Лунные моря: Базальтовые равнины и вулканическая история Луны.

Введение

Большие, темные, базальтовые равнины на Луне Земли

Лунные моря (лат. lunar maria, марии) – это большие, темные, базальтовые равнины на Луне Земли, образованные потоками лавы, заполнившими древние ударные бассейны. Ранние астрономы дали им такое название, ошибочно приняв их за настоящие моря. Благодаря богатому железом составу, они менее отражают свет, чем "нагорья", и поэтому кажутся темными при наблюдении невооруженным глазом. Моря покрывают около 16% лунной поверхности, преимущественно на видимой с Земли стороне. Несколько морей на обратной стороне значительно меньше и расположены в основном внутри очень крупных кратеров. Традиционная номенклатура Луны также включает один океан (Oceanus), а также объекты, названные lacus ("озера"), palus ("болота") и sinus ("заливы"). Последние три меньше по размеру, чем моря, но имеют схожее происхождение и характеристики. Названия морей отсылают к морским объектам (Mare Humorum, Mare Imbrium, Mare Insularum, Mare Nubium, Mare Spumans, Mare Undarum, Mare Vaporum, Oceanus Procellarum, Mare Frigoris), морским атрибутам (Mare Australe, Mare Orientale, Mare Cognitum, Mare Marginis) или состояниям души (Mare Crisium, Mare Ingenii, Mare Serenitatis, Mare Tranquillitatis). Mare Humboldtianum и Mare Smythii были названы до того, как была принята окончательная номенклатура, основанная на состояниях души, и не соответствуют ей. Когда Mare Moscoviense было обнаружено аппаратом Luna 3, и название было предложено Советским Союзом, Международный астрономический союз принял его лишь с обоснованием, что Москва – это состояние души.

Возраст

Возраст базальтов лунных морей был определен как прямым радиометрическим датированием, так и методом подсчета кратеров. Радиометрические датировки варьируются от примерно 3,16 до 4,2 миллиардов лет (млрд лет), в то время как самые молодые возрасты, полученные методом подсчета кратеров, составляют около 1,2 млрд лет. Тем не менее, большинство базальтов, по всей видимости, образовались в период между 3 и 3,5 млрд лет назад. Несколько базальтовых извержений, произошедших на обратной стороне Луны, датируются древними временами, тогда как самые молодые потоки лавы обнаружены в Oceanus Procellarum на ближней стороне. Многие из базальтов извергались непосредственно в, или стекали в, низменные ударные бассейны, однако самая обширная область вулканических образований, Oceanus Procellarum, не соответствует какому-либо известному ударному бассейну.

Распределение базальтов

Существует множество распространенных заблуждений относительно пространственного распределения базальтов лунных морей. Поскольку многие базальты лунных морей заполняют низменные ударные бассейны, ранее предполагалось, что само ударное событие каким-то образом вызвало вулканическое извержение. Следует отметить, что современные данные не исключают этого полностью, хотя сроки и продолжительность вулканизма лунных морей в ряде бассейнов вызывают определенные сомнения. Начальный вулканизм лунных морей, как правило, начинался в течение 100 миллионов лет после формирования бассейна. Хотя эти авторы считали, что 100 миллионов лет – это достаточно длительный срок, чтобы корреляция между ударом и вулканизмом казалась маловероятной, этот аргумент имеет свои недостатки. Авторы также указывают на то, что самые древние и глубоко залегающие базальты в каждом бассейне, вероятно, погребены и недоступны, что приводит к систематической ошибке при отборе проб. Иногда высказывается предположение, что гравитационное поле Земли может способствовать извержениям преимущественно на ближней стороне Луны, но не на дальней. Однако, в системе отсчета, вращающейся вместе с Луной, центробежное ускорение, испытываемое Луной, в точности равно и противоположно гравитационному ускорению Земли. Таким образом, нет результирующей силы, направленной к Земле. Земные приливы действительно деформируют форму Луны, но эта форма представляет собой вытянутый эллипсоид с наивысшими точками как в подлунной, так и в антиподной точках. В качестве аналогии, на Земле наблюдается два прилива в день, а не один. Поскольку базальтовые магмы плотнее анортозитов верхних слоев коры, базальтовые извержения могут быть более вероятны в областях с низкой высотой и тонкой корой. Однако, бассейн Южного полюса – Эйткен на дальней стороне Луны содержит самые низкие высоты на Луне, и при этом лишь слабо заполнен базальтовыми лавами. Кроме того, прогнозируется, что толщина коры под этим бассейном значительно меньше, чем под Oceanus Procellarum. Хотя толщина коры может влиять на количество базальтовой лавы, достигающей поверхности, сама по себе она не может быть единственным фактором, определяющим распределение базальтов лунных морей. Часто предполагается наличие связи между синхронным вращением Луны вокруг Земли и базальтами лунных морей. Однако гравитационные моменты, приводящие к приливному замедлению вращения, возникают только из моментов инерции тела (они напрямую связаны со сферическими гармоническими членами гравитационного поля второй степени), и базальты лунных морей вносят в это незначительный вклад (см. также приливную фиксацию). (Гемисферические структуры соответствуют сферической гармонической степени 1 и не влияют на моменты инерции). Более того, приливное замедление вращения, как предполагается, происходило быстро (в течение тысяч лет), в то время как большинство базальтов лунных морей извергались примерно через миллиард лет. Причина, по которой базальты лунных морей преимущественно расположены на ближней гемисфере Луны, до сих пор остается предметом дискуссий в научном сообществе. На основе данных, полученных в ходе миссии Lunar Prospector, установлено, что значительная часть запасов Луны тепловыделяющих элементов (в форме KREEP) сосредоточена в регионах Oceanus Procellarum и бассейна Imbrium, представляющих собой уникальную геохимическую область, теперь называемую Procellarum KREEP Terrane. Хотя увеличение тепловыделения в Procellarum KREEP Terrane, безусловно, связано с продолжительностью и интенсивностью вулканизма, наблюдаемого там, механизм концентрации KREEP в этом регионе остается неясным.

There are many common misconceptions concerning the spatial distribution of mare basalts. Since many mare basalts fill low lying impact basins, it was once assumed that the impact event itself somehow caused the volcanic eruption. Note: current data in fact may not preclude this, although the timing and length of mare volcanism in a number of basins cast some doubt on it. Initial mare volcanism generally seems to have begun within 100 million years of basin formation. Although these authors felt that 100 million years was sufficiently long that a correlation between impact and volcanism seemed unlikely, there are problems with this argument. The authors also point out that the oldest and deepest basalts in each basin are likely buried and inaccessible, leading to a sampling bias. It is sometimes suggested that the gravity field of the Earth might preferentially allow eruptions to occur on the near side, but not on the far side. However, in a reference frame rotating with the Moon, the centrifugal acceleration the Moon is experiencing is exactly equal and opposite to the gravitational acceleration of the Earth. There is thus no net force directed towards the Earth. The Earth tides do act to deform the shape of the Moon, but this shape is that of an elongated ellipsoid with high points at both the sub and anti Earth points. As an analogy, there are two high tides per day on Earth, and not one. Since mare basaltic magmas are denser than upper crustal anorthositic materials, basaltic eruptions might be favored at locations of low elevation where the crust is thin. However, the far side South Pole–Aitken basin contains the lowest elevations of the Moon and yet is only sparingly filled by basaltic lavas. In addition, the crustal thickness beneath this basin is predicted to be much smaller than beneath Oceanus Procellarum. While the thickness of the crust might modulate the quantity of basaltic lavas that ultimately reach the surface, crustal thickness by itself cannot be the sole factor controlling the distribution of mare basalts. It is commonly suggested that there is some form of link between the synchronous rotation of the Moon about the Earth, and the mare basalts. However, gravitational torques that result in tidal despinning only arise from the moments of inertia of the body (these are directly relatable to the spherical harmonic degree 2 terms of the gravity field), and the mare basalts hardly contribute to this (see also tidal locking). (Hemispheric structures correspond to spherical harmonic degree 1, and do not contribute to the moments of inertia.) Furthermore, tidal despinning is predicted to have occurred quickly (in the order of thousands of years), whereas the majority of mare basalts erupted about one billion years later. The reason that the mare basalts are predominantly located on the near side hemisphere of the Moon is still being debated by the scientific community. Based on data obtained from the Lunar Prospector mission, it appears that a large proportion of the Moon's inventory of heat producing elements (in the form of KREEP) is located within the regions of Oceanus Procellarum and the Imbrium basin, a unique geochemical province now referred to as the Procellarum KREEP Terrane. While the enhancement in heat production within the Procellarum KREEP Terrane is most certainly related to the longevity and intensity of volcanism found there, the mechanism by which KREEP became concentrated within this region is not agreed upon.

Химический состав

Используя схемы классификации, принятые на Земле, все базальты лунных морей классифицируются как толеитические, однако для более детального описания состава лунных базальтов были разработаны специфические подклассификации. Лунные базальты обычно объединяют в три серии, основываясь на их содержании основных элементов: высокотитановые базальты, низкотитановые базальты и базальты с очень низким содержанием титана (VLT). Хотя ранее, на основании образцов, доставленных миссиями "Аполлон", эти группы считались отчетливо различными, глобальные данные дистанционного зондирования, полученные в ходе миссии "Клементина", показали, что между этими крайними составами существует непрерывный спектр концентраций титана, и что высокие концентрации титана встречаются реже всего. Содержание TiO2 в лунных базальтах может достигать 15 мас. %, в то время как в большинстве земных базальтов оно обычно менее 4 мас. %. Особую группу составляют КРИП-базальты, которые аномально богаты калием (K), редкоземельными элементами (РЭЭ) и фосфором (P). Важным отличием лунных базальтов от земных является практически полное отсутствие воды в любой форме. Лунные базальты не содержат минералов, несущих водород, таких как амфиболы и филлосиликаты, которые часто встречаются в земных базальтах в результате изменения или метаморфизма.