«Моложавость» Луны объясняется переплавкой ее коры и мантии

Рис. 1. Так в представлении художника выглядела лунная поверхность в период вулканической активности, через несколько сотен миллионов лет после образования Луны. Рисунок с сайта eurekalert.org

Результаты моделирования, проведенного авторами исследования, опубликованного в журнале Nature, подтверждают древний возраст Луны (4,43–4,51 млрд лет) и предлагают объяснение того, почему на поверхности Луны не сохранились породы древнее 4,35 млрд лет. Исследователи считают, что в это время Луна испытала приливный разогрев, связанный с эволюцией ее орбиты. Полная переплавка коры и мантии привела к «сбросу» реального изотопного возраста лунных пород. Новая гипотеза объясняет и ряд других загадок Луны, например, почему на ее поверхности нет ударных кратеров, относящихся к этапу ранней бомбардировки, или почему в лунной мантии меньше сидерофильных элементов, чем в мантии Земли.

Существует несколько гипотез происхождения Луны. Одна из самых популярных сейчас — модель ударного формирования, согласно которой Луна возникла в результате столкновения молодой Земли с гипотетической планетой Тейя, по размерам сходной с Марсом. В результате этого «гигантского столкновения» ядра двух планет слились, а фрагменты их силикатных мантий были выброшены в космос, где из них сформировалась Луна.

Время этого события обычно оценивают путем датирования образцов лунных пород, которые предположительно кристаллизовались из лунного магматического океана, возникшего после «гигантского столкновения». Возраст древнейших лунных пород, полученный с помощью методов радиоизотопного датирования, составляет около 4,35 млрд лет. Однако отдельные зерна циркона (ZrSiO₄), обнаруженные на поверхности Луны, более древние — до 4,51 млрд лет.

Циркон — минерал магматического происхождения. Исходя из этого, ученые делают вывод о том, что «гигантское столкновение», которое привело к формированию Луны и образованию на ее поверхности магматического океана, произошло не позднее, чем 4,51 млрд лет назад. Эта оценка хорошо согласуется с динамическими моделями образования планет земной группы. Но почему не сохранились горные породы, относящиеся к этому, самому раннему, этапу геологической истории Луны — до конца не ясно.

Результаты нового исследования, проведенного учеными из Франции, Германии и США, показывают, что около 4,35 млрд лет назад из-за приливного разогрева, связанного с эволюцией орбиты Луны, произошла полная переплавка лунной поверхности, в результате которой исчезли более древние породы — производные первичного магматического океана. От них остались только тугоплавкие зерна цирконов. Статья опубликована в журнале Nature.

Приливный разогрев возникает вследствие приливного ускорения, вызванного гравитационно-приливным взаимодействием. Возникающая при этом тепловая энергия рассеивается в недрах планеты или спутника. Приливный разогрев является причиной вулканической активности на большинстве малых тел Солнечной системы, среди которых самым ярким примером является Ио, спутник Юпитера. Его вытянутая орбита сформировалась в результате орбитального резонанса с другими галилеевыми спутниками Юпитера, прежде всего — Европой и Ганимедом. Этот же процесс, но проявленный в меньшей степени, мог стать причиной плавления подповерхностных слоев льда и образования подледного океана на Европе и спутнике Сатурна Энцеладе.

Авторы отмечают, что по мере удаления от Земли ранняя Луна могла проходить через три эпизода приливного разогрева. Первый был связан с эвекционным резонансом — отклонением орбиты, обусловленным возмущающим воздействием Солнца. Он возникает, когда период прецессии лунного перигея становится равным одному году. Расчеты показывают, что в это время Луна находилась на расстоянии приблизительно 8 R_E (радиусов Земли) от Земли. Второй произошел при пересечении Луной плоскости Лапласа — на удалении 16–22 R_E, когда эффекты Солнца и Земли на прецессию орбиты Луны сравнялись. А третий — при переходе Луны в состояние Кассини (см. Cassini state) на расстоянии 30–34 R_E, когда сравнялись периоды вращения Луны и прецессии ее орбиты.

Результаты численного моделирования показали, что во втором случае выделение тепловой энергии, возникшее в результате приливного разогрева, было значительно выше, чем в первом и третьем, прежде всего из-за значительно большего эксцентриситета орбиты. Кроме того, именно второй этап приливного разогрева по времени совпадает с периодом предполагаемой переплавки первичной лунной коры (4,35 млрд лет назад). Интенсивность теплового потока на этом этапе исследователи оценивают в 3–30 Вт/м². Для сравнения, современный тепловой поток на поверхности Ио составляет 2,5 Вт/м².

Авторы считают, что повышенный тепловой поток сохранялся в течение нескольких миллионов или даже десятков миллионов лет. Этого было достаточно, чтобы вызвать тотальное плавление мантии и мощнейший вулканизм на поверхности Луны. При этом ранее сформировавшиеся блоки коры, предположительно анортозитового состава, погрузились в расплавленную мантию и там переплавились.

В целом, геологическая история Луны, по мнению авторов, выглядит следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Этапы геологической истории Луны. 1 — образование Луны, примерно 70 млн лет (все датировки — от времени образования Солнечной системы, принятого за 4568 млн лет назад), первичная дифференциация (расслоение) лунного вещества с обособлением небольшого ядра в центре и магматического океана, охватывающего остальной объем тела Луны. 2 — достаточно быстро на поверхности Луны образуется анортозитовая кора, под которой располагался слой расплавленной, а еще ниже — твердой мантии. Луна в это время находится на расстоянии около 5 R_E от Земли. Желтыми ромбами отмечены места образования ранних цирконов. 3 — застывание коры и мантии, появление ранних ударных кратеров (~150 млн лет, ~12 R_E). 4 — приливный разогрев, связанный с прохождением через плоскость Лапласа (~217 млн лет, ~19 R_E). В верхней части мантии образуется расплавленный слой, кора дробится на блоки, вдоль границ которых поднимается магма, происходит полное переплавление коры. 5 — застывание мантии и образование новой коры, в которой остаются зерна цирконов, сохранившиеся от первичной коры; появление поздних ударных кратеров. Рисунок из обсуждаемой статьи

По расчетам авторов, время полного рециклинга коры при тепловом потоке 3–30 Вт/м² составляет 0,1–1 млн лет. То есть, за несколько миллионов лет, пока сохранялся разогрев, могло пройти даже несколько циклов переплавления коры, при которых каждый раз «сбрасывался» изотопный возраст пород.

Подобная трактовка объясняет не только отсутствие на поверхности Луны пород древнее 4,35 млрд лет, но и другие парадоксы хронологии Луны (прежде всего, меньшее число ударных кратеров по сравнению с расчетным количеством для возраста 4,51 млрд лет), а также изотопные особенности ее пород. Так, наличие единой изохроны, полученной по соотношению ¹⁴⁶Sm/¹⁴²Nd в трех основных типах лунных пород — базальтах лунных морей, ферроанортозитах и KREEP-породах (получившие свое название благодаря повышенному содержанию в них калия K, редкоземельных элементов REE и фосфора P), указывает на то, что 4,35 млрд лет назад эти породы, происходящие из разноглубинных (от 10 до 1000 км) источников, находились в изотопном равновесии. Достижение такого равновесия, по мнению авторов, возможно только при крупномасштабной адвекции — перемещении расслоенного расплава в горизонтальном направлении без смешения слоев.

Предложенная модель позволяет объяснить еще одну геохимическую загадку Луны —относительно низкое содержание сидерофильных элементов в лунной мантии. По идее, если мантии Земли и Луны сформировались из одного и того же вещества, образовавшегося при смешении материала протоземли и Тейи, их состав должен быть одинаковым (см. новость Импактная гипотеза формирования Луны объясняет неоднородность земной мантии, «Элементы», 08.11.2023). Однако, в лунной мантии, по сравнению с земной, меньше железа, кобальта, никеля и других тяжелых сидерофильных элементов, которые при гравитационной дифференциации планетного вещества скапливаются главным образом в ядре, в меньшей степени — в мантии. Авторы предполагают, что переплавление мантии, имевшее место 4,35 млрд лет назад, привело к повторному перераспределению тяжелых металлов и обеднению ими лунной мантии.

Исследователи считают, что предложенный сценарий эволюции Луны позволяет «примирить» результаты астрономических динамических моделей (в соответствии с которыми возраст Луны должен находиться в диапазоне 4,43–4,53 млрд лет) с данными радиоизотопной геохронологии, полученными по древним цирконам. Он также объясняет отсутствие ранних пород на лунной поверхности.

Результаты другого исследования, недавно проведенного учеными из США и Швейцарии, указывают на то, что окончательное закрытие (застывание) первичного магматического океана Луны произошло 4429±76 млн лет назад. Это значение было получено по изотопным отношениям ¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf в цирконах из образцов, собранных в рамках космической программы «Аполлон». Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

По скорости распада в системе ¹⁷⁶Lu–¹⁷⁷Hf авторы рассчитали возможное время образования первичного магматического океана (а значит, и самой Луны) — 4449±76 млн лет назад. Эти данные — более точные по сравнению со значениями, полученными уран-свинцовым методом, с помощью которого цирконы анализировались ранее (он давал цифры от 4,51 до 4,35 млрд лет), а также по сравнению с результатами термических моделей, которые дают широкий разброс по времени кристаллизации лунного магматического океана — от 10 до 200 млн лет.

Авторы данного исследования не отрицают роли приливного разогрева в геологической истории Луны, однако считают, что он привел только к частичному переплавлению пород лунной коры, и исходят из того, что KREEP-породы, образцы которых они изучали, являются наиболее поздними производными первичного магматического океана. Исследователи отмечают, что кристаллизация лунного магматического океана происходила в условиях, когда Луна все еще подвергалась бомбардировке оставшимися планетезималями, а крупные лунные моря представляют собой места подобных ударов, в которых уже застывшая магма переплавлялась снова. Именно так могли возникнуть KREEP-породы.

Возможно, ответ на вопрос о происхождении пород лунных морей дадут образцы, доставленные на Землю китайской миссией «Чанъэ-6», посадочный модуль которой собрал грунт в бассейне Южный полюс — Эйткен — самом большом ударном кратере Луны.

Источники:
1) Francis Nimmo, Thorsten Kleine, Alessandro Morbidelli. Tidally driven remelting around 4.35 billion years ago indicates the Moon is old // Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08231-0.
2) Nicolas Dauphas, Zhe J. Zhang, Xi Chen, Mélanie Barboni, Dawid Szymanowski, Blair Schoene, Ingo Leya, Kevin D. McKeegan. Completion of lunar magma ocean solidification at 4.43 Ga // PNAS. 2025. DOI: 10.1073/pnas.2413802121.

Владислав Стрекопытов