, если в ранние эпохи геологической истории Красной планеты на ней существовала жизнь, то ее следы должны сохраниться в местных озерных отложениях (подробнее об этом см. новость Кратер Езеро заготовил много интересного для марсохода «Марс-2020», «Элементы», 25.11.2019).

На северной и западной сторонах кратера есть два канала — русла древних рек. Напротив каждого из них на дне кратера отчетливо видны конусы осадочных дельтовых отложений. Наиболее крупные скопления карбонатных и глинистых пород приурочены к западной дельте. При спектрометрической съемке в них также идентифицировали гидратированный кремнезем — еще один индикатор отложения в водной среде. По оценкам геологов, формирование дельтовых отложений продолжалось от одного до десяти миллионов лет. Этого достаточно, чтобы в таком месте — на теплом мелководье, куда река сносит питательные вещества, собранные с большой территории — могла развиться жизнь. А слои кремнистых осадков, как известно, способствуют максимальной сохранности биоматериала.

Рис. 2. Русло древней реки и дельтовые отложения в западной части кратера Езеро. Отмечено место плановой посадки марсохода Perseverance. Фото с сайта mars.nasa.gov

Изначально миссия «Марс-2020» была нацелена на сбор и анализ образцов осадочных пород дна озера и дельты древней реки, однако посадить марсоход в зону дельты не удалось из-за сложности рельефа. Литифицированные (спрессованные) осадочные отложения оказались более устойчивы к выветриванию, чем окружающие их пирокластические, обломочные породы вулканического происхождения, и бывшие рукава русла реки сейчас представляют собой хребты, возвышающиеся над равнинной местностью дна кратера. Поэтому марсоход решили посадить не в зону дельты, а на плоское дно кратера напротив нее.

Посадка произошла на 1,7 км юго-западнее уступа, сформированного дельтовыми отложениями, от которого Perseverance отделял участок, покрытый песками. Пересекать его напрямую посчитали рискованным из-за опасности увязнуть, так что марсоход пошел на юг — обходным путем. Но через несколько месяцев, в начале ноября 2021 года, он снова уперся в пески. Тогда приняли решение вернуть аппарат в исходную точку и отправить его к дельте уже северным путем (рис. 3).

Рис. 3. Маршрут марсохода Perseverance: красным показано место посадки; голубым — место нахождения 12 декабря 2023 года. Рисунок с сайта mars.nasa.gov

Несмотря на то, что путь от места посадки до южной оконечности области песков и обратно был незапланированным, он дал возможность получить обширную информацию о магматических и осадочных породах, слагающих основание кратера, и собрать их образцы. Это существенно облегчило работу на последующем этапе радиолокационных исследований — ученые уже знали физические свойства пород и могли уверенно идентифицировать их на геофизических профилях (подробнее о первом этапе работ см. новость Марсоход Perseverance собрал первые данные о магматических породах Марса, «Элементы», 31.10.2022).

То, что в нойский период (4,1–3,5 млрд лет назад) в кратере существовало озеро, в которое впадали реки, никто не сомневался. Однако возраст озерных и дельтовых отложений, а также их стратиграфические взаимоотношения с подстилающими породами не были определены. Изначально на основе орбитального картирования и спектроскопических данных был сделан вывод о том, что отложения западной дельты окружены более молодыми, темными породами вулканического происхождения, заполняющими большую часть кратера. Но последующий анализ показал, что западная дельта стратиграфически лежит выше всех пород основания.

Чтобы понять общую последовательность событий геологической и гидрологической истории кратера Езеро и всего Марса, нужно было точно определить, что образовалось раньше, а что позже: озерные и речные отложения, в которых могут быть следы жизни, или площадные поля лавы, разлившейся на огромной территории. А это возможно было сделать только на месте, с помощью геофизических приборов, способных зондировать недра.

Для этого марсоход Perseverance оснастили георадаром RIMFAX (Radar Imager for Mars' subsurface experiment — Радиолокационный визуализатор для марсианского подповерхностного эксперимента). Прибор для миссии предоставил Научно-исследовательский институт Министерства обороны Норвегии. В характеристиках георадара заявлено, что он способен просвечивать недра на глубину 10 м, получать изображения грунтов разной плотности, картировать структуры пород и обнаруживать залежи подземного водяного льда и соляных рассолов.

Принцип действия прибора следующий: через каждые 10 см пути он излучает радиосигнал, проникающий в подповерхностные слои. Регистрируя отраженные волны, возвращающиеся с глубины, георадар строит изображение профиля недр, на котором видны породы с различными физическими свойствами и границы раздела между ними с точностью до одного сантиметра.

После завершения северного обхода в середине апреля 2022 года Perseverance вышел к фронтальной части дельтовых отложений. Здесь стартовал основной этап георадарных исследований. В период с мая по декабрь марсоход дважды пересекал контакт между дном кратера и западной дельтой — в районе уступа, сложенного дельтовыми отложениями, получившего имя мыс Нукшак (Cape Nukshak), и в ущелье Хоксбилл (Hawksbill Gap) — горном проходе, ведущем со дна кратера в дельту древней реки. По результатам проходов были построены два радиолокационных профиля (рис. 4).

Рис. 4. Район георадарной съемки в западной части кратера Езеро. Серые линии — путь марсохода Perseverance; желтые — участки пути, на которых работал георадар; белый пунктир — сечения геофизических профилей; красный пунктир — контакт отложений дельты с породами дна кратера; зеленый пунктир (L₁, L₂) — границы слоев основания, которые удалось отследить по данным подземной радиолокации. На врезке — полный путь марсохода от места приземления до места георадарной съемки, а также предварительно выделенные геологические единицы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Чтобы понять, как соотносятся дельтовые отложения с породами основания кратера, ученые проанализировали оба профиля. Это помогло уточнить стратиграфию отложений в западной части кратера Езеро и восстановить этапы его геологической истории. Результаты изложены в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Рис. 5. Радиолокационный профиль контакта дельтовых отложений с дном кратера в районе ущелья Хоксбилл. Air wave — помехи, созданные наведенными радиоволнами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Мощность георадара RIMFAX на деле оказалась вдвое выше, чем изначально заявляли разработчики. Сделанные с его помощью радарограммы позволили раскрыть детали строения недр до глубины 20 м. Выяснилось, что в районе ущелья Хоксбилл контакт дельтовых отложений и пород основания практически горизонтальный, а на мысе Нукшак — падает в северо-северо-восточном направлении под углом около 12 градусов. В обоих профилях видно, что дельта сложена горизонтальными слоистыми отложениями. Внутри же пород основания наблюдается прерывистая наклонная слоистость (рис. 5, 6).

Рис. 6. Радиолокационный профиль контакта дельтовых отложений с дном кратера в районе мыса Нукшак. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

На основе результатов профилирования авторы построили трехмерные модели подповерхностных слоев западной части кратера Езеро (рис. 7).

Рис. 7. Блок-диаграммы, построенные по результатам георадарного профилирования: A и B — район ущелья Хоксбилл; C — район мыса Нукшак. Слои, сильнее отражающие радарный сигнал, —более темные. Airwave echo — помехи, созданные наведенными радиоволнами. Масштаб по вертикали увеличен в два раза. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

То, что дельтовые отложения залегают на подстилающих породах с несогласием, указывает в первую очередь на то, что породы западной дельты однозначно моложе самых молодых пород основания кратера — вулканитов формации Мааз (подробнее о вулканических формациях кратера Езеро см. новость Марсоход Perseverance собрал первые данные о магматических породах Марса, «Элементы», 31.10.2022). Причем кратер после окончания лавовых излияний, очевидно, не сразу заполнился водой, а некоторое время оставался сухим. Породы его основания подвергались эрозии и ударному воздействию космических тел — на дне обнаружили множество мелких импактных структур.

Анализ стратиграфических взаимоотношений между слоями позволил определить основные этапы формирования геологической структуры кратера Езеро (рис. 8).

Рис. 8. Этапы формирования геологической структуры кратера Езеро: A — формирование основания кратера; B — ранний этап эрозии дна; C — образование мелких ударных кратеров; D — образование горизонтальных слоев озерных отложений; E — повышение уровня озера, накопление дельтовых отложений; F — пересыхание озера, поздний этап эрозии, образование уступов и останцов; G — продолжение эрозии, образование поздних ударных кратеров. Условные обозначения: 1 — грубые/тонкие дельтовые отложения; 2 — вода озера; 3 — озерные отложения; 4 — вулканические породы основания кратера; 5 — стенка кратера. Прямоугольником обозначен участок георадарной съемки. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Ученые считают, что сам кратер образовался примерно 3,9 млрд лет назад, в середине нойского периода, его основание сложено вулканическими породами возрастом от 3,9 до 3,8 млрд лет (на которые местами накладывают осадочные озерные и эоловые отложения). Комплекс пород дельты сформировался 3,75–3,5 млрд лет назад, в поздненойско-раннегесперийское время. Определить, сколько конкретно прошло времени между этими двумя эпизодами и сколько длился период эрозии дна кратера, по имеющимся данным невозможно.

Нижние слои конуса дельты строго горизонтальные. По мнению исследователей, они образованы озерными отложениями, осаждающимися в условиях обширного спокойного водоема. Постепенно уровень озера повышался. Вместе с ним росла высота конуса речных наносов. После этого, как считают авторы, наступил сухой период. Воды в озере становилось все меньше, а спокойное течение реки сменилось эпизодическими бурными потоками. На это указывает наличие множества валунов в недифференцированных осадках верхней части дельтовых отложений.

Затем озеро пересохло и начался второй этап эрозии. В этот период в западной части кратера сформировались крутые уступы и останцы, образованные литифицированными озерными и дельтовыми отложениями. Более поздние события геологической истории кратера связаны в основном с падением космических тел, оставивших небольшие ударные воронки по всей его поверхности, включая дельтовые отложения.

Исследователи отмечают, что геофизические данные в целом подтвердили представления о геологической истории кратера Езеро, сформированные на основе дистанционных наблюдений. Главным, по словам авторов, стало доказательство того, что на протяжении многих тысячелетий в кратере Езеро действительно существовало озеро. Значит, в местных осадочных породах есть шанс обнаружить следы жизни. Но для этого нужно получить реальные образцы.

Всего на сегодняшний день Perseverance собрал 23 из запланированных 38 образцов пород. По окончании работ он оставит их в определенном месте на поверхности Марса. А на Землю их доставит специальная миссия, которую сейчас готовят НАСА и ЕКА. Произойдет это не раньше 2030 года.

Источник: David A. Paige, Svein-Erik Hamran, Hans E. F. Amundsen, Tor Berger, Patrick Russel, Reva Kakaria, Michael T. Mellon, Sigurd Eide, Lynn M. Carter, Titus M. Casademont, Daniel C. Nunes, Emileigh S. Shoemaker, Dirk Plettemeier, Henning Dypvik, Sanna Holm-Alwmark, Briony H. N. Horgan. Ground penetrating radar observations of the contact between the western delta and the crater floor of Jezero crater, Mars // Science Advances. 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adi833.

Владислав Стрекопытов