Мантийный плюм на Марсе: об «остывшей планете» говорить пока рано?

Наблюдения с марсианских орбитальных станций и совокупность геофизических данных указывают на существование на Марсе гигантского активного мантийного плюма, который вызывает поднятие марсианской коры на определённых участках и определяет современную вулканическую и сейсмическую активность в этих областях.

На Земле движение литосферных плит создаёт рельеф планеты и является определяющим для бурных динамических процессов в её глубине. Основные геологические процессы на Марсе, которые и определили сегодняшний облик планеты, произошли в первые полтора миллиарда лет её истории. Отсутствие таких тектонических движений на Марсе долгое время считается признаком того, что планета почти мертвая с геологической точки зрения: за последние три миллиарда лет на ней, в сущности, не происходило ничего интересного геологам. В новом исследовании, вышедшем в декабре 2022 года в Nature Astronomy, геологи из университета Аризоны поставили под сомнение этот устоявшийся тезис. Они сообщают об открытии активного мантийного плюма размером в несколько тысяч километров, который до сих пор толкает марсианскую кору вверх и вызывает извержения вулканов и марсотрясения. Часть этих тектонических процессов удалось обнаружить благодаря станции InSight, которая как раз оказалась в удачном месте расположения этого плюма.

Мантийные плюмы — это большие пузыри разогретого материала, которые поднимаются из недр планеты (на Земле — как правило, от уровня её ядра) и двигаются сквозь среднюю геооболочку планеты — мантию, достигая основания планетарной коры. Эти движения вызывают землетрясения, приводят к возникновению разломов земной коры и извержениям вулканов. Например, цепочка вулканических островов Гавайи сформировалась как раз в результате медленного перемещения Тихоокеанской литосферной плиты над таким мантийным плюмом, или «горячей точкой» (hot spot), которая периодически становилась активной, пробивая земную кору и образуя очередной гавайский остров с действующими вулканами. Кроме Земли, мантийные плюмы, как считают планетологи, есть на Венере, но мало кто надеялся обнаружить их на предположительно давно остывшем Марсе. Когда-то в геологическом прошлом мощная вулканическая активность привела к возникновению самых высоких вулканов в Солнечной системе (это марсианская гора Олимп высотой 30 километров) и к образованию вулканических плато, покрывающих почти всё северное марсианское полушарие. Почему этих процессов не наблюдается сейчас — обычно объясняют охлаждением ядра планеты и соответственно замиранием тектоники, которое произошло давно, значительно раньше, чем на Земле и Венере, превратив Марс в современную пустыню.

Подозрение у планетологов вызвала аномальная тектоническая активность вблизи региона под названием Равнина Элизий (Elysium Planitia) — равнине в марсианских низинах северного полушария вблизи экватора. В отличие от других вулканических областей Марса, которые замерли несколько миллиардов лет назад, на Равнине Элизий извержения вулкана происходили как минимум в последние двести миллионов лет — то есть «совсем недавно», если судить по геологическим меркам. Более того, предыдущие исследования той же группы планетологов позволили установить самое молодое извержение на Марсе именно в этом регионе, хоть и незначительное по масштабу: оно произошло около 53 тысяч лет назад. Об этом замечательном результате можно прочитать подробнее в отдельной заметке.

Вулканизм Равнины Элизий происходит из региона под названием «Борозды Цербера», или Cerberos Fossae — ряда молодых разломов земной коры, которые простираются параллельно друг другу более чем на тысячу километров. Недавно при помощи станции InSight установили, что почти все марсотрясения, которые удалось зафиксировать за время её работы, имеют эпицентры в этом регионе. Об этой аномальной по своему молодому возрасту вулканической активности планетологи знают давно, но системных её объяснений пока не выдвигалось.

На Земле вулканизм и землетрясения чаще всего связаны или с мантийными плюмами, или с проявлением тектоники плит, то есть глобальных процессов перемещения континентов, которые способствуют постоянной переработке земной коры. На Марсе тектоника литосферных плит отсутствует, соответственно геологическая активность региона «Борозд Цербера» может быть связана с работой мантийного плюма.

Мантийные плюмы можно представить как горячие восковые пузыри, поднимающиеся из декоративных осветительных приборов — «лавовых ламп». На Земле их присутствие проявляется в виде определённых цепочек геологических событий. Прежде всего нагретый материал плюма давит снизу на поверхность Земли, поднимая и растягивая земную кору. Расплавленные породы из плюма затем могут извергаться на поверхность в виде потоков базальтовой лавы, которая создаёт обширные вулканические плато. При изучении геологических событий на Равнине Элизий планетологи обнаружили такую же последовательность событий. Поверхность оказывается поднятой над средним уровнем почти на два километра, так, что регион является одним из самых высоких участков в марсианском равнинном северном полушарии. Анализ вариаций гравитационного поля показал, что эти поднятия коры не создают внутри разреженных участков, то есть поддерживаются давлением плотных горных пород изнутри, что также говорит в пользу гипотезы мантийного плюма.

Другие измерения показали, что дно импактных кратеров наклонено в направлении к плюму. Это — дополнительный аргумент в пользу этой гипотезы. Наконец, когда модель местной тектоники применили к марсианским условиям, оказалось, что она согласуется с наличием гигантского плюма шириной 3500 км, и это — единственный способ объяснить процессы растяжения марсианской коры, в результате которой и получились Cerberos Fossae. Такой плюм должен быть нагрет на 100-280 градусов сильнее окружающих пород, а его размеры сопоставимы с размерами плюмов на Земле. Это может как раз показаться странным, поскольку Марс меньше Земли примерно в два раза. Объяснить это можно тем, что на Марсе значительно слабее гравитация. Центр плюма может находиться примерно в середине борозд Цербера — там как раз располагаются самые молодые породы региона, а также эпицентры значительного количества зафиксированных марсотрясений.

Раньше считалось, что сейсмостанция InSight работает в одном из самых геологически неактивных регионов на Марсе — действительно, она высадилась посреди огромной плоской равнины, но зато геология в этом районе должна быть репрезентативной для всего района низин северного полушария. Однако, если эти новые расчёты верны, то место посадки InSight расположено прямо посреди активного мантийного плюма. Это значит, что интерпретация сейсмоданных, собранных станцией, должна принять во внимание тот факт, что место её нахождения — далеко не типичный с геологической точки зрения участок. В частности, модель мантийного плюма внесёт коррективы в некоторые значимые результаты последних лет, полученные при помощи InSight — в оценки толщины марсианской коры и, по-видимому, в наши представления о размерах марсианского ядра и глубинной структуре мантии (об этих результатах можно прочитать в нескольких статьях, в частности, в статье 1 и статье 2).

Эти находки также меняют наши представления о перспективах жизни на Марсе. Исследованный регион в геологическом прошлом подвергался действию бурных водных потоков, но их причина пока остаётся неизвестной. Тепло от мантийного плюма, которое вызывало повышенную сейсмическую и вулканическую активность, могло так же способствовать таянию марсианского льда и появлению этих потоков, а значит, стать триггером химических реакций, которые могли обеспечить развитие жизни, как минимум глубоко под поверхностью планеты.