Исследователи получили редкую возможность изучить не просто древний фрагмент поверхности Марса, а образец древней магматической коры, сохранившей сведения о составе вещества мантии, водных процессах и геологической эволюции планеты.
Ученые давно пытаются восстановить раннюю геологическую историю Красной планеты: выяснить, из каких пород состояла ее кора, насколько разнообразной была мантия и какие процессы происходили под поверхностью и на ней миллиарды лет назад. Один из способов в этом разобраться — древние метеориты, которые иногда могут представлять собой обломки поверхности или части коры планеты.
Однако главная трудность заключается в том, что большинство марсианских метеоритов, имеющихся в распоряжении ученых, относительно молодые. Три основные группы таких метеоритов — шерготтиты, наклиты и шассиньиты — сформировались примерно 2,4 миллиарда лет назад. Правда, сам Марс гораздо древнее: многие его участки образовались более трех миллиардов лет назад.
В 2022 году в пустыне Сахара, которая занимает северную часть территории Республики Мали, исследователи нашли восемь небольших камней, внешне похожих друг на друга. Они, вероятно, составляли один камень, который впоследствии раскололся, поэтому их объединили в одну метеоритную находку Teghaza 001. Общая масса камней составила 798,5 грамма. Масса крупнейшего фрагмента — 442 грамма, а его диаметр — примерно 10 сантиметров.
Чуть позже определили возраст цирконов с помощью уран-свинцового и свинцово-свинцового методов датирования, основанных на измерении изотопных соотношений урана и свинца. Результаты показали, что порода сформировалась не менее 4,1 миллиарда лет назад.
Марсианское происхождение установили по совокупности геохимических признаков. Среди них — изотопный состав кислорода, характерное соотношение железа и марганца в пироксенах.
Планетологам известно более 400 марсианских метеоритов. Но среди них лишь два образца могут сравниться с Teghaza 001 по древности. Речь идет о метеорите Allan Hills 84001 возрастом 4,1 миллиарда лет и Northwest Africa 7034, содержащем отдельные фрагменты возрастом более 4,3 миллиарда лет. Но Northwest Africa 7034 представляет собой брекчию — смесь фрагментов разных пород и минералов. Поэтому он не дает такой же цельной картины истории конкретной древней магматической породы, какую может дать отдельный цельный образец.
Междисциплинарная команда исследователей под руководством специалиста по планетной геологии и геохимии Лю Яна (Yang Liu) из Лаборатории реактивного движения NASA изучила метеорит Teghaza 001. Он сохранил сведения о мантии, которые позволяют одновременно исследовать состав ранней коры и следы взаимодействия с жидкостями на Марсе.
Сперва Ян и его коллеги анализировали минеральный состав и строение породы. Они сделали тонкий срез камней (шлиф), необходимый для микроскопического исследования, и подсчитали минералы по площади, которую они занимали на срезе. Соотношение минералов позволяет определить тип породы, условия ее образования и особенности охлаждения.
Минерал плагиоклаз занимал 68 процентов площади изученного шлифа. На пироксены в общей сложности приходилось 25,5 процента: примерно 20 процентов составлял пижонит — пироксен с относительно низким содержанием кальция, а еще 5,5 процента — авгит, разновидность пироксена с более высоким содержанием этого элемента. Остальная площадь приходилась на фосфаты, кремнеземистую межзерновую массу и оксидные минералы.
Например, высокая доля плагиоклаза позволила отнести Teghaza 001 к богатым плагиоклазом габбро-диоритам — разновидности глубинных магматических пород.
В пироксенах обнаружили тонкие ламели — пластинчатые структуры, возникшие при медленном охлаждении и разделении твердого минерального раствора на отдельные фазы. По ним исследователи оценили скорость охлаждения примерно в 0,01 градуса Цельсия в год. Это указало на то, что порода остывала очень медленно, вероятно, внутри марсианской коры, а не на поверхности.
Затем исследователи изучили минералы, изменившиеся под воздействием сильного удара. В частности, они обнаружили маскелинит, образовавшийся из плагиоклаза в результате колоссального ударного давления, и рейдит — модификацию циркона, самостоятельный минерал с тем же химическим составом, но другой кристаллической структурой.
Образование рейдита указало на давление приблизительно 10-20 гигапаскалей. По совокупности признаков ученые заключили, что порода пережила удар, при котором давление достигло примерно 20 гигапаскаль, а температура не превышала 1200 градусов.
Особый интерес вызвал апатит — минерал из группы фосфатов кальция, который способен сохранять водород в своей кристаллической решетке. Родственный апатиту минерал гидроксиапатит составляет основу минеральной части костной ткани и зубной эмали. В марсианском метеорите он помог исследователям изучить происхождение древней воды.
В июне 2026 года та же научная группа опубликовала отдельное исследование, посвященное водороду в апатитах Teghaza 001. Ученые измерили содержание воды и соотношение изотопов водорода в минеральных зернах. Результаты указали на присутствие двух водных компонентов, имевших разное происхождение.
Анализ апатитов показал, что при формировании Teghaza 001 в породе смешались два водородсодержащих компонента с разным изотопным составом. Первый происходил из марсианской мантии и был относительно беден дейтерием. Второй, напротив, содержал его значительно больше и сохранил химическую память о древней марсианской гидросфере.
Ученые предположили, что второй компонент попал в магму из базальтовых пород, которые прежде взаимодействовали с водой. Когда-то через них циркулировали жидкости, связанные с древней гидросферой. В результате водород в этих породах приобрел характерное для древней марсианской воды соотношение изотопов. Позднее магма могла «поглотить» такие жидкости во время охлаждения в коре или при последующих геологических процессах. Так изотопный след древней воды сохранился в минералах метеорита.
Почему же в этой воде было так много дейтерия? Чтобы разобраться, нужно учитывать, как Марс терял воду. В ее состав входят два изотопа водорода: самый легкий водород и дейтерий. В ядре обычного атома водорода находится один протон, а в ядре дейтерия — протон и нейтрон. Поэтому атом дейтерия тяжелее.
Когда солнечное ультрафиолетовое излучение расщепляло молекулы водяного пара в атмосфере Марса, высвобождавшийся водород постепенно уходил в космос. При этом легкий водород покидал атмосферу значительно быстрее, чем тяжелый дейтерий. Последний тоже терялся, но медленнее. В результате в оставшейся воде постепенно увеличивалась относительная доля дейтерия.
Измерив соотношение изотопов водорода в апатитах, исследователи смогли оценить, каким оно было в древней марсианской гидросфере. Согласно их расчетам, приблизительно 4,1 миллиарда лет назад отношение дейтерия к обычному водороду в воде было как минимум примерно вдвое выше, чем в современной земной океанической воде. Это поддерживает гипотезу о том, что в первые сотни миллионов лет своего существования Марс пережил потерю водорода, первичной атмосферы и огромных объемов воды.
Исследователи выделили 13 возможных районов происхождения Teghaza 001, сравнив его минералогический состав с данными орбитальных наблюдений Марса. Наиболее вероятная область расположена в древних южных высокогорьях планеты, к северо-западу от равнин Эллада. Однако установить точное место, откуда породу выбросило в космос, еще не удалось.
Пока специалисты проанализировали лишь небольшую часть найденного материала. Дополнительные анализы могут раскрыть новые подробности его происхождения и состава.
Научная работа опубликована в журнале Science.
Автор: Игорь Байдов