Години наред учените разглеждаха Марс по малко особен начин. Червената планета изглеждаше твърде геологично тиха, за да прилича на Земята, но в същото време твърде сложна, за да бъде обявена просто за „мъртъв свят“, изграден от обикновен базалт. Сега обаче един нов и по-детален поглед под повърхността на планетата показва, че тази досегашна представа е била твърде опростена.
Ново изследване, публикувано в престижното научно списание Nature Astronomy, твърди, че в миналото си Марс е бил домакин на огромни и дълготрайни магмени системи дълбоко в своята кора. Тези системи поразително приличат на процесите на Земята, които спомагат за изграждането на сложната континентална кора. Това откритие е изключително важно, тъй като Марс няма тектоника на плочите – постоянното движение и разместване на земната повърхност, което дълго време се смяташе за задължително условие за появата на толкова сложна геология.
Вместо това новото проучване показва, че Червената планета вероятно е била напълно способна да рециклира и преработва разтопени скали в голяма част от своята кора дори и без разместване на тектонични плочи. Това заключение се основава на откриването на скрита граница на около 24 километра под повърхността на Марс. Тази граница беше засечена чрез сеизмични данни, събрани от мисията „Инсайт“ (InSight) на НАСА. Учените вече знаеха за съществуването на тази подземна линия, но досега не беше ясно какво точно представлява тя – дали е просто поредният слой в богатата на базалт кора или нещо много по-значимо.
Изследователи от катедрите по науки за Земята и по статистика на Оксфордския университет, в сътрудничество с учени от Университета в Бристол, решиха да отговорят на този въпрос. Те сравниха сеизмичните наблюдения със стотици възможни състави на скалите. Екипът комбинира термодинамично моделиране, изчисления от физиката на минералите и прецизен статистически анализ, за да установи кои типове скали съвпадат най-точно с вълните, регистрирани при марсотресенията и сблъсъците с метеорити.
Това, което откриха, е ясна и рязка разлика в състава на слоевете. Скалата над границата (на дълбочина до 24 километра) съвпада най-точно с така наречените мафични материали. Това е вид базалтова кора, по-богата на силиций, каквато учените и очакваха да намерят на Марс. Под тази граница обаче нещата изглеждат различно. Най-доброто съвпадение за долния слой са ултрамафичните скали, които са много по-богати на желязо и магнезий, но по-бедни на силиций.
Подземен слой с много различна история
Тази разлика е нещо много повече от просто технически термин в геологията. Тя показва наличието на дебел долен слой на кората, съставен от плътни, изчерпани откъм разтопен материал ултрамафични кумулати. Това на прост език са остатъчните кристали, които се образуват, когато магмата се охлажда, разделя и променя с течение на времето.
Според най-вероятния модел на изследването Марс не е изхвърлял просто чиста и директна разтопена магма от мантията към повърхността си. Вместо това разтопените скали са се събирали и задържали в големи количества дълбоко под земята. Там магмата се е разделяла на различни материали, оставяйки плътни утайки в основата на кората, докато по-леките и променени разтопени скали са се издигали нагоре.
На Земята подобни процеси са пряко свързани с вулканичните дъги и формирането на континенталната кора, върху която живеем. Изненадата за учените не е, че това се случва някъде в Слънчевата система, а че е станало на планета с неподвижна кора (тип „stagnant-lid“), за която преди се смяташе, че е твърде проста в тектонично отношение, за да го постигне.
Анализът позиционира тази ултрамафична зона точно под мястото на кацане на апарата „Инсайт“ – между вътрешнокоровата граница на 24.5 километра и по-дълбоката граница между кората и мантията, намираща се на около 38 километра. С други думи, долната кора в този регион изглежда съдържа приблизително 14 километра от този гъст и плътен остатъчен материал.
Статистическите доказателства в подкрепа на тази теория са изключително силни. При използването на стандартни статистически модели третият слой (горната кора) има 85.9% вероятност да бъде мафичен, докато четвъртият слой (долната кора) има цели 90.8% вероятност да бъде ултрамафичен. Дори когато екипът изключи по-малко сигурния модел за така наречените P-вълни и използва по-широки статистически функции, общото заключение остава непроменено.
„Традиционно приемахме, че вулканизмът на Марс е бил сравнително прост в сравнение с този на Земята. Но това откритие показва, че Марс е можел да поддържа големи и дълготрайни системи, в които разтопената скала се е променяла и преработвала сама в рамките на цялата кора. Това разкрива вълнуващи възможности за това колко често срещани могат да бъдат подобни системи на скалисти планети извън нашата Слънчева система“, споделя водещият автор на изследването д-р Тобърмори Маккей-Чемпиън, който работи в Оксфордския университет по време на проучването, а днес е част от Университета в Бристол.
Защо само обикновената топлина не може да обясни това
След това изследователите се запитаха как точно е могъл да се образува такъв долен слой на кората. Едната възможност беше частичното разтапяне на по-стара базалтова кора, а другата – навлизането и последващото разделяне на огромни обеми магма, идваща директно от мантията. В действителност учените твърдят, че двата процеса най-вероятно са работили заедно в екип.
Топлинното моделиране изясни един важен факт. При типичния за Марс топлинен поток кората под мястото на „Инсайт“ не би трябвало да се е нагряла достатъчно, за да могат скалите в долната ѝ част да се разтопят сами. Естествената температура на планетата в дълбочина (т.нар. ареотерма) не е пресичала точката на топене дори при наличие на вода (т.нар. солидус), освен ако в този район не е имало необичайно висок и силен топлинен поток.
Поради тази причина най-вероятният двигател на процеса е било мащабно магмено събитие, свързано с издигане на материал от марсианската мантия. Тази издигаща се мантия е произвела първоначалната магма и едновременно с това е осигурила необходимата топлина, за да затопли околната кора. Това е задействало локално топене и е създало вертикално свързана магмена система, подобна на дълбоките горещи зони в земната кора.
При този сценарий многократните инжекции от базалтова магма са изградили кашестата и изчерпана долна кора, като същевременно са генерирали по-леки и променени разтопени скали. Тези леки скали са се придвижили към по-плитки подземни резервоари или са достигнали самата повърхност. Учените описват това явление като „транскрустален магматизъм“ – цялостна вертикална система, която свързва навлизането на магма в долната кора, нейното съхранение, разделяне на съставните елементи и последващото развитие на горната кора. Този сложен процес дълго време се смяташе за запазена марка единствено на Земята, но новата научна работа доказва, че това не е така.
Тази идея се вписва отлично и в други доказателства, събрани от Марс досега. Сеизмичните наблюдения съвпадат с наличието на по-леки и променени скални материали в горните 10 километра под апарата „Инсайт“. Освен това спектралните анализи от орбита откриха богати на фелдшпат и силиций скали в региона Тера Цимерия (Terra Cimmeria). Марсианските метеорити, открити на Земята (включително известните групи нахлити и шасинити), също съдържат в себе си следи от многоетапно образуване, протичало от долната чак до горната кора. На последно място, широкото засичане на сеизмична граница на дълбочина между 20 и 24 километра в цялото северно полукълбо подсказва, че структурата, видяна под „Инсайт“, не е някаква местна странност, а глобална характеристика.
Различен път към планетарната сложност
Ако това тълкуване е правилно, Марс някога е бил дом на колосални взаимосвързани магмени системи. Те са се простирали на стотици или дори хиляди километри в части от северното полукълбо на планетата.
Това откритие променя изцяло правилата на един много по-голям научен дебат за планетите. Тектониката на плочите често се посочваше като основния геологичен двигател зад рециклирането на кората, движението на газовете и дългосрочното регулиране на климата – все неща, които помагат на Земята да бъде обитаема. Но сега се оказва, че Марс е успял да развие поне част от същата тази сложност при изграждането на кората си, без да разчупва повърхността си на движещи се плочи.
„Един от големите въпроси в планетарната наука е дали Земята е уникална. Ако Марс е могъл да развие такъв тип комплексна кора без тектоника на плочите, тогава може би условията, необходими за възникването на живот, могат да се появят на много повече планети, отколкото предполагахме – включително на такива, които преди бяхме отхвърлили поради малкия им размер или липсата на тектонична активност“, отбелязва съавторът на изследването професор Джон Уейд от Оксфордския университет.
Това, разбира се, не означава, че Марс е приличал на Земята във всяко едно отношение или че този вид магматизъм автоматично прави една планета годна за живот – авторите на изследването не твърдят подобно нещо. Това, което откритието ни показва, е, че един от стандартните критерии, по които оценяваме планетите, може да е твърде строг. От тази нова гледна точка Марс не е бил геологично примитивен, а просто геологично различен.
Практическо значение на изследванетоТези констатации разширяват списъка от планетарни среди, които учените трябва да вземат сериозно под внимание, когато оценяват възможностите за живот в космоса. Ако сложна кора може да се формира без тектоника на плочите, тогава скалисти планети, смятани досега за твърде статични или малки, заслужават много по-внимателно изследване.
Проучването дава на изследователите и изцяло нова рамка за тълкуване на сеизмичните и геохимичните данни от Марс. Това ще бъде изключително полезно за бъдещите космически мисии, които се опитват да свържат структурата на кората, вулканичната история, запасите от вода и еволюцията на атмосферата.
В по-широк смисъл откритието подсказва, че пътят на Земята към нейната геологична сложност може да е просто една от версиите на една много по-разпространена космическа история. Пълните резултати от научното изследване са достъпни онлайн в научното списание Nature Astronomy.