научная статья по теме О СОГЛАСОВАНИИ МОДЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЛУНЫ С ДАННЫМИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О СОГЛАСОВАНИИ МОДЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЛУНЫ С ДАННЫМИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ»

УДК 523.42:551;550.34.01

О СОГЛАСОВАНИИ МОДЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЛУНЫ С ДАННЫМИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

© 2015 г. С. Н. Раевский1, Т. В. Гудкова1, О. Л. Кусков2, В. А. Кронрод2

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, г. Москва

E-mail: rs1989@rambler.ru Поступила в редакцию 19.05.2014 г.

Рассмотрена проблема согласования моделей внутреннего строения Луны, полученных инверсией петролого-геофизических и сейсмических данных с числом Лява k2. Согласование модельных и экспериментально определенных чисел Лява возможно, если в подошве мантии допустить уменьшение модуля сдвига, что можно интерпретировать наличием зоны частичного плавления вещества мантии в окрестности ядра. Восстановленные из скоростей сейсмических P-, ¿-волн профили температур в мантии Луны показывают, что для достижения температуы солидуса на глубинах порядка 1400 км, температура на глубине 1000 км должна быть не ниже 1350—1400°C. Решение проблемы возможности/невозможности частичного плавления вблизи ядра, во многом зависящее от надежных данных по скоростям распространения сейсмических волн в подошве нижней мантии на границе с ядром, требует дальнейшего анализа.

Ключевые слова: Луна, внутреннее строение, числа Лява. DOI: 10.7868/S0002333715010123

1. ВВЕДЕНИЕ

Особое место в физике Луны занимает проблема изучения ядра и прилегающей к нему области (радиусом около 500 км) на границе между твердой мантией и жидким или частично расплавленным ядром. Определение размеров, состава и физических свойств лунного ядра необходимо для понимания теплового режима, истории лунного динамо, происхождения и эволюции Луны. Собственное магнитное поле Луны отсутствует, а также нет прямых сейсмических данных о центральной области из-за сильного затухания Р-, ¿-волн. Поэтому вопросы о наличии и размерах металлического ядра Луны и механизмах его формирования до сих пор остаются предметом многочисленных дискуссий. Для их решения предпринимались различные геохимико-геофизические методы и подходы: исследования по лазерной локации Луны, определение коэффициентов распределения сидерофильных элементов между металлом и силикатным расплавом, гравитационные, сейсмические, электромагнитные и па-леомагнитные данные, а также различные модельные представления [Konopliv et al., 1998; Hood et al., 1999; Williams et al., 2001; Khan et al., 2007; Lognonné, Johnson, 2007; Кусков и др., 2009; Кронрод, Кусков, 2011].

Значительный успех в изучении лунного ядра был достигнут в работе [Williams et al., 2001], в ко-

торой на основе лазерного зондирования (Lunar Laser Ranging) Луны изучалось влияние диссипа-тивных эффектов на вращение Луны и движение по орбите. Авторам работы удалось разделить источники диссипации, которые действуют на приливы в теле Луны от Земли (и Солнца), от диссипации на границе ядро—мантия из-за того, что скорость вращения жидкого ядра отличается от вращения твердой мантии. В итоге они пришли к выводу, что наилучшее объяснение полученных данных должно быть связано с взаимодействием на топографической границе между твердой мантией и жидким или частично расплавленным ядром. Максимальные значения радиуса флюидного ядра Луны составляют <352 км для железного ядра и <374 км для эвтектического Fe-FeS-ядра. Масса ядра находится в интервале 1.8—2.3% от массы Луны. В принципе возможны четыре модели лунного ядра: (1) жидкое Fe-ядро; (2) тонкая флюидная Fe-оболочка, окружающая твердое внутреннее Fe-ядро; (3) жидкое Fe-FeS-ядро; (4) тонкая флюидная Fe—FeS-оболочка, окружающая твердое внутреннее чисто железное ядро [Williams et al., 2001].

Космические эксперименты "Lunar Prospector" с помощью магнитометра и электронного рефлектометра позволили проанализировать данные, полученные при прохождении Луны через хвост магнитосферы Земли, и оценить размеры

ядра [Hood et al., 1999]. Полагая, что наведенное магнитное поле полностью вызвано электрическим током на поверхности проводящего металлического ядра, радиус ядра оценен в 340 ± 90 км. Гравитационные и сейсмические данные также дают достаточно жесткие ограничения на размеры ядра. Расчеты, проведенные на основе совместного обращения данных по скоростям сейсмических волн, моменту инерции и массе Луны методом Монте-Карло [Konopliv et al., 1998; Kuskov, Kronrod, 1998b; Khan et al., 2007; Кронрод, Кусков, 2011], позволяют оценить радиус металлического (вероятно, железо-сульфидного) ядра в пределах 250—450 км (~2—3% от массы Луны), что хорошо согласуется с независимыми оценками [Hood et al., 1999; Williams et al., 2001; Garcia et al., 2011; Weber et al., 2011]. Эти оценки в целом соответствуют друг другу, и такое совпадение вряд ли можно считать случайным, учитывая абсолютную независимость геофизических и геохимических подходов и данных. Следует отметить, что ограничения на размеры и плотность ядра зависят от его состава, геодезических параметров, мощности и плотности коры. Присутствие внутреннего ядра не вытекает из расчетов или наблюдений, и имеет скорее имплицитный характер.

В Солнечной системе Луна является единственным космическим телом, кроме Земли, для которого были получены сейсмические данные, однако последние не дают определенной информации о центральной области Луны [Lognonné, 2005; Lognonné, Johnson, 2007]. Сейсмические модели лунных недр (профили скоростей продольных VP- и поперечных Vy-волн), предложенные разными авторами на основе анализа лунных сейсмограмм, заметно различаются. Повторная обработка сейсмических событий, зарегистрированных станциями "Аполлон" в начале 1970-х годов [Khan et al., 2000; Lognonné, 2005; Gagnepain-Beyneix et al., 2006; Khan et al., 2007; Garcia et al., 2011; Weber et al., 2011], показала, что в верхней мантии (до глубин порядка 300—500 км) скорости сейсмических волн совпадают практически во всех моделях и согласуются с данными предшественников [Goins et al., 1981; Nakamura, 1983]. В нижней мантии (ниже 500—750 км) все оценки скоростей P-, ¿-волн даны с большими погрешностями: ±0.1—0.3 км/с [Lognonné, 2005; Gagne-pain-Beyneix et al., 2006].

В работах [Garcia et al., 2011; Weber et al., 2011] посредством суммирования сейсмических записей и накопления слабого сигнала был заново проведен анализ лунных сейсмограмм с учетом поиска фаз отраженных от ядра волн. Несмотря на то, что разрешающая способность сейсмических источников недостаточна для надежного выявления структуры ядра, авторы этих работ впервые оценили радиус лунного ядра сейсмическими методами. В работе [Garcia et al., 2011] на этой ос-

нове и с использованием упрощенных линейных соотношений между скоростью и плотностью (уравнение Берча), а также в предположении адиабатического сжатия гомогенного материала без фазовых переходов радиус преимущественно жидкого ядра Луны составляет 380 ± 40 км и имеет среднюю плотность р = 5200 ± 1000 кг/м3. В работе [Weber et al., 2011] радиус жидкого внешнего Fe—S ядра, содержащего <6 мас. % серы, составляет 330 ± 20 км, а оценочные значения р = 5100 кг/м3 и VP для жидкого ядра приняты из экспериментов по уравнению состояния Fe—S расплавов; кроме того, на границе между ядром и мантией предполагается существование частично расплавленного слоя мощностью около 150 км. Можно видеть, что в пределах погрешности оценки радиуса ядра в обеих работах совпадают.

Как известно, отклик планеты на приливное возмущение характеризуют тремя безразмерными числами — числами Лява h2, к2, и Шида l2 (подробнее см. п. 3). Значения чисел Лява к2 and h2 для Луны были получены по лазерной альтиметрии, а также данным гравитационного поля. По данным лазерной альтиметрии при фиксировании l2 = 0.0108 получены значения к2 = 0.0229 ± ± 0.0020 и h2 = 0.048 ± 0.008 [Williams et al., 2011]. Значения числа Лява были существенно уточнены по программам изучения гравитационного поля Луны: к2 = 0.0242 ± 0.0004 по данным миссии Chang'E [Yan et al., 2012]; к2 = 0.02405 ± 0.00018 по данным миссии GRAIL [Konopliv et al., 2013], что на порядок точнее предыдущих оценок этих же авторов. При построении моделей внутреннего строения Луны в качестве граничных условий обычно используются данные о массе, моменте инерции I, а также значение числа Лява к2, которое является наиболее чувствительным параметром к строению зоны нижней мантии на границе с ядром (зона возможного частичного плавления).

В настоящей работе представлены результаты по моделированию химического состава и внутреннего строения Луны, полученные совместной инверсией сейсмических и гравитационных данных, и рассмотрена проблема согласования модельных значений числа Лява к2 с величинами, полученными из наблюдений.

2. МОДЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЛУНЫ

Модели внутреннего строения Луны состоят из пяти сферических оболочек: коры, трехслойной (верхней, средней и нижней) мантии (глубины границ которых задаются, см. таблицу) и железо-сульфидного ядра, размеры которого определяются в результате выполнения граничных условий на среднюю плотность 3.3437 ± 0.0016 г/см3 [Konopliv

Модели внутреннего строения Луны

Кора Верхняя мантия Средняя мантия Нижняя мантия

Параметр

Ядро

Н, км р, кг/м3 Vp, км/с Vs, км/с MgO, мас. % FeO, мас. % Al2O3, мас. % CaO, мас. % SiO2, мас. %

Модель М1 (I = 0-30.1 2596.8 5.50 3.20 6.8 6.3 27.3 15.5 44.1 Модель М2 (I =

0.3935, k2 = 0.0231, h2 = 0.0402,

¡2

30.1-250 3321.7 7.69 4.46 30.45 11.58 2.45 1.96 53.56 0.3935, k2 =

250-759.2 3372.0 7.83 4.42 32.14 13.22 2.50 2.00 50.14 0.0236, h2 = 0.0411,

= 0.0105) 759.2-1389.4 3391.5 7.93 4.42 29.56 12.20 4.33 3.47 50.43 = 0.0107)

1389.4-1738 5800 4.10

0.00

Н, км 0-29.3 29.3-250 250-749.8 749.8-1373.2 1373.2-1738

р, кг/м3 2590.8 3320.4 3372.0 3378.2 5800

VP, км/с 5.50 7.71 7.70 7.85 4.10

Vs, км/с 3.20 4.46 4.37 4.41 0.00

MgO, мас. % 6.8 31.37 28.79 28.16 -

FeO, мас. % 6.3 11.53 14.22 12.27 -

Al2O3, мас. % 27.3 2.09 2.13 3.88 -

CaO, мас. % 15.5 1.68 1.70 3.10 -

SiO2, мас. % 44.1 53.33 53.17 52.60 -

et al., 1998] и безразмерный момент инеции I = = 0.3934667 ± 0000065 [Yan et al., 2012].

Концентрации основных оксидов, минеральный состав и физич

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»