С помощью анализа зерен циркона из образцов лунных пород планетологи с большой точностью датировали крупное импактное событие, случившееся на раннем этапе существования Луны. Оказалось, что мощный метеоритный удар, вызвавший глобальный всплеск магматизма, произошел 4,338–4,334 миллиарда лет назад.
Опираясь на данные о химическом и изотопном составе исследованных лунных образцов, ученые предположили, что с этим событием связано образование крупнейшей ударной структуры на Луне ― бассейна Южный полюс ― Эйткен. Отчет об исследовании опубликован в журнале Science Advances.
Изучение наиболее раннего периода истории Луны затруднено сильным разрушением, перекрытием и искажением структур этого времени позднейшими проявлениями магматизма, метеоритных ударов и космического выветривания. Однако планетологам удается обнаружить следы крупных событий, относящихся к древнейшим эпохам существования Луны, с помощью исследования кристаллов циркона, которые содержатся в образцах лунных пород. В таком анализе ученые применяют радиоизотопное датирование уран-свинцовым методом, измерение концентраций микроэлементов и изотопов гафния.
По результатам датирования цирконовых зерен из образцов брекчии, доставленных на Землю несколькими миссиями по программе «Аполлон», планетологи обнаружили на кривых относительной вероятности возрастных значений пик в районе даты 4,33 миллиарда лет назад. Сходные данные были получены и при анализе зерен циркона из лунных метеоритов. Пик может означать, что образование кристаллов было связано с масштабным процессом, таким как окончание кристаллизации океана магмы или всплеск глобального магматизма, который спровоцировало мощное импактное событие. Но различить эти сценарии оказалось сложно: точность метода масс-спектрометрии вторичных ионов, применявшегося для анализа, недостаточна, чтобы определить, отражает ли возраст цирконов кратковременное катастрофическое плавление или длительные (до десятков миллионов лет) магматические процессы.
Чтобы повысить точность измерений, планетолог Мелани Барбони (Mélanie Barboni) из Университета штата Аризона и ее коллеги из США и Швейцарии применили для уран-свинцового датирования метод термоионизационной масс-спектрометрии в сочетании с изотопным разбавлением пробы. Неопределенность датировки при использовании такой методики составляет всего около 500 тысяч лет со статистической значимостью в пределах 2σ (уровень достоверности 95 процентов). Ученые исследовали 10 цирконовых зерен из образцов, доставленных «Аполлоном-14», одно зерно из образца с «Аполлона-15» и два ― из образцов с «Аполлона-17». Анализу были подвергнуты продукты двух этапов частичного кислотного разложения и остатки, полученные после полного разложения кристаллов с добавлением изотопной метки. Помимо датирования также исследовались концентрации редкоземельных элементов, циркония, ниобия, тория и некоторых других микроэлементов, а также изотопные отношения гафния.
Наиболее согласованные результаты датирования были получены на остатках кислотного разложения. Возрасты восьми цирконовых зерен оказались распределены в относительно кратком временном интервале: от 4338,47 ± 0,59 до 4334,24 ± 0,56 миллиона лет. Выборка образцов в настоящем исследовании, безусловно, мала в сравнении с количеством лунных цирконов, датированных ранее (почти 600), поэтому Барбони с коллегами провели моделирование методом Монте-Карло с 10000 итераций. Оно показало, что вероятность случайного попадания в выборку зерен с близким возрастом составляет менее одного процента. Что касается изотопных отношений гафния, то параметр ɛHf, выражающий отклонение начального отношения 176Hf/177Hf между цирконом и хондритовым универсальным резервуаром (гипотетический мантийный резервуар, соответствующий по составу протопланетному веществу) вычислялся двумя различными методами с поправкой на воздействие космических лучей. Он оказался сравнительно однородным (−1,13 ± 0,73), в то время как концентрации микроэлементов, напротив, демонстрируют гетерогенность изученных зерен.
Ученые рассмотрели три сценария образования цирконов в узком временном окне. Первый вариант ― кристаллизация в остаточном расплаве, отмечающая окончательное затвердевание медленно остывавшего океана магмы. Он вызывает сомнения, так как подобный процесс должен давать цирконы с широким распределением возраста кристаллизации. Второй сценарий ― это сравнительно короткий период интенсивной метеоритной бомбардировки, однако он не согласуется с однородностью изотопных отношений гафния. Барбони и ее коллеги пришли к заключению, что наиболее вероятен третий вариант ― единичное ударное воздействие большой силы с разбросом материала при позднейших метеоритных ударах по большей части лунной поверхности.
Science Advances, 2024
В этом случае цирконы кристаллизовались в обширном слое образовавшегося гомогенного расплава, а их разнородность по содержанию микроэлементов может объясняться дифференциацией расплава и возникновением изолированных карманов на поздней стадии. На Земле аналогичную изменчивость демонстрируют, например, цирконы из ударного кратера Садбери. По мнению исследователей, вероятной кандидатурой на роль импактного события, послужившего причиной образования цирконов, может быть падение крупного тела, которое привело к возникновению обширного ударного бассейна Южный полюс ― Эйткен на обратной стороне Луны.