Space Exploration Technologies

Верхние горизонты коры Марса

Поверхность Марса покрыта чехлом обломочного материала (реголита), в образовании которого важную роль играли экзогенные процессы: эоловые, локально-флювиальные, гравитационные, мерзлотные, эолово-гляциальные, метеоритная бомбардировка. Мощность реголита колеблется от сотен метров до нескольких километров. Время воздействия указанных процессов на поверхность планеты исчисляется от сотен миллионов до нескольких миллиардов лет. В итоге сформировался осадочный чехол значительной мощности - до нескольких километров в отдельных регионах. Доминирующим процессом, интенсивно действовавшим в начальный период эволюции поверхности Марса (более 4 млрд. лет назад) „ была метеоритная бомбардировка древней коры планеты. Этот процесс создал сильно кратерированный ландшафт (похожий на поверхность лунных материков) и привел к значительному раздроблению верхних горизонтов литосферы и формированию мощного чехла мегареголита. Мощность такого слоя на Марсе может достигать 2 км.

Так как Марс обладал атмосферой и в прошлом, то ветровая деятельность на его поверхности, полностью лишенной растительного покрова (столь характерногодля Земли), приводила к "пересортировке" поверхностного материала и дифференцированному переносу его в локальные понижения (кратеры) и обширные депрессии в сотни километров поперечником (ударные бассейны). Такой процесс продолжался всю геологическую историю планеты и сформировал осадочные толщи, мощность которых в отдельных местах может составлять несколько километров.

Заметную роль в образовании осадочного чехла играют полярные шапки. Здесь ежегодно в течение сотен миллионов лет происходит конденсация основных компонентов марсианской атмосферы (СО2 и Н2О), сопровождаемая осаждением пыли и накоплением эпизодических песчано-пылевых покровов. Это привело к формированию серии пачек слоистых отложений, общая мощность которых достигает нескольких километров.

Многолетние наблюдения за пылевыми облаками в атмосфере Марса, наземные поляриметрические наблюдения и сопоставление суточного хода температуры поверхности с режимом инсоляции свидетельствуют о том, что поверхность планеты перекрыта тонкозернистым материалом. Наиболее достоверная информация о свойствах этого материала получена с помощью космических аппаратов. Так, плотность поверхностного грунта Марса, оцененная по величине тепловой инерции (характеризующей способность грунта к нагреванию и остыванию), составляет около 1,2 г/см3. Средняя плотность марсианского грунта, по данным радиолокации, равна 1,7 г/см3. Такая оценка справедлива во всем диапазоне радиоволн от 3,8 до 70 см, а так как глубина проникновения электрических волн в этом диапазоне колеблется от нескольких десятков сантиметров до 10 м, получается, что грунт в поверхностном слое мощностью до 10 м довольно однороден.

При средней плотности грунта 1,4 г/см3 и принятой плотности составляющих его частиц базальтового состава 2,8 г/см3 пористость поверхностного грунта на Марсе может составлять примерно 50%.

Поскольку сила тяжести на Марсе в 2,5 раза меньше, чем на Земле, то трещины в коренных породах будут полностью "закрываться" соответственно на большей глубине (около 12 км, на Земле - около 5 км). Исходя из этого можно принять, что плотность чехла обломочного материала на Марсе на глубинах до нескольких километров будет порядка 2,2-2,5 г/см3, средняя пористость в нем около 20%. В масштабе нескольких десятков километров поверхностный материал на Марсе довольно однороден и средний размер его частиц оценивается в интервале 0,1-5 мм.

Марсиансике ландшафты в местах посадок:
сверху - "Виканиг-1" (равнина Хриса)
снизу - "викинг-2" (равнина Утопия)
выглядят подобно каменистым на Земле

О наличии на поверхности тонкого материала свидетельствуют резкие суточные колебания температур поверхности, быстро затухающие на небольшой глубине (около 25 см). Панорамные изображения с "Викинга-1, -2" подтверждают наличие на поверхности планеты как грубообломочного, так и тонкозернистого материала (рисунок). Исследование поверхностного грунта в месте посадки "Викинга-1" показало, что частицы в интервале размеров 0,01-0,1 мм составляют 60% на участках "песчаного" грунта и 30% на участках "каменистого" грунта. Более крупные частицы (0,1-2 мм) составляют 10 и 30% соответственно.

По фотографиям мест посадок "Викингов-1, -2" на грунте обнаружены корочки, происхождение которых связывается с цементацией верхнего слоя грунта (около 1-2 см) глинистыми частицами и солями.

Результаты химического анализа поверхностного материала Марса в местах посадки "Викингов-1, -2" показали сходство состава (табл. 2) грунта в районах планеты, удаленных друг от друга на 6000 км. Для образцов грунта были получены следующие отношения химических элементов: Fe/Si=0,7±0,1 (в земных базальтах ~0,7); S/Cl в разных образцах колеблется от 4 до 8; Cl/Br~100. Этот грунт оказался хорошо перемешанной (химически однородной на большой площади) смесью продуктов химического выветривания, главным компонентом которой может быть богатый железом глинистый минерал (или минералы), например нонтронитовый монтмориллонит. Наилучшее приближение к марсианскому грунту дает смесь богатых железом глин, характерных для процессов земного выветривания основных изверженных пород.

Концентрация химических элементов (масс. %) в образцах марсианского грунта по данным рентгенофлюоресцентного спектрометра на посадочных аппаратах "Викинг-1, -2"

Элемент
"Викинг-1"
"Викинг-2"
Mg
5,0
5,2
20,0
Al
3,0
2,9
Si
20,9
20,8
20.5
20,0
S
3,1
3,8
3,8
2,6
Cl
0,7
0,8
0,9
0,6
K
<0,25
<0,25
<0,25
<0,25
Ca
4,0
3,8
4,0
3,6
Ti
0,51
0,51
0,51
0,61
Fe
12,7
12,6
13,1
14,2
X*
8,4
Pl
3·10-3
<3·10-3
Sr
6,0
1
Y
7,0
5
Zr
<3·10-3
3

* - сумма компонентов, непосредственно не определяемая и включающая H2O, Na2O, CO2, NOx.

В исследованных образцах грунта наибольшие вариации наблюдались для серы и хлора. Эти элементы, вероятно, могут присутствовать в поверхностном материале в виде водорастворимых солей. Например, образцы из поверхностных корочек грунта содержат вдвое больше хлора и на 66% больше серы, чем под корочками, хотя и там содержание серы в 10-100 раз выше, чем в обычных породах и грунтах Земли. Повышенное содержание этих элементов в поверхностной корочке обязано, по-видимому, механизму капиллярного подсоса солевых растворов, появление которых возможно летом (в слое суточных колебаний температур) в дневные часы. Из анализа образцов грунта также следует, что сера связана с сульфатами - вероятнее всего, это MgSO4 или MgSO4·H2O (кизерит). Свойства кизерита как цементирующего агрегата хорошо согласуются со способностью марсианского грунта образовывать плотные корочки с повышенным содержанием серы.

В грунте могут присутствовать также карбонаты и хлориды. Для образцов грунта в месте посадки "Викинга-1" сумма оксидов плюс хлор составляет 92%. Остаток (8%) может состоять из 0,4% Na - для связывания всего наличного хлора в галит (NaCl), 4,4% СО2 - для связывания всего наличного кальция в кальцит (СаСО3) и 3,2% воды - в виде структурной воды в глинах. Таким образом, тонкозернистый материал на поверхности Марса - это не обломки первичных пород, а продукты их химического выветривания. В современных условиях выветривание поверхностного материала может происходить в результате фотоокисления минералов как под воздействием ультрафиолетового излучения, достигающего беспрепятственно поверхности планеты, так и под воздействием озона. Кроме того, в выветривании могут активно участвовать пленочные солевые растворы, появление которых вполне возможно в летний сезон в слое суточных колебаний поверхностных температур. Не менее важную роль в формировании того, что мы считаем продуктами выветривания, могло играть воздействие магматических расплавов на льдосодержащие мерзлые породы или ударно-взрывные процессы кратерообразования в слое мерзлоты. Образующиеся при этом водные растворы могли способствовать гидротермальному изменению основных пород с возможным образованием палагонитовых туфов. Происхождение последних на Земле обычно связано с процессом взаимодействия базальтовых расплавов со льдом или подводным вулканизмом. Поскольку геохимические характеристики образцов грунта из двух удаленных друг от друга на 6000 км районов планеты оказались близкими, можно думать, что рыхлый материал на поверхности Марса в планетарном масштабе довольно однороден и большая часть планеты покрыта сходным материалом.