Мал. 1. Фрагменти метеоритів в кам'янистій пустелі Омана
Один з основних джерел інформації про склад космічного речовини Сонячної системи - метеорити. Серед них є рідкісні гості з Місяця і Марса. Про те, як їх виявили, як їх розпізнати, і про багато іншого йтиметься в цій статті.
Спочатку нагадаємо кілька основних понять. Метеорити бувають залізні, залізокам'яні і кам'яні. Кам'яні метеорити складаються в основному з силікатів (олівіну і піроксену) і, в свою чергу, поділяються на два підкласу: хондрити і ахондрити. Хондрити отримали своє ім'я завдяки тому, що вони все (за рідкісним винятком) містять хондри, сферичні освіти менше міліметра в діаметрі, переважно силікатного складу, що утворилися в результаті короткого локального нагріву небулярного газу і пилу. Метеорити цього підкласу утворилися в протопланетному хмарі.
Ахондрити не містять хондр і являють собою магматичні (вивержені) породи або брекчии, уламкові породи, що виникли в результаті подрібнення і перемішування в ході ударних процесів. Ахондрити утворилися не в протопланетному хмарі, а вже в космічних тілах. Через плавлення, причому в планетарних масштабах, і подальшого фракціонування (розділення) розплавів і твердої речовини ахондрити так чи інакше відрізняються за складом від вихідної хондрітових матеріалу. Тому за ступенем диференційованості речовини материнського космічного тіла розрізняють примітивні і диференційовані ахондрити.
До диференційованим, зокрема, відносяться місячні і марсіанські метеорити. Саме марсіанські називають також SNC-метеоритами - по імені метеоритів Shergotty, Nakhla, Chassigny. За цим метеоритів дали назву і відповідним підгрупах - шерготтіти, накліти, шассіньіти. Для кожної з підгруп характерні свої типи порід і склади.
Трохи історії
Свідоцтва про падіннях метеоритних каменів простежуються з VII століття до н. е. вони згадані в Біблії, китайських рукописах, роботах Лівія і Плутарха. У російських літописах падіння метеорита вперше відзначено в 1091 році: «. Спаді превелике змій від небес, ужасошася вси людье. В се же час земля стукну, яко мнози слишаша. »(Лаврентіївський літопис).
У давнину метеоритів приписувалося божественне походження, вони були предметом шанування. Пояснити їх природу намагався ще Діоген. Парацельс висловив думку, що метеорити - позаземні об'єкти. Вперше про можливість падіння на Землю каменів з Місяця заговорив італійський астроном Джованні Батіста Річоллі ще в 1651 році. Тим дивніше, що в період бурхливого розвитку науки в XVIII столітті вчені прийшли до висновку про неможливість падіння метеоритів на Землю, що затримало розвиток науки про метеоритах. Перелом у ставленні вчених до метеоритів настав на рубежі XVIII-XIX століть, зокрема, завдяки роботам видатного вченого, члена-кореспондента Петербурзької Академії наук Е. Ф. Хладни.
На зорі становлення наукової метеоритики передбачалося, що всі метеорити (тоді їх називали аероліта) мають місячне походження. Пізніше ця гіпотеза була математично обґрунтована і широко пропагувалася. У ті роки в газетах публікувалися прогнози про майбутній падінні каменів з Місяця, а в Парижі торгували місячними каменями. Наступні багаторічні дослідження показали, що більшість метеоритів прибуває на Землю з пояса астероїдів, ідея про метеоритах з Місяця була забута на довгі роки. Про можливість існування марсіанських метеоритів в той час навіть не думали.
Приблизно в той же час були ідентифіковані марсіанські метеорити. Їх, на відміну від місячних, порівнювати було ні з чим, і припущення про їх марсіанської природі зробили на основі декількох непрямих ознак. Перша зачіпка виникла, коли виявилася незвичайна група метеоритів з молодим по «метеоритним» мірками кристалізаційним віком (він визначається методами ізотопної геохронології). Дійсно, вік більшості метеоритів, і хондритів, і ахондрітов, - порядку 4,5 млрд років, тоді як SNC-метеорити значно молодше - в основному менш 1 млрд років. Крім того, виявилося, що вони багатші летючими елементами (наприклад, азотом, благородними газами) в порівнянні з іншими ахондрітамі. На основі цих спостережень виникла ідея, що джерелом SNC-метеоритів має бути велике планетне тіло, порівнянне за розмірами із Землею, тобто здатне утримувати леткі елементи і залишатися геологічно активним тривалий час після утворення.
Кращим претендентом на цю роль був Марс - його розміри досить великі, і він має розріджену атмосферу, яка не так сильно перешкоджає викиду матеріалу з поверхні в космос, як могла б атмосфера Венери. Крім того, можна було припустити, що на Марсі, при його розмірах, досить і радіоактивних теплогенеруючих елементів для забезпечення тривалої геологічної активності. Остаточно затвердив вчених на думці, що SNC-метеорити - прибульці з Марса, дослідження Дональда Богард і Пратта Джонсона, які в 1983 році вивчили газові бульбашки в деяких шерготтітах. Вони показали, що співвідношення змістів благородних газів і їх ізотопний склад відповідали таким в марсіанській атмосфері, дослідженої апаратом «Вікінг». На сьогодні виявлено близько 70 марсіанських метеоритів; деякі з них можуть бути фрагментами одного і того ж метеоритного дощу.
Ви з Місяця або Марса?
Щоб відрізнити місячні і марсіанські метеорити, подивимося на їх батьків. У Місяця немає атмосфери, а на її поверхні - пухкий шар уламкового матеріалу потужністю до 10 м - реголіт. Він утворився за рахунок подрібнення і перемішування матеріалу корінних порід при метеоритного бомбардування місячної поверхні. Корінні породи Місяця поділяють на дві групи - материкові (це в основному анортозити, що складаються з польового шпату), і морські (базальти). Морські, звичайно, не мають відношення до водяних морях - морями називають темні ділянки поверхні. Материкові породи дуже древні, віком до 4,5 млрд років, що близько до часу формування планетних тел. Утворилися вони переважно в період інтенсивного метеоритного бомбардування більш 3,9 млрд років тому. Тому материкові породи Місяця - це в основному брекчии, уламкові породи. Після закінчення цього періоду відбувалися виявлення морських базальтів, головним чином 3,8-3,2 млрд років тому. Місячні моря займають 17% її поверхні, приблизно така ж частка морських метеоритів. Взагалі, популяція місячних метеоритів відповідає складу місячної поверхні, серед них переважають материкові метеорити, менше морських і досить багато змішаних.
Мал. 3. Фрагмент шлифа місячного метеорита Dhofar 311 (проходить світло). Типова місячна материкова брекчия, в якій уламки порід і мінералів знаходяться в скловатою основній масі ударного розплаву
Більшість материкових і змішаних метеоритів, зрозуміло, представлено брекчиями - породами, що містять уламки порід і мінералів в схожій на скло матриці, що утворилася при ударі і плавленні. Серед морських метеоритів присутні як звичайні базальти, так і базальтові брекчии. Брекчиями вони стали тому, що метеоритне бомбардування триває досі, тільки масштаби її зменшилися, і реголіт, що утворився в районі морів, має меншу потужність, ніж в районі материків.
Тепер про інше батьку - Марсі. Його поверхня також покрита чохлом реголіту, але не таким потужним, як на Місяці. На Марсі його утворення сприяли не тільки метеоритне бомбардування, але і вивітрювання. Колись у Марса була досить щільна атмосфера, яка забезпечувала відносно теплий клімат і наявність рідкої води на поверхні. Про це свідчить присутність, ймовірно, найбільш вражаючих форм марсіанського рельєфу, так званих долин закінчення, - це сухі русла, що нагадують земну річкову мережу. Потім атмосфера ставала все більш розрідженій, що поступово призвело до повного спустошення. Все це супроводжувалося періодами вулканічної активності; її продукти на поверхні Марса - базальтові покриви і щитові вулкани. Як і на Землі, на Марсі важливу роль грали процеси накопичення опадів.
Все SNC-метеорити - це магматичні породи основного і ультраосновних складу (головні мінерали: піроксен, олівін, плагіоклаз), які утворилися при кристалізації базальтових магм. Цікаво, що, незважаючи на велику кількість ударних кратерів на поверхні Марса, з 70 відомих марсіанських метеоритів лише один метеорит NWA 7034 представлений імпактної брекчией, хоча все SNC-метеорити несуть в собі ознаки ударного впливу. Крім того, серед них не відомо жодного зразка осадових порід з Марса, подібних знайденим космічними апаратами «Opportunity» і «Curiosity». Чи то це пов'язано з непредставницьким вибірки марсіанських метеоритів, то чи з невисокою міцністю таких порід, до того ж велика ймовірність сплутати їх з земними осадовими породами. Але в будь-якому випадку нові знахідки марсіанських метеоритів можуть піднести сюрпризи.
До досліднику потрапив ахондрит
Звідки він? З Місяця? З Марса? Або ще звідкілясь?
Якщо метеорит брекчірован, містить більше 50% плагіоклазу, причому плагиоклаз кальцієвий (анортит), то, швидше за все, це місячний материковий метеорит, що можна підтвердити додатковими критеріями. Якщо плагиоклаза менше 50%, тут можливі варіанти: це може бути місячний морської метеорит, або марсіанський метеорит, або метеорит групи говардітов, евкрітов, діогенітов (HED), джерелом яких вважається астероїд Веста.
Інший ідентифікаційна ознака місячних і марсіанських метеоритів - Fe / Mn-відношення в головних породоутворюючих мінералах олівіні і піроксенів. Для місячних порід в олівіну воно становить приблизно 89, а в піроксенах - 54. Для марсіанських відповідно близько 43 і 30.
Ще критерій, універсальний не тільки для місячних, марсіанських, але і для всіх метеоритів, - ізотопний склад кисню. Він відображає первинні характеристики речовини і має специфічні особливості в різних космічних тілах. На відміну від марсіанських метеоритів з їх неповторним ізотопним складом кисню, місячні породи за цією ознакою можна відрізнити від земних.
Але сплутати місячне речовина з земним неможливо через його мінерального складу. Як вже зазначалося раніше, головний мінерал материкових порід - плагіоклаз, що має склад анортиту, - на Землі зустрічається нечасто. У земних породах, так само, як і в марсіанських, плагіоклаз містить більше лужних елементів. Є відмінності і в хімічному складі інших породоутворюючих мінералів - оливинов і піроксенів. Характерно місячні акцесорних мінерали - армолколіт, транквіллітііт, піроксферроіт - були вперше виявлені в місячних зразках і лише пізніше в земних породах, де вони вкрай рідкісні, а в марсіанських їх взагалі немає. В останніх, в свою чергу, можна знайти магнетит, якого ви не побачите в місячних породах. Це пояснюється суттєвими відмінностями в окисно-відновних умовах на Місяці і Марсі. Тому, зокрема, в SNC-метеоритах відсутня Fe, Ni-метал - природний сплав Fe і Ni, а в місячному речовині він зазвичай є. Інший наслідок - аномальна поведінка европия в процесі освіти місячних порід. В окислювальних умовах Землі і Марса Eu подібно до інших рідкоземельних елементів проявляє валентність +3 і не відділяється від них, тоді як в відновної обстановці Місяця европий двухвалентен і концентрується в плагіоклази, заміщаючи в ньому кальцій.
На жаль, багато пустельні знахідки мають подібну вторинну мінералізацію, тобто містять карбонати і глинисті мінерали, але вже земного походження, і, щоб відрізнити одне від іншого, потрібні додаткові трудомісткі дослідження. На щастя, деякі марсіанські метеорити, наприклад Chassigny, Shergotty, Nakhla, Tissint і Zagami, - свіжі падіння, зібрані відразу ж після приземлення, антарктичні знахідки теж не несуть в собі слідів перебування на Землі. Що стосується причин падіння місячних метеоритів, то їх ніхто ніколи не бачив. Дивно, але все 180 місячних метеоритів - знахідки, тобто метеорити, падіння яких ніхто не спостерігав.
Остаточно переконує дослідника в походженні метеорита його вік. Місячні метеорити набагато старше марсіанських. Виняток становить унікальний метеорит ALH 84001 (4,5 млрд років), всі інші марсіанські зразки істотно молодше -0,1-1,4 млрд років.
І останнє: звичайно, для визначення всіх цих параметрів потрібні серйозні дослідження з використанням сучасної техніки, проте фахівця часто буває досить поглянути в мікроскоп, щоб визначити джерело метеорита.
Де шукають і знаходять
Метеорити падали завжди і всюди, але виявити їх в горах або лісах важко, крім тих випадків, коли спостерігають падіння або розсіювання фрагментів метеоритного дощу і можна вказати ділянку пошуку. Однак на Землі існують місця, де метеорити знайти легше. В Антарктиді метеорити стали знаходити з самого початку вивчення цього континенту. Перший метеорит був знайдений в 1912 році, ще кілька - в 1960-х, але поворотна подія трапилося в 1969 році, коли японські вчені виявили відразу дев'ять метеоритів на площі 3 км 2. Найдивнішим виявилося те, що ці метеорити представляли п'ять різних типів. Далі були успішні японські та американські антарктичні експедиції по збору метеоритного речовини, в результаті яких було отримано понад 40 000 зразків.
З чим же пов'язане таке багатство Антарктиди? Перш за все, темні метеорити добре видно на білій поверхні, а холодний сухий клімат дозволяє їм добре зберегтися. Крім того, в деяких місцях вони можуть і концентруватися. Метеорити випадають на поверхню і з плином часу виявляються похованими в потужному шарі снігу і льоду. Якщо льодовик починає рухатися до краю материка в більш теплу область і зустрічає на своєму шляху перешкоду, що утрудняє його подальше просування, наприклад гірський хребет, то, зупинившись, лід сублімує і на поверхні льодовика залишаються метеорити, які можна збирати.
Називають метеорити за місцем їх знаходження. Наприклад, метеорити під назвою Yamato зібрані в Антарктиді поблизу однойменного гірського хребта, метеорити NWA (North West Africa) - в районі Західної Сахари. Всі антарктичні і більшість пустельних знахідок не мають точних координат місця знахідки, а шкода: багато метеорити випадають у вигляді метеоритних дощів, визначення ж парності (тобто належності до одного метеоритного дощу) - завдання нелегке.
На закінчення наведемо слова німецького філософа Йоганна Готліба Фіхте: «Ніщо справжнє і корисне, раз воно стало надбанням людства, не пропаде даром, хоча б лише віддалене потомство навчилося цим користуватися». Метеорити були і залишаються джерелом унікальних знань і нових несподіваних відкриттів, і нам пощастило, що ми живемо на Землі, - тому що у жителів Місяця і Марса шансів знайти метеорити з Землі практично немає.
Що ще можна прочитати про метеоритах:
Сайт лабораторії метеоритики ГЕОХІ РАН (багато корисної інформації, а також рекомендації тим, хто знайшов метеорит або спостерігав його падіння).
Місячні метеорити.
Марсіанські метеорити.