<Science 03.12.2004


Доказательство существования в прошлом условий водной среды на равнине Меридиани

S. W. Squyres,1 J. P. Grotzinger,2 R. E. Arvidson,3 J. F. Bell, III,1 W. Calvin,4 P. R. Christensen,5 B. C. Clark,6 J. A. Crisp,7 W. H. Farrand,8 K. E. Herkenhoff,9 J. R. Johnson,9 G. Klingelhцfer,10 A. H. Knoll,11 S. M. McLennan,12 H. Y. McSween, Jr.,13 R. V. Morris,14 J. W. Rice, Jr.,5 R. Rieder,15 L. A. Soderblom9

Опубликовано: Science 03.12.2004


Осадочные породы в кратере Игл на равние Меридиани состоят из мелкозернистых силикластических материалов, образовавшихся при выветривании базальтовых пород, сульфатных минералов (включая сульфат магния и ярозит), доля которых составляет несколько десятков процентов по весу, и гематита. Наблюдаемая в обнажениях стратификация указывает на процессы эолового и водного переноса материала. Диагенетические особенности включают богатые гематитом конкреции и полости в породе. Мы считаем породы смесью химических и силикластических осадочных материалов со сложной диагенетической историей образования. Запечатленные в породах условия среды включают эпизодическое затопление неглубокими поверхностными водами, их испарение и иссушение. Геологическая летопись равнины Меридиани предполагает, что в течении некоторого периода марсианской истории существовали условия, пригодные для биологической активности.


1 Department of Astronomy, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA.
2 Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.
3 Department of Earth and Planetary Sciences, Washington University, St. Louis, MO 63031, USA.
4 Department of Geological Sciences, University of Nevada, Reno, NV 89557, USA.
5 Department of Geological Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
6 Lockheed Martin Corporation, Littleton, CO 80127, USA.
7 Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109, USA.
8 Space Science Institute, Boulder, CO 80301, USA.
9 U.S. Geological Survey, Flagstaff, AZ 86001, USA.
10 Johannes Gutenberg University, D-55128 Mainz, Germany.
11 Botanical Museum, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
12 Department of Geoscienc Department of Geosciences, State University of New York, Stony Brook, NY 11794, USA.
13 Department of Earth and Planetary Sciences, University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA.
14 NASA Johnson Space Center, Houston, TX 77058, USA.
15 Max-Planck-Institut fьr Chemie, Kosmochemie, D-55128 Mainz, Germany.

 

Основной целью миссии марсохода является поиск в марсианской геологической летописи признаков условий, которые когда-то могли быть подходящими для жизни. Везде в этой статье мы описываем геологическое окружение внутри и снаружи кратера Игл, небольшого ударного кратера на равнине Меридиани, куда приземлился марсоход Оппортьюнити. В работе мы более подробно характеризуем породы, обнаженные на стенках кратера, и рассматриваем их применительно к прошлым водным процессам и существованию жизни.


Стратиграфия и седиментология

На основании цвета, морфологии, текстуры и структурной ориентации можно составить карту обнажений в кратере Игл (Фиг.1). Максимальная толщина среза пород, выходящих на поверхность в кратере, находится в пределах 30-50 см. Хотя нанесенные на эту карту участки имеют сложную стратиграфию, интенсивное брекчирование, вызванное ударом метеорита, затрудняет реконструкцию относительной хронологии. Свой вклад в брекчирование могли также внести последующее поверхностное выветривание и разрушение кратера.




Фиг.1. Pancam’овские снимки обнажений в кратере Игл, карта участков в вертикальной проекции.
 

Западная часть обнажения образует участок А и включает в себя область, названную Shoemaker's Patio и простирающуюся вплоть до точки, отмеченной камнем Slickrock. Этот участок характеризуется большими блоками брекчии и наивысшим среди всего обнажения альбедо (~0.30). Пласты в блоках имеют определенный по тонким плоским прослойкам наклон от 0° до 15°, небольшой угол поперечной стратификации, и толщину до 7 см (Фиг. 2А). Есть включенные в толщу пластов сферулы, полостей мало. Края некоторых блоков более рельефны и более красного цвета.




Фиг.2. (А) Снимок Shoemaker's Patio показывает набор пластов толщиной 5-7 см, идущих от левого нижнего угла к правому верхнему. Это близкое к реальным цветам изображение, скомбинированное из снимков, сделанных на 50 сол через фильтры 600, 530 и 480 нм. (B) Снимок камня Slickrock показывает плоские пласты или пласты под небольшим углом. Поперечник снимка ~60 см (кадр 1P129958307). (C) Снимок камня Dells с волнистыми и неровными прослойками. Размер снимка ~55 см. (D) Микроскопический снимок прослоек однородной толщины. Размер снимка ~30 мм (кадр 1M131912465). (E) Снимок камня Scoop сразу за краем кратера, видны волнистые прослойки с фестонами (красная стрелка). Размер Scoop’a ~40 см.
 

Участок B тянется к северо-востоку от Slickrock до камня El Capitan и отличается большими блоками с альбедо, меньшим чем на участке А. В восточной части пласты идут под большим углом, до 60° возле Slickrock и камня Dells. Пласты на участке B имеют плоские прослойки под небольшим углом (Фиг.2B), волнистые прослойки и неровные прослойки (Фиг.2С), в породе много сферул и полостей.

Участок С включает камень El Capitan и другие камни вдоль северного края кратера Игл. Пласты почти горизонтальны и выражены более слабо. На верхней части El Capitan (Guadalupe), пласты практически не видны. Много сферул и полостей в породе. Верхняя часть участка С более рельефна, чем нижняя, краснее и более пестрых оттенков. Вероятно содержит большее количество связующего гранулы материала. Это также самый твердый материал во всем кратере. Такой вывод был сделан по итогам работы Rock Abrasion Tool (RAT).

Участок D занимает восточную часть обнажения, названную Big Bend, имеет сравнительно неповрежденную стратиграфию с наклоном от 20° до 30°. Здесь обнажение подвергалось сильной ветровой эрозии параллельно пластам, которые поэтому приобрели рифленный вид. Осадочная структура имеет волнистые прослойки и неровные пласты. Есть сферулы, но полостей мало.

Участок E представляет область обнажения с брекчированными блоками с (или без) заметным пластованием. Ничего больше про него сказать нельзя, потому что марсоход не исследовал его достаточно подробно.


Микроскопическая структура

Снимки микроскопической камеры выявили 4 основных составляющих обнажения. Основной компонент представляет собой умеренно округлые песчинки средних и крупных размеров; по размеру эти частички однородны внутри прослойки, но по слоям наблюдаются некоторые вариации. Отдельные прослойки, особенно на участке B, имеют толщину одной частички, их размер меняется от 0.3 мм до почти 1 мм. (Фиг. 2D). Второй компонент - это серые сферулы, включенные в породу на всех участках обнажения (Фиг.3). Диаметры сферул от 4 до 6 мм. Третий компонент - связующий материал, преимущественно мелкозернистый, но местами (возле сферул) наблюдались его миллиметровые кристаллы. Наконец на некоторых участках в материале полно полостей (Фиг.4). Полости имеют пластинчатые призматические формы и случайную ориентацию. Они пересекают поверхность узкими (1-2 мм) длинными (~ 1 см) щелями. Полости имеют острые углы, кроме тех , что сглажены эрозией. Многие полости шире всего в середине и сужаются к концам.




Фиг.3. (А) Микроскопический снимок сферулы с обрамлением , расположенным вдоль местной прослойки. Размер снимка ~15 мм (кадр 1M130760791). (B) “Дублетная” сферула, образованная двуми взаимопроникающими сферулами. Размер снимка ~13 мм (кадр 1M130672582).
 




Фиг.4. (А) Pancam’овский снимок полостей в El Capitan, сделанный в 27 сол через фильтры на 750, 530 и 480 нм. Размер снимка ~43 см. (B) мозаика полостей в El Capitan из снимков микроскопической камеры. Поперечник каждого кадра – 30 мм.
 


Химия и минералогия

В элементном составе обнажений кратера Игл, измеренном с помощью альфа- и ретгеновского спектрометра (APSX), наибольшего внимания заслуживают высокие концентрации серы, в некоторых местах почти 25% SO3 по весу. Эта доля серы примерно в 5 раз выше, чем в среднем в грунтах равнины Меридиани, и по крайней мере в 20 раз выше, чем в базальтовых породах в кратере Гусева. Хотя обнажения кратера Игл сильно обогащены серой, по хлору такого не наблюдается. Если оба элемента присутствуют в виде солей, то значит могло произойти фракционирование за счет разной растворимости.

В общем и целом, высокие концентрации серы наиболее просто объяснить высоким содержанием сульфатов. Минералогические наблюдения с помощью мёссбауэровского спектрометра и миниатюрного термоэмиссионного спектрометра (MiniTES) подтверждают эту интерпретацию. Мёссбауэровский спектрометр во всех обнажениях обнаружил железисто-сульфатный минерал ярозит [(K,Na,H3O,X+1)Fe3(SO4)2(OH)6], а спектры MiniTES показывают наличие сульфатов магния и кальция ~20-40% по весу.

Другой примечательной особенностью пород обнажения является сильно переменчивая концентрация брома. Она меняется от менее чем 30 ppm до 440 ppm (частей на миллион). Эти вариации обнаружены на очень малых масштабах; концентрация брома в двух дырках, высверленных RAT’ом в камне El Capitan (Guadalupe и McKittrick), отличается более чем на порядок, хотя расположены они всего в 20 см друг над другом. Наименьшая концентрация брома в обнажении дает соотношение Cl/Br сравнимое с соотношением Cl/Br в хондритах, а наибольшая заметно выше по брому. Бромиды в общем более растворимы, чем хлориды тех же катионов. Большие локальные концентрации брома по сравнению с хлором иногда встречаются в земных осадочных породах испарительного происхождения.

На Земле наиболее распространенный первый катион в ярозите это K+, но в обнажении низкая концентрация калия и его место должны занять Na+, H3O+ или наиболее распространенный из имеющихся в наличии катион - Mg2+. В породах должны присутствовать однократно или многократно гидратированные сульфатные соли магния, такие как кизерит, гексагидрит и/или эпсомит. Имеющихся концентраций натрия достаточно для галита, хотя могут присутствовать и бишофит [MgCl2·6(H2O)] или антарктицит [CaCl2·6(H2O)]. Сульфаты кальция (ангидрит, бассанит, гипс) также могут присутствовать в обнажении, равно как и различные двойные соли с Na+, вроде бледита, вантогоффита или глауберита. Эти геохимические предположения основаны на данных MiniTES, которые указывают на значительные количества сульфатов магния и кальция. Если весь магний и 2/3 кальция находятся в форме сульфатов, то можно объяснить баланс по сере в ярозите. Большинство из вышеперечисленных солей, включая ярозит, обнаруженный мёссбауэровским спектрометром - гидратированные соединения , и возможно ими объясняется по меньшей мере часть атомов водорода, которые были обнаружены с орбиты Mars Odyssey’ем с помощью гамма-спектрометра.

Вместе с сульфатами породы обнажения должны содержать значительную долю силикластических материалов. Данные APSX показывают, что элементный состав этого компонента имеет характерные признаки базальтового материала, но доказательства в пользу минералов вулканического происхождения неубедительны. Выявление MiniTES’ом небольших количеств оливина, пироксена и полевого шпата лучше всего объясняется загрязнением поверхности широко распространенным базальтовым песком, переносимым ветром. Мёссбауэровский спектрометр не обнаружил оливина в камнях, просверленных RAT’ом, единственная деталь, приписываемая пироксену, скорее всего оказалась какой-то другой Fe2+-фазой.

Сферулы отличаются по химическому составу от породы, в которую они включены. Снимки Pancam’а показывают, что сферулы имеют ясно выраженные отличные от породы свойства в видимом и ближнем ИК диапазонах. Так как сферулы по размеру много меньше поля зрения APSX и мёссбауэровского спектрометра, невозможно провести их индивидуальный химических анализ. Однако 2 независимых факта наглядно показывают, что сферулы имеют гематитный состав. Во-первых, наблюдения MiniTES’ом сферул, лежащих на поверхности почвы, показывают, что сигнал от гематита коррелирует с долей занимаемого участком почвы поля зрения прибора. Во-вторых, было проведено наблюдение мёссбауэровским спектрометром небольшой впадины Berry Bowl, где накопилось много сферул. Результаты показали более сильный сигнал от гематита по сравнению с соседним, свободным от сферул участком.

Другие наблюдения также свидетельствуют о большой концентрации гематита в сферулах. Наблюдения APSX’ом впадины Berry Bowl показали аномально высокие концентрации железа и высокое отношение Fe/Mn. Спектры Pancam’a также указывают на гематит: cферулы, разрезанные RAT’ом, имеют однородные спектральные свойства по всему объему, то есть гематит присутствует не только на их поверхности, и вообще, сферулы, усеивающие всю поверхность равнины Меридиани, и есть основные источники гематита, обнаруженного с орбиты термоэмиссионным спектрометром Mars Global Surveyor’a. Конечно не весь гематит содержится в сферулах - мёссбауэровский спектрометр обнаруживает гематит и на обнажениях, свободных от сферул, хотя и в более низкой концентрации. Сверление пород привело к образованию на резцах RAT’a ярко выраженного кирпично-красного налета. Этот цвет отличается от цвета обнажения и связан с образованием мелкодисперсной гематитовой пыли, возможно и от сферул, и от самих пород.


Поперечная стратификация

Типы стратификации, обнаруженные в породах кратера Игл, включают в себя плоские прослойки, поперечную стратификацию под малым углом, пересечение пластов, волнистые прослойки и неровные прослойки.

Плоские прослойки и поперечная стратификация под малым углом хорошо развиты в некоторых местах, в частности у Slickrock и Shoemaker's Patio. Микроскопические снимки Slickrock показывают прослойки толщиной в 1 гранулу (Фиг. 2D), что подразумевает эоловый механизм переноса осадочного материала. У Shoemaker's Patio сохранился отдельный пласт толщиной от 5 до 7 см (Фиг. 2А). Он обрезан или кончается из-за брекчирования, так что геометрия пласта неупорядочена., но поперечный срез идет вниз по касательной к нижней поверхности. Эта геометрия отображает отложение типа субаэральной или подводной дюны. Наличие соседних блоков брекчии с плоскими прослойками предполагает, что здесь могли преобладать эоловы процессы, сформировавшие дюну на влажной поверхности отложений.

У камней Last Chance, Dells, Scoop наблюдаются прослойки с характерной волнистой структурой. Типичная толщина такой волнистой конфигурации - от 0.8 до 1.7 см. Эта геометрия указывает на процессы переноса осадочных пород под водой. Реконструированные пласты должны быть всего несколько сантиметров размером и следовательно слишком малы, чтобы быть ветровыми дюнами. С другой стороны они слишком велики (и не той геометрии), чтобы быть напластованиями, созданными эоловой рябью. Их размер согласуется с вариантом формирования под водой. Характерная конфигурация с “гирляндами” требует, чтобы рябь имела трехмерную геометрию с очень волнистыми гребнями. Известно, что такие образования формируются исключительно в подводных течениях со скоростями по меньшей мере несколько десятков сантиметров в секунду. Пониженная марсианская гравитация не оказывает заметного влияния на образование и форму таких структур и не является контраргументом для данной интерпретации.


Диагенетические особенности

Породы, обнаженные в кратере Игл, проявляют сложную диагенетическую историю. Наблюдаемые диагенетические признаки согласуются с формированием пород в заполненной жидкостью (фреатической) зоне системы с подземными водами. Налицо минимальное изменение основных признаков осадочного происхождения, что преполагает малое изменение объема в процессах диагенеза.

Наиболее заметными особенностями диагенеза являются гематитовые сферулы (Фиг.3). Они обнаружены во всех обнажениях и составляют ~2% породы по объему. У них малые различия в размерах, а их формы лишь немного отклоняются от сферических. Сферулы, распиленные RAT’ом, не имеют внутренней структуры на масштабах, различаемых микроскопической камерой. Пространственное распределение сферул внутри обнажения однородно; в частности они не концентрируются вдоль плоскостей пластов. Сферулы в основном не нарушают окружающие прослойки, однако вокруг некоторых есть ободки или канавки. Большинство сферул встречаются по одиночке, но найдены и “дублетные” и “триплетные” сферулы (Фиг.3B). Их стойкость к выветриванию и сверлению с помощью RAT’a говорит о том, что они тверже окружающей породы.

На основании этих характеристик и гематитового состава мы считаем сферулы конкрециями, образовавшимися во время раннего подземного диагенеза после первичной фазы конденсации в условиях почти изотропной малоподвижной жидкости. При их формировании могло происходить замещение ранее содержащихся сульфатных минералов и заполнение имеющихся пор. Тот факт, что конкреции образовались внутри песчаных осадочных пород, но не содержат песчаных структур, предполагает процессы растворения, и видимо силикластические зерна внутри породы много меньше размера песчинок. Конкретные химические реакции, ответственные за образование сферул, не до конца понятны, но превращение ярозита в гематит во время нахождения в жидкости термодинамически возможно.

Полости (Фиг.4) распределены по обнажениям неоднородно, но в камнях , где они есть, они занимают ~5% поверхности. При сверлении RAT’ом видимый размер полостей может увеличиваться; это свидетельствует, что полости имеют отношение скорее к процессам химического растворения, чем к физической эрозии. На основании этих характеристик, и в особенности их слоистой формы, мы считаем, что полости образовались при растворении сравнительно растворимой минеральной фазы (фаз), вероятно сульфатов.

Конкреции в полостях определяют возраст исходных пород, в которых они образовались, а вторичные полости, развившиеся вокруг конкреций, определяют в свою очередь период образования вторичной пористости породы (Фиг.5). Так как конкреции пересекают полости, видимо сначала образовалась исходная порода. С другой стороны некоторые конкреции внутри полостей имеют правильную сферическую форму, значит вторичные полости отсутствовали до образования конкреций.




Фиг.5. (А) Микроскопический снимок сферулы, высовывающейся в полость (красная стрелка). (B) микроскопический снимок сферулы, пересекающей полость (красная стрелка) Размер обоих снимков ~12 мм, оба сделаны после обработки RAT’ом камня El Capitan.
 

Вдобавок к образованию сферул и полостей могли иметь место один или несколько эпизодов цементации пород. Окаменение вероятно связано с заполнением пор связующим материалом, состоящим из сульфатов и возможно гематита. Некоторые участки обнажения (например Guadalupe) более стойки к RAT’у , возможно из-за более высокой степени цементации или/и эпизода рекристаллизации (местами конкреции окружены кристаллами).


История

Мы считаем, что породы обнажений кратера Игл - это смесь химических и силикластических осадков со сложной историей диагенеза. Они запечатлели эпизодическое затопление местности неглубокими поверхностными водами, затем последовало испарение, обнажение и иссушение. Прослойки с характерными “гирляндами” дают доказательства затопления водой, минералогия и геохимия указывают на осаждение растворенных солей, а плоские прослойки и прослойки под небольшим углом согласуются с процессами переноса осадочного материала по сухой поверхности. Земными аналогами такого набора процессов могут послужить такие местности как впадины между дюн, дно высохших озер (playa), сабхи (пересыхающие соляные озера).

По данным нашего элементного анализа и минералогическим данным осадочные породы по весу на 50% - мелкозернистые силикластические материалы , образовавшиеся из базальтовых пород, ~40% - сульфатные минералы (включая сульфат магния и ярозит) и на ~10% гематит. Исходные вулканические минералы в силикластической фракции не определены, что предполагает сильную степень изменения химическими процессами. Сульфатные минералы могли образоваться при осаждении из воды или внутри осадочных пород под землей. На временном промежутке, когда вода была на поверхности, она могла контактировать с марсианской атмосферой, но в отсутствии однозначных признаков водной ряби, мы не можем исключать возможности существования слоя льда.

После процессов водного и эолового переноса богатых сульфатами песчинок последовала цементация мелкодисперсного материала, вероятно преимущественно сульфатов , возможно также и гематита. Конкреции образовались при осаждении гематита из подземных вод, заодно выросли слоистые минеральные частицы. После этого имела место рекристаллизация цементирующего материала и растворение минеральных частиц с образованием полостей. Через неизвестное время после этого образовался сам кратер Игл, обнажив осадочные породы и став причиной наблюдаемого брекчирования.

Заслуживает внимания тот факт, что условия окружающей среды, запечатленные в кратере Игл, могли преобладать на большой территории. Все породы, которые встретил марсоход на пути к кратеру Эндьюранс более чем в полукилометре от места посадки, имели те же характеристики, что и обнажения в Игле. Еще более важно, что на снимках камеры MGS породы с высоким альбедо, которые обнажены в кратере Игл, встречаются то тут, то там по всей равнине Меридиани. По-видимому территория, на которой шли осадочные и диагенетические процессы в водной среде, имеет площадь по крайней мере несколько десятков тысяч квадратных километров.

Хронологию и продолжительность действия водных процессов в Меридиани трудно определить. Распределение кратеров по размерам на равнинах Меридиани предполагает сложную историю образования и разрушения и подвергает сомнению нашу способность извлекать пригодную хронологию из статистики кратеров. Верхняя граница возраста может быть получена из анализа орбитальных снимков, показывающих, что материалы равнины Меридиани лежат поверх кратерированных равнин средней/поздней нойской эпохи. Это подразумевает, что породы в кратере Игл могут иметь возраст в несколько миллиардов лет. В наших наблюдениях нет никаких полезных указаний на временные рамки “водного” периода в Меридиани.


Выводы

Жидкая вода, которая, как показали наши результаты, когда-то была в Меридиани, часто рассматривается как необходимое условие для жизни. Отсюда мы делаем вывод, что условия на поверхности Меридиани могли быть пригодными для жизни на каком-то этапе марсианской истории.

Однако запечатленные условия окружающей среды представляют как минимум два типа проблем для развития марсианской жизни. Первая связана с химией водной среды. Комплекс минералов аналогичный кратеру Игл найден и на Земле. Обычно это дренажные системы шахт, реже природные образования , например в бассейне реки Рио Тинто в Испании. Их воды как правило кислотны, иногда очень кислотны. Кроме того, в соленых водах, предполагаемых геологией Меридиани, водная активность могла быть по крайней мере эпизодически невозможна.

Высокая кислотность и соленость не является непреодолимым препятствием для микробной жизни на Земле. Кислотные воды могут поддерживать филогенетически богатый набор бактерий и эукариот, микроорганизмы могут приспособиться к кратковременному пересыханию и постоянной пересоленности. Однако такие организмы относятся к особым популяциям , которые эволюционировали , чтобы выжить в сильно кислотных или соленых средах. Менее ясно, насколько такие условия пригодны для разных пребиотических химических реакций, обычно привлекаемых для объяснения возникновения жизни.

Второй тип проблем для жизни в Меридиани связан с непостоянством наличия воды. Породы в Игле обнажают несколько десятков сантиметров богатых сульфатами пластов. В ближайшем кратере Эндьюранс толщина аналогичных пород достигает 10 м. Несмотря на эту значительную величину , заметные пласты сцементированных сульфатами эоловых песков предполагают, что вода на Меридиани была, но иногда исчезала, что увеличивает трудности для постоянного присутствия жизни на больших временных интервалах.

Мы не можем определить была ли жизнь, и была ли она вообще возможна в водах Меридиани, но ясно, что ко времени отложения осадочных пород в кратере Игл, Земля и Марс уже разошлись в путях развития. Возвращение образцов пород Меридиани может дать больше определенности в том, была ли на Марсе жизнь. Известно, что сульфатные отложения сохраняют и химические и морфологические ископаемые, и отложения оксида железа в Рио Тинто содержат прекрасно сохранившиеся окаменелости, включая крошечные останки коккоидов и нитевидных микроорганизмов.Поэтому равнина Меридиани может рассматриваться как привлекательный кандидат для дальнейшего исследования.


Страница обновлена 05-02-2006
Hosted by uCoz