Рис. 1. Топография поверхности Марса на основе изображения, полученного альтиметром MOLA (Mars Orbital Laser Altimeter) — одного из пяти инструментов космического корабля Mars Global Surveyor (MGS), который работал на орбите Марса с сентября 1997 по ноябрь 2006 года. Равнина Элизий отмечена красным контуром. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Считалось, что вся «внутренняя» тектоническая активность на Марсе прекратилась примерно три миллиарда лет назад и что с тех пор на Красной планете действовали лишь отдельные вулканы. Новые данные, полученные аппаратом InSight, показывают, что внутри Красной планеты продолжается бурная активность — по меркам геологии, конечно. На севере Марса ученые обнаружили область, где за последние 200 миллионов лет не раз происходили крупные извержения. Проанализировав результаты альтиметрических и сейсмических наблюдений, авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Astronomy, пришли к выводу, что под равниной Элизий расположен гигантский сгусток разогретого вещества — мантийный плюм.

В прошлом Марс был чрезвычайно вулканически активным. Вулканические структуры и ландшафты занимают большую часть его поверхности. Самые крупные и молодые поля вулканических пород приурочены к области Фарсида в западном полушарии и равнине Элизий в восточном. По косвенным геологическим данным ученые заключили, что излияния лав здесь начались в конце гесперийского периода (3,65–3,45 млрд лет назад) и происходили в течение всего амазонийского периода — завершающего этапа геологической истории Марса, который начался примерно 3,45 млрд лет назад и продолжается до сих пор (рис. 2). За это время в пределах обоих бассейнов накопились гигантские объемы застывшей лавы, а высота отдельных вулканических построек превысила 20 км (для сравнения самый высокий вулкан на Земле Мауна-Кея имеет высоту от основания до вершины 10,2 км).

Рис. 2. Геологическая карта Марса. Области вулканизма гесперийско-амазонийского времени показаны оранжевым и розовым: в левой части карты расположена область Фарсида, в правой — равнина Элизий. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

По мнению геологов, одна из причин, по которым вулканические постройки и лавовые поля на Марсе достигли огромных размеров, — отсутствие там тектоники плит. Логично предположить, что если литосфера не разделена на плиты и неподвижна, все извержения происходят в одних и тех же областях, находящихся над глубинными источниками активности — горячими точками или мантийными плюмами. Одной из задач аппарата НАСА InSight, который 26 ноября 2018 года совершил посадку на западном краю равнины Элизий, было выяснить с помощью комплекса геофизических методов, что это за источник, какого он размера и где находится.

Наиболее активными в плане вулканизма и тектоники были первые 1,5 млрд лет геологической истории Марса (нойский и гесперийский периоды, предшествовавшие амазонийскому). Но для посадки целенаправленно выбрали одну из двух наиболее молодых вулканических областей, так как вероятность того, что в недрах под ней до сих пор действует источник активности, выше, чем для более древних вулканических регионов. К тому же равнина Элизий — единственная крупная провинция, в которой тектоно-магматическая активизация началась относительно недавно (рис. 3).

Рис. 3. Распределение объемов излившихся пород в вулканических провинциях Марса. Вертикальая шкала — возраст в млрд лет. Равнина Элизий — вторая слева. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Astronomy

По геологическим данным последние излияния здесь происходили всего 210–53 тысяч лет назад (D. G. Horvath et al., 2021. Evidence for geologically recent explosive volcanism in Elysium Planitia, Mars). Центрами их были трещинные вулканы, приуроченные к комплексу параллельных разломов Борозды Цербера (Cerberus Fossae).

Посадочный модуль InSight зарегистрировал повторяющуюся сейсмическую активность, связанную с плоскостями этих разломов, что свидетельствует о том, что по ним продолжаются подвижки. На сегодняшний день это единственное место, где регулярно происходят марсотрясения магнитудой более 3. Интерпретируя результаты наблюдений, ученые предполагали, что современная геодинамическая активность равнины Элизий связана либо с частичным плавлением подкорового вещества вследствие мелкомасштабной мантийной конвекции, либо с подъемом горячего мантийного плюма.

Геофизики Адриан Броке (Adrien Broquet) и Джеффри Эндрюс-Ханна (Jeffrey Andrews-Hanna) из Аризонского университета проанализировали топографию, геологию и гравиметрию этого региона и пришли к выводу, что под северными равнинами Марса находится разогретый мантийный плюм, температура которого на 95–285 К выше, чем у окружающих пород. По мнению авторов, этот плюм стал причиной позднеамазонийского вулканизма, современной сейсмической активности равнины Элизий и растягивающих напряжений в зоне Борозд Цербера на фоне общей обстановки сжатия в коре практически на всей поверхности Марса (рис. 4). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Рис. 4. Один из разломов зоны Борозд Цербера на снимке, сделанном орбитальным аппаратом ЕКА Mars Express. Разлом сечет все кратеры и прочие структуры рельефа, что указывает на его относительно молодой возраст. Фото из пресс-релиза к обсуждаемой статье в Nature Astronomy

Мантийный плюм — это гигантская «капля» нагретого вещества, всплывающего от границы ядра планеты и мантии к нижней границе литосферы, где возникает область расплавленного материала — источник магмообразования. В коре над плюмом часто образуется поднятие, а продукты вулканизма обогащены железом.

Анализ топографии и гравиметрических данных аппарата InSight показал, что центр равнины Элизий приподнят над окружающей местностью на 1–2 км в виде пологого купола размером 2500×3500 км. Его образование нельзя объяснить наслоением лавовых покровов, так как мощность вулканических пород здесь не превышает 100 м. Гравитационное поле равнины осложнено крупной положительной аномалией ускорения свободного падения (примерно на 50 мГал выше по отношению к фону), что свидетельствует о наличии под куполом глубинного центра масс.

Проведенное авторами компьютерное моделирование позволяет предполагать, что гравитационная аномалия и поднятие рельефа являются отражением находящейся под твердым слоем коры расплывшейся плоской головы плюма диаметром 3600–4000 км и толщиной 200–500 км (рис. 5).

Рис. 5. Топографические и гравиметрические доказательства наличия поднятия над мантийным плюмом в районе равнины Элизий: а — альтиметрическая карта Марса (шкала — отклонение от геоида, в км). Положение и центр предполагаемого плюма показано красными пунктирным кругом и крестом. Белый прямоугольник — площадь врезок b и с. b — карта рельефа равнины Элизий с тектоническими элементами. Черным показаны трещины сжатия, сиреневым — зона Борозд Цербера, к которой приурочены центры излияния позднеамазонийских вулканитов (границы их полей обозначены белым) и эпицентры современных марсотрясений; c — данные гравиметрического профилирования (зеленая и оранжевая полосы) указывают на наличие под упругой литосферой толщиной около 150 км изометричного тела с контрастом плотности 20 кг/м³. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Astronomy

О том, что подъем происходил на поздних этапах геологического развития Марса, уже после того, как закончилась эпоха кратерообразования (поздняя тяжелая бомбардировка), имевшая место с 4,1 до 3,8 млрд лет назад, косвенно свидетельствует разнонаправленный наклон дна кратеров по отношению к центру поднятия. А распределение лавовых потоков и разломов указывает на то, что подъем и растяжение в центре купола сопровождались проявлениями вулканизма. Значит, эти процессы взаимосвязаны.

Одни трещины зоны Борозд Цербера заполнены продуктами вулканизма (дайками), а другие — секут их. Известно, что заполнение дайками разломов возможно только в условиях горизонтальных растягивающих напряжений. Все остальные трещины равнины Элизий — более древние по сравнению с Бороздами Цербера и формировались в условиях сжатия. Это говорит о том, что в прошлом в регионе существовало поле сжимающих напряжений, а примерно 350 млн лет назад оно сменилось растяжением и начался вулканизм.

Авторы провели моделирование в соответствии с различными сценариями и пришли к выводу, что переход к расширению, сопровождающийся началом вулканизма и сейсмической активностью, можно объяснить только всплытием мантийного плюма. Подтверждают это и геохимические данные. На Земле для вулканизма, связанного с мантийными плюмами, характерно повышенное содержание железа. Проанализировав данные гамма-спектрометра космического аппарата НАСА Mars Odyssey, авторы обнаружили, что концентрация Fe в лавах равнины Элизий (>18 мас. %) выше, чем для всех остальных вулканических полей Марса и марсианских метеоритов.

Суммарный объем вулканических излияний позднеамазонийского возраста равнины Элизий и расположенной к северу от нее равнины Амазонис (см. Amazonis Planitia) исследователи оценивают в 2,8×10⁵ км³. Это существенно меньше, чем в более древних вулканических провинциях нойско-гесперийского времени, также связанных с мантийными плюмами, таких как равнина Гесперия (см. Hesperia Planum), где объем лавовых потоков достигает 10⁶ км³.

При этом, и те, и другие цифры укладываются в диапазон, характерный для крупных магматических провинций Земли (1–66×10⁵ км³), но периоды импульсов вулканической активности на Марсе были значительно длиннее (около 125 млн лет против 1–50 млн лет для нашей планеты). Результирующая скорость лавовых излияний на равнине Элизий (0,001–0,002 км³ в год) на два-три порядка ниже, чем на Земле. Низкую скорость лавы и большую длительность импульсов вулканизма ученые объясняют более высокой вязкостью марсианской мантии. И сам подъем плюма через мантию на Марсе, по их расчетам, должен происходить примерно в 10 раз медленнее, чем на Земле.

Рис. 6. Художественное представление активного мантийного плюма, поднимающегося от границы ядра и мантии к основанию литосферы Марса под равниной Элизий. Над плюмом в коре образуется изометричное куполообразное поднятие, а в его центре — трещины растяжения (Борозды Цербера), через которые изливалась лава. Вверху условно показан аппарат InSight, обрабатывающий сейсмические сигналы. Рисунок из пресс-релиза к обсуждаемой статье

Большинство моделей внутреннего строения Марса исходят из того, что конвекция там отсутствует, а вероятность образования молодых плюмов весьма низкая. Однако авторы обсуждаемой статьи уверены, что все свидетельствует о наличии под равниной Элизий крупного мантийного плюма. Это полностью меняет существующее представление о том, что Марс — мертвая в геологическом смысле планета. Получается, что в ее недрах до сих пор продолжается тепловая и геохимическая эволюция вещества и сохраняется внутренняя динамика.

Помимо чисто геологического интереса этот вывод имеет важно значение и для астробиологов, так как считается, что вероятность зарождения жизни на планете напрямую зависит от длительности функционирования ее внутренних геодинамических систем.

Источник: A. Broquet, J. C. Andrews-Hanna. Geophysical evidence for an active mantle plume underneath Elysium Planitia on Mars // Nature Astronomy. 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01836-3.

Владислав Стрекопытов