УДК 550.34.01
ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ, СОСТАВ И МИНЕРАЛОГИЮ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ЛУНЫ ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ МОДЕЛЯМ
© 2015 г. О. Л. Кусков, В. А. Кронрод, Е. В. Кронрод
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия
e-mail: ol_kuskov@mail.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.
Термальное состояние, тепловой поток и термохимическая эволюция Луны остаются дискуссионными, а температура лунных недр — один из наиболее неопределенных физических параметров. Методом термодинамического моделирования в системе Na2O—TiO2—CaO—FeO—MgO—Al2O3—SiO2 проведено преобразование профилей скоростей сейсмических Р-, ¿-волн в мантии Луны, полученных обработкой данных по программе Apollo, в соотношения температура—глубина. На этой основе проведено тестирование четырех сейсмических моделей по отношению к термальному режиму и химическому составу мантии в широком интервале концентраций CaO (2—5%), Al2O3 (2—6.5%) и FeO (8.5—13%). В отличие от мантии Земли, химический состав имеет преобладающее значение при конверсии скоростей одной и той же сейсмической модели в температурные эффекты. Наиболее вероятным составом верхней мантии является оливин-содержащий пироксенит, обедненный тугоплавкими оксидами (~2 мас. % CaO и Al2O3). По сейсмическим моделям установлены ограничения на распределение температуры в мантии, тепловой поток и содержание урана в Луне; оценка верхних пределов полного теплового потока привела к значениям, примерно вдвое меньшим по сравнению с измерениями по программе Apollo. Результаты конверсии скоростей сейсмических Р-, ¿-волн в соотношения температура—глубина показывают, что, вне зависимости от состава, положительный градиент скоростей Р-, ¿-волн приводит к отрицательному градиенту температуры в мантии, что не имеет физической основы. Для адекватного распределения температуры в мантии Луны скорости P-, ¿-волн должны оставаться практически постоянными, либо слабо уменьшаться с глубиной (особенно это касается V¿) как результат влияния температуры, нарастающей быстрее, чем давление. Предложенный подход к тестированию скоростной структуры мантии Луны, основанный на методах термодинамики и физики минералов, дает независимый инструмент для оценки достоверности исследуемой сейсмической модели и ее соответствия петрологическим и термальным моделям. Основным результатом работы является самосогласованная информация по распределению скорость P-, ¿-волн—тем-пература (ТР ¿)—химический и минеральный состав—плотность—глубина, что обеспечивает более надежные ограничения на внутреннее строение Луны.
Ключевые слова: Луна, внутреннее строение, тепловой режим, минералогия, плотность, сейсмические свойства.
DOI: 10.7868/S0320930X15010041
ВВЕДЕНИЕ
Система Земля—Луна занимает особое место среди тел Солнечной системы. Ее происхождение и динамическая история — одна из фундаментальных проблем естествознания, а проблема образования Луны играет центральную роль в современных сценариях формирования спутников Солнечной системы. В начале XXI века Луна вновь становится объектом пристального внимания ученых различных стран и научных направлений. Луна — единственное космическое тело (кроме Земли), для которого существуют данные по скоростям распространения сейсмических волн, тепловому потоку и определениям гравита-
ционного и электромагнитного полей, полученные в ходе экспедиций Apollo и дополненные новыми орбитальными исследованиями. Однако данные, характеризующие внутреннее строение Луны, крайне недостаточны. Термические, сейсмические и петрологические модели противоречивы, нет данных о составе глубинных пород Луны.
Внутреннее строение, сейсмическая структура и физические свойства мантии Луны зависят от состава пород, давления и теплового режима. Существующие петролого-геохимические и геофизические модели мантии, не всегда равнозначные по детальности и часто взаимно не согласованные, указывают на стратификацию мантии Луны по химическому составу, что обычно связывают с
идеей магматического океана. Оценки его мощности охватывают интервал глубин от верхних 200—500 км до частичного или полного плавления всей Луны (Shearer и др., 2006; Wieczorek и др., 2006; Кусков и др., 2009; Кронрод, Кусков, 2011). Это — один из основных нерешенных вопросов термальной и магматической эволюции Луны. От ответа на него во многом зависят тепловой режим и состав мантии, существование химических неод-нородностей и сейсмических границ, а также модели формирования Луны, что в свете последних геохимических и динамических возражений в адрес гипотезы мегаимпакта, имеющих много свободных параметров, становится особенно важным (Галимов, 2004; 2011; Горькавый, 2007; Elkins-Tan-ton, 2013).
Для того чтобы получить информацию о термохимической структуре лунных недр, интегральную совокупность геофизических данных (масса, момент инерции, времена пробега сейсмических волн, числа Лява) необходимо конвертировать в распределение температуры и химического состава (концентраций основных породообразующих оксидов) по глубине (Кусков и др., 2009; Кронрод, Кусков, 2011; Khan и др., 2013). Эта проблема осложняется тем фактом, что количество известных параметров меньше числа неизвестных, причем разделение эффектов влияния состава и температуры на физические свойства представляет трудную для решения задачу. Кроме того, нет прямого метода для измерения температуры, а формализованных способов решения задачи по отысканию зависимости распределения температура— глубина пока не создано. Количественные расчеты по определению температуры и состава мантии остаются ключевой проблемой лунной петрологии и геофизики.
Петролого-геохимические и изотопные исследования лунных образцов, доставленных космическими аппаратами, накладывают слабые ограничения на состав и физические свойства мантии, тогда как измерения тепловых потоков, геодезические, электромагнитные и сейсмические исследования дают лишь косвенную информацию о температуре лунных недр. Сейсмические станции Apollo-12, -14, -15, -16 зарегистрировали порядка 12500 сейсмических событий (Lognonné, Johnson, 2007) — лунотрясения, падения метеоритов и отработанных частей космических аппаратов. Обработка данных по временам пробега продольных (P) и поперечных (S) волн привела к построению целого ряда сейсмических моделей в виде зависимостей скорость P-, S-волн—глубина (VF)S—Н) и предположению о зональном строении мантии с границами на различных глубинах (Basaltic Volcanism Study Project, 1981; Goins и др., 1981; Nakamura, 1983).
j- Впоследствии на основе более совершенных х методов математической обработки и интерпрета-я ции сейсмических событий проведено переопре-., деление скоростного распределения и предложе-). ны новые сейсмические модели Луны, описанные эв в обзорах (Lognonné, 2005; Lognonné, Johnson, )т 2007; Бурмин, 2012; Khan и др., 2013). Опублико-м ванные модели, построенные на основе первич-д- ного материала экспедиций Apollo, заметно отличаются друг от друга, особенно в нижней мантии. х Это связано с тем, что обратные задачи, даже с д- априорными ограничениями, решаются не едино- ственным образом. Несмотря на это, сейсмиче-м ские исследования представляют наиболее пер-n- спективный (хотя и косвенный) путь для оценки термального режима и химического состава Луны. В общем случае, численное решение обрат-
0- ной задачи заключается в восстановлении некою торого набора модельных параметров, например, э- температуры и/или химического состава по сей-х смическим, гравитационным, электромагнит-в ным и термальным данным (Konopliv и др., 2001; а- Hikida, Mizutani, 2005; Wieczorek и др., 2006, 2013; ix Kuskov, Kronrod, 2009) посредством аппарата хи-д, мической термодинамики и физики минералов. 1а Такие задачи представляют особый интерес для т- реконструкции состава и теплового режима Луны
1- и других планетарных тел (Lognonné и др., 2003; Кусков и др., 2009; Khan и др., 2013).
ет Несмотря на наличие большого количества рая- бот (Keihm, Langseth, 1977; Toksöz и др., 1978; а- Warren, Rasmussen, 1987; Кронрод, Кусков, 1997; а- Shearer и др., 2006; Laneuville и др., 2013; Zhang и — др., 2013; Siegler, Smrekar, 2014; Кронрод и др., ы 2014), термальное состояние, тепловой поток и [и термохимическая эволюция Луны остаются дис-э- куссионными, а температура недр — один из наиболее неопределенных физических параметров. В ранних обзорах (Ringwood, 1977; Taylor, 1982; е- Hood, 1986) были просуммированы геохимиче-í- ские и геофизические ограничения на основе ма-а- териалов лунных экспедиций. В более поздних í- работах опубликованы междисциплинарные ис-в, следования динамики и внутреннего строения е- многослойной Луны на основе современных на-э- блюдений и их теоретической интерпретации мее- тодами планетарной геофизики и сравнительной í- планетологии (Williams и др., 2001; Gudkova, [й Zharkov, 2002; Gusev и др., 2003; Lognonné, 2005; ш Wieczorek и др., 2006; Кусков и др., 2009; Khan и др., п- 2013; Гудкова, Раевский, 2013). В последующих га публикациях рассмотрены некоторые нерешен-к ные вопросы и разногласия между сейсмически-в ми, композиционными и тепловыми моделями ш мантии и ядра Луны (Кронрод, Кусков, 2011; Gar-си cia и др., 2011; Weber и др., 2011; Grimm, 2013; a- Laneuville и др., 2013; Zhang и др., 2013). Допол-., нительные ограничения на размеры и строение ядра получены в экспериментах на Lunar Prospector с
помощью магнитометра и электронного рефлектометра (Hood и др., 1999) и по данным лазерной локации Луны (Lunar Laser Ranging) (Williams и др., 2001), а на плотность и мощность коры, момент инерции, значения числа Лява, размеры и агрегатное состояние ядра по программе изучения гравитационного поля и внутреннего строения (миссия GRAIL, Gravity Recovery and Interior Laboratory) Луны (Wieczorek и др., 2013; Williams и др., 2014).
Однако многие ключевые аспекты сейсмической структуры, теплового режима и химического состава лунной мантии остаются неясными и требуют дальнейших исследований. Это заставляет размышлять о причинах отсутствия согласования при исследованиях Луны термическими, сейсмическими и петролого-геох
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.