Анализ базальтовых пород, доставленных на Землю китайской миссией в декабре прошлого года, помогает установить их химический и минералогический состав, а также возраст. 1 декабря 2020 года два модуля — Посадочный модуль / Подъемник Чанъэ-5 — приземлились в Океане Бурь на Луне. Эта область расположена в северном полушарии видимой стороны Луны и занимает площадь в четыре миллиона квадратных километров, являясь самой большой равниной на Луне. Рядом с Океаном Бурь находятся горы и вулканы.
Почему Океан Бурь?
Спутниковые снимки указывали на наличие базальтовых пород в районе этого огромного пространства. Базальт — серо-черная магматическая горная порода, образовавшаяся из застывшей лавы, что говорит о вулканическом происхождении региона.
Анализ недавно опубликованных китайских образцов указывает на то, что базальтовые извержения на Луне происходили в регионах, богатых радиоактивными элементами: калием, торием и ураном. Возможное объяснение кроется в свойствах этих элементов: они способны генерировать тепло и перемешивать магму в нижних слоях коры. Однако точные механизмы остаются неизвестными, и не ясно, были ли эти элементы причиной плавления магмы на глубине.
Основное значение этого исследования не в определении даты последнего вулканического извержения на Луне. Точную дату последней геологической активности спутника установить невозможно, так как недостаточно известно о связи между наличием радиоактивных элементов и процессами под корой. Главным результатом работы по анализу образцов стало установление новых границ возраста Луны с большей точностью, что открывает ценное направление в изучении формирования Солнечной системы.
Как рассчитать возраст поверхности планеты?
Мы знаем об обратной связи между числом ударных кратеров на поверхности и её возрастом. В областях с низкой геологической активностью, где отсутствует вулканическая деятельность, поверхность сохраняется неизменной, а старые кратеры дополняются новыми. На более древних поверхностях наблюдается большее количество кратеров.
Луна — единственное небесное тело, для которого возраст ударных кратеров был определён радиометрическим методом. Поэтому лунная хронология используется для определения возраста других поверхностей в Солнечной системе. К примеру, климатическая эволюция Марса напрямую связана с хронологией лунных кратеров.
Однако лунная хронология весьма неопределенна для возрастов менее 3 миллиардов лет. Целью Сяочао Че и коллег было определить возраст базальтового образца Em4/P58, принадлежащего месту посадки. У него широкий диапазон ожидаемого возраста, основанный на данных об ударных кратерах, — от 1,2 до 3,2 миллиарда лет.
Чтобы выполнить эту задачу, команда Ч изучила соотношение изотопов свинца (207Pb/206Pb против 204Pb/206Pb) двух фрагментов, проанализированных в пятидесяти точках, каждая из которых соответствовала участку диаметром примерно семь микрон.
Для определения возраста лунных базальтов нужно знать их первоначальный состав свинца. Свинец существует в виде смеси четырех стабильных изотопов: 204Pb, 206Pb, 207Pb и 208Pb. Isotopy 206Pb, 207Pb и 208Pb являются радиогенными, то есть представляют собой конечный продукт трех цепочек радиоактивного распада, начинающихся соответственно с 238U, 235U и 232Th.
В ходе исследования методом изохрона был определён возраст и первоначальный изотопный состав Pb образцов. Модель, подтверждённая ранее, учитывает повсеместное присутствие земного загрязнения на лунном грунте. Возраст двух фрагментов составляет 1893 ± 280 млн. лет и 1966 ± 59 млн. лет. Объединение всех данных для двух фрагментов, которые согласуются в пределах неопределенностей, даёт возраст 1963 ± 57 миллионов лет.
Лунный вулканизм и геологическая активность продолжают оставаться загадкой.
Ранее мы отмечали, что связи между лунными базальтами и высокими концентрациями радиоактивных элементов остаются непонятными. Предполагалось, что высокая радиоактивность в лунной мантии вызвала длительные тепловые аномалии, способствовавшие синтезу молодых базальтов. Эта гипотеза предсказывала повышенные уровни радиоактивных элементов в молодых базальтах, однако результаты исследования опровергают это предположение. В связи с этим дата последней вулканической активности на Луне не установлена.