Как отличить лунный грунт от земного и от лунных метеоритов?

Краткий ответ: Грунт на поверхности Луны тысячи и миллионы лет находится под воздействием космических частиц и микрометеоритов. Микроструктуру и химический состав лунного грунта, который содержит следы этого воздействия, практически невозможно подделать.

С поверхности Луны на Землю можно привезти весьма короткий перечень вещей: лунные горные породы, остатки не лунных метеоритов и некоторое количество высокотехнологичного антропогенного мусора, бывшего когда-то высокотехнологичным оборудованием. С последним пунктом все ясно: метеориты к нам летают одни и те же, поэтому везти их оттуда особого смысла нет. А вот с лунными породами все гораздо интереснее. Если твердые породы могут быть выбиты с поверхности и попасть на Землю в виде лунных метеоритов, то рыхлые, такие как лунный грунт, также называемый лунным реголитом, можно привезти лишь с помощью пилотируемых миссий или космических зондов.

Изначально реголитом называли все рыхлые горные породы на поверхности нашей планеты, но со временем это название закрепилось именно за материалом лунной поверхности. Им покрыта почти вся поверхность Луны, за исключением отвесных кромок кратеров и редких остатков древних лавовых потоков. Процессы, приводящие к формированию реголита на Земле и Луне, совершенно разные. На Земле он образуется под действием воды, живых организмов, ветра. На Луне же этих факторов нет, но есть непрерывный поток метеоритов разного размера и бомбардировка космическими лучами.

При падении метеорита происходит несколько процессов. Образуется кратер, вещество породы-мишени и сам метеорит плавятся, дробятся и разбрасываются вокруг места удара. Часть расплавленных пород просто разлетается, а часть смешивается с материалом с места падения и застывает, образуя породы, которые называются импактными брекчиями (от англ. impact — удар). Они имеют очень характерный вид, напоминая сцементированные кусочки разного строительного мусора. Маленькие капельки расплава, разлетающиеся в разные стороны, мгновенно закаляются в стекло, так что на поверхность падают уже круглые зеленовато-коричневые шарики, ленты и спекшиеся кусочки неправильной формы. Часть пород и вовсе дробится до отдельных зерен минералов. Для них обычны шоковые деформации, которые хорошо наблюдать под микроскопом. Кристаллическая структура повреждается или вовсе исчезает, что влияет на оптические свойства этих зерен. Смесь кусков таких брекчий, стекол, просто обломков исходных магматических пород, отдельных кристалликов минералов и есть тот самый лунный грунт.

Самое интересное, что привносят метеориты в реголит, — это вода. Углистые хондриты и кометные тела содержат в себе значительное количество H2O (10–15% для некоторых углистых хондритов), которая накапливается на поверхности в реголите, особенно в затененных частях глубоких кратеров. Также вода может образовываться при реакции оксида железа с протонами солнечного ветра. На основе анализов лунных горных пород долгое время, до 1990-х годов, предполагалось, что реголит абсолютно сухой, но оснащенные радарами и нейтронными детекторами космические аппараты позволили опровергнуть эту гипотезу и даже составить карту распределения льда. Среднее содержание H2O на данный момент полагается около 220–520 г на тонну реголита.

Так как поверхность этого космического тела не обновляется (на Луне нет спрединга, субдукции, да и магматической активности в целом), то вещество может накапливаться в одном углублении на протяжении сотен миллионов лет до тех пор, пока туда не прилетит очередной метеорит. В зависимости от возраста поверхности различается и толщина реголита: для геологически более молодых лунных морей это 4–5 м, а на древних «материках» — до 10–15 м.

Важной характеристикой реголита является его гомогенность: в каждом отдельном месте он отлично перемешан миллионами лет метеоритных бомбардировок. Он однороден и по составу представляет собой нечто среднее между всеми горными породами в радиусе нескольких сотен километров с добавкой внелунного метеоритного вещества, испытавшего длительное воздействие солнечного ветра и космических лучей. Иногда выделяются небольшие неоднородности, связанные с недостаточным перемешиванием или молодостью выброса, но таких множественных слоев и сортировки материала, как у земных осадочных пород вроде песчаников, на Луне не найти.

Горные породы, обломки которых можно встретить в этом реголите, тоже абсолютно не такие, как на Земле. Кроме уже упомянутых брекчий, в нем есть фрагменты лунных базальтов и анортозитов. Обе эти породы магматические, т.е. образовавшиеся в результате застывания лавы и магмы. В случае застывания в приповерхностных условиях с быстрым охлаждением, например при извержении вулкана, кристаллы не успевают вырасти из магматического расплава, и итоговая порода состоит из стекла, в котором находятся минералы- вкрапленники. Для базальтов, слагающих лунные моря, такими минералами являются пироксены ( (Mg,Fe) 2Si2O6), полевые шпаты плагиоклазы (непрерывный ряд составов от NaAlSi3O8 до CaAl2Si2O8) и иногда — оливин ( (Mg,Fe) 2SiO4).

Лунные базальты покрывают 17% поверхности, однако составляют всего 1% от объема коры. Остальное сложено анортозитами лунных материков. Они образовались около 4,5 млрд лет назад в результате процессов, происходивших при застывании базальтового магматического океана. Этот океан существовал в течение нескольких десятков миллионов лет после образования космического тела и достаточно быстро «замерз». При этом в массе магмы происходил рост кристаллов плагиоклаза, оливина и пироксена. Плотность плагиоклаза 2,6–2,7 г на куб. см, оливина — 3,3 г на куб. см, пироксена — 3,2 г на куб. см, а самого базальтового расплава — 2,7–2,8 г на куб. см.

Оливин и пироксен в расплаве тонули, формируя будущую лунную мантию, а плагиоклаз всплывал, образуя на поверхности толстую кору анортозитов. Этот процесс происходил и на Земле на стадии магматического океана, однако геологическая жизнь нашей планеты гораздо более насыщена, и от него ничего не сохранилось в исходном виде. На Луне же анортозиты везде, правда, иногда сверху их перекрывают потоки базальтов.

Но почему лунные породы другие? Ведь базальты — самая распространенная вулканическая горная порода Земли, а анортозиты, образовавшиеся в крупных магматических камерах больше миллиарда лет тому назад, до сих пор можно найти на поверхности. Первое и самое главное отличие — в лунных магматических горных породах почти нет воды. В образцах Apollo ее максимальное содержание достигало 500 г на тонну, тогда как для земных базальтов, к примеру, это несколько десятков килограммов на тонну. Соответственно, в лунных породах не будет минералов, которые кристаллизуются из расплавов, где много воды, таких как амфиболы или слюды. Понятно, что в таком случае не будет в лунных образцах и следов гидротермальных процессов, таких как прожилки кварца (SiO2) или кальцита (CaCO3). Кальцит иногда находят в трещинах лунных метеоритов, но сформировался он уже на Земле, под действием местной воды, и это легко установить по взаимоотношению минералов и их химическому составу.

Второе отличие — лунные породы невероятно старые. Если измерить в минералах содержание продуктов распада радиоактивных изотопов, например 206Pb (235U → 206Pb), то, зная время полураспада, можно рассчитать время, прошедшее с момента его кристаллизации.

Важным условием является то, что минерал при росте должен совсем не захватывать искомый изотоп, т.е. все, что смогли измерить, возникло в результате ядерного распада. Так вот, для многих лунных базальтов, которые выглядят так, будто их только что отобрали из какого-нибудь земного свежеизлившегося потока, этот возраст может быть 4,3 или 3,8 млрд лет. Таких пород с такими возрастами на Земле нет: все, что было, то разрушилось, перемялось, поплавилось и превратилось в другие (метаморфические или осадочные) породы, которые приходится долго изучать, прежде чем можно сказать, из чего они получились.

Третья важная деталь — лунные породы образовывались в условиях, где кислорода было намного меньше, чем на Земле. В том числе меньше его было и в магме. Главным элементом-индикатором кислородной обстановки у геохимиков служит железо. Так вот, в лунных образцах железо преимущественно встречается в форме Fe2+ и Fe0, а Fe3+ является странной редкой аномалией. Для Земли же ситуация с точностью до наоборот: самая обычная форма железа в коровы´х породах — это Fe3+, реже Fe2+, а Fe0 — геохимическая экзотика. Точно так же ведет себя и марганец, встречающийся в лунных минералах в форме Mn2+. Так как атомы Fe2+ и Mn2+ близки по ионному радиусу и имеют одинаковую, почти что единственно возможную степень окисления, они ведут себя похоже при образовании пород. Благодаря этому в лунных породах постоянное соотношение железа к марганцу что-то вроде 1:70. А для Земли, где обилие химических процессов разделяет пути этих элементов, соотношение несколько меньше — ~ 1:50/60.

Таким образом, лунный грунт — это невероятно сложная система, которую даже модельно воспроизвести фантастически сложно, не то что подделать. Во фрагментах пород должны сочетаться взаимоисключающие для Земли вещи: они должны быть невероятно старыми по изотопным соотношениям, а по состоянию минералов и общей структуре выглядеть так, будто образовались вчера, причем в почти бескислородной и безводной обстановке. Сами породы должны нести следы прохождения мощной ударной волны, причем для разных фрагментов пород — разных. Не стоит забывать, что многие из этих частиц слеплены между собой стеклом, которое по соотношению 40Ar/39Ar тоже можно датировать…

Получается бесконечная геохимическая «матрешка»: лунный грунт состоит из множества фрагментов, и каждый может рассказать свою историю.