Схема миграции KREEP-пород на Луне под действием мантийного плюма / © Matt Jones
Хорошо знакомый всем вид лунного диска обусловлен двумя типами местности, из которой складывается лунная поверхность. Темные участки — лунные «моря» — это равнины, сложенные застывшими слоями базальтовой лавы, которая три-четыре миллиарда лет назад затопила низменности видимой стороны. Светлые участки обладают более высоким рельефом и сложены горами, кратерами и их валами, а также отдельными древними вулканическими постройками.
На обратной стороне Луны «морей» почти нет, и ее геология существенно отличается от видимой. Так, на видимой стороне литосфера сравнительно тонкая и обогащена так называемыми KREEP-породами, которые служат конечным продуктом застывания магм. В их составе накапливаются некоторые радиоактивные элементы естественного происхождения, что усиливает радиогенный нагрев участков недр с высоким их содержанием. На обратной стороне земного спутника литосфера толще, а элементов, характерных для KREEP-пород, намного меньше. Кроме того, на ней расположен гигантский ударный бассейн Южный полюс — Эйткен, диаметр которого по внешнему валу составляет 2200 километров (две трети диаметра Луны), а относительная глубина достигает 14 километров.
На видимой стороне тоже есть ударные бассейны: один из них — Море Дождей (Mare Imbrium), прекрасно видимое невооруженным глазом. На первый взгляд, оно не похоже на кратер, поскольку, как и другие бассейны видимой стороны, вскоре после образования оно было сплошь залито лавой. В отличие от них, бассейн Южный Полюс — Эйткен, несмотря на впечатляющие размеры и глубину, может похвастаться лишь небольшими локальными участками изверженных базальтов на дне.
Обратная сторона Луны, мозаика изображений зонда Lunar Reconnaissance Orbiter. Темное округлое пятно внизу с участками «морей» – центральная часть бассейна Южный полюс – Эйткен. / © NASA
Исследователи из Университета Брауна во главе с Мэттом Джосом (Matt Jones) провели компьютерное моделирование лунных геологических процессов и смогли связать друг с другом два важнейших события в истории спутника нашей планеты: образование бассейна Южный полюс — Эйткен и появление лунных морей.
Ученые обратили внимание, что столкновение таких масштабов должно вызвать сильный ударный разогрев мантии вблизи от точки столкновения, который существенно повлияет на всю картину мантийной конвекции на Луне. А асимметрия мантийной конвекции должна вызвать и асимметрию распределения KREEP-пород, которые по плотности занимают промежуточное положение между корой и мантией и могут перемещаться мантийными потоками. Исследователи провели моделирования, в которых варьировали силу и направление астероидного удара. Они обнаружили, что смоделированные удары, согласующиеся с параметрами бассейна Южный полюс — Эйткен, приводят и к эффектам, объясняющим наблюдаемую картину распределения KREEP-пород.
Содержание тория на поверхности Луны, в частях на миллион. Слева – видимая сторона Луны, справа – обратная. Пятно внизу правого изображения – бассейн Южный полюс – Эйткен. / © NASA
В результате ученые предложили следующую последовательность событий. Сначала последний расплав, оставшийся при постепенном застывании мантийных пород и образующий KREEP-породы, равномерно распределялся на границе коры и мантии. Примерно 4,2-4,3 миллиарда лет назад с Луной столкнулся крупный астероид диаметром около 200 километров. Удар сформировал бассейн Ююный полюс — Эйткен и разогрел мантию под бассейном. Разогрев породы привел к появлению восходящего потока — мантийного плюма. Поднявшись к поверхности, поток стал растекаться под литосферой и «растолкал» KREEP-породы во все стороны от точки удара. Со временем породы сконцентрировались под местностью, противоположной центру бассейна, и стали источником мощного и долговременного разогрева лунных недр под видимой стороной.
Спустя несколько сотен миллионов лет после удара в области скопления KREEP-пород начался масштабный вулканизм, который привел к затоплению обширных участков видимой стороны базальтовой лавой (образованию лунных «морей») и выносу на поверхность элементов, характерных для KREEP-пород. Напротив, в недрах под бассейном Южный полюс — Эйткен сформировалось обеднение радиоактивными элементами. Поэтому даже истончение литосферы при ударе и наличие под ней плюма привели лишь к небольшим и локальным извержениям базальтов. Наблюдаемое обогащение бассейна радиоактивными элементами в сравнении с окружающей местностью вызвано тем, что удар выбросил на поверхность вещество лунной мантии.
В изучении Луны остается много неразрешенных вопросов. Например, не очень понятно, почему литосфера на обратной стороне толще — обсуждаемая в статье модель это не объясняет. Некоторые исследователи предполагают, что гигантское столкновение с гипотетической Тейей породило не только Луну, но и второй спутник Земли диаметром около 1200 километров. Он просуществовал несколько десятков миллионов лет, после чего столкнулся с Луной. Удар, который случился задолго до всех описываемых событий, произошел на скорости всего двух-трех километров в секунду, и вместо образования кратера спутник просто «рассыпался» по обратной стороне Луны, став частью ее литосферы.
Другое исследование тоже связывает геологическую активность видимой стороны с образованием бассейна Южный полюс — Эйткен, но предлагает более простой механизм и не объясняет картины распределения KREEP-пород. Возможно, в действительности роль сыграли оба механизма.
