Изучив данные орбитальных наблюдений, планетологи предположили, что в районе ториевой аномалии Комптон—Белькович на обратной стороне Луны под поверхностью располагается крупный гранитный массив. Диаметр его на 20-километровой глубине может достигать 53 километров, а близко к поверхности составляет около 13 километров. Основой для построения модели, которая согласуется с гравитационными данными, послужили микроволновые измерения над областью Комптон—Белькович. Об исследовании сообщает статья в журнале Nature.
Гранит и сходные с ним по условиям образования и составу породы (тоналиты, гранодиориты, граносиениты) объединяют в группу гранитоидов. Это кислые (то есть обогащенные кремнеземом SiO2) полнокристаллические породы, которые формируются в толще земной коры в результате медленного застывания магматических внедрений ― интрузий. Если же происходит извержение, из быстро остывающих кислых лав образуются неполнокристаллические или стекловатые породы кислого состава. Возникновение резервуара кислой магмы ― источника гранитоидной интрузии ― происходит, как полагают ученые, за счет фракционной кристаллизации мантийного расплава, внедряющегося в кору, либо переплавления осадочно-метаморфических коровых пород, которые нагревает подстилающий их очаг такого расплава. На Земле эти процессы протекают активно благодаря наличию воды и действию механизма тектоники плит ― эти факторы способствуют плавлению и переработке материала коры и верхней мантии.
На нашей планете кислые породы чрезвычайно распространены. Наличие их на других телах Солнечной системы фиксируется лишь по косвенным данным или в виде редких находок в образцах грунта. Так, в зернах лунного реголита из Океана Бурь, доставленного экспедицией «Аполлон-12», исследователи нашли сростки кремнезема и калиевого полевого шпата и интерпретировали их как следы кислого вулканизма.
Дистанционные исследования также показали, что на Луне в прошлом происходили извержения кислых лав. Планетологи обнаружили их признаки, анализируя данные гамма-спектрометрии, полученные с помощью аппарата Lunar Prospector, в разных областях Океана Бурь (в окрестностях кратеров Ханстен, Меран и Груйтуйзен), в районе кратера Лассел в Море Облаков. В этих районах были зарегистрированы аномалии содержания тория ― одного из так называемых несовместимых элементов. Высокая концентрация тория говорит о том, что исходная магма претерпела фракционную дифференциацию и проэволюционировала до кислого состава, так как из-за высокого ионного потенциала торий с затруднением включается в кристаллическую решетку минералов и накапливается в магматическом расплаве.
Область размерами около 40 × 75 километров с наиболее обогащенными торием породами (с концентрацией до 26 миллионных долей против максимум двух миллионных долей в лунных базальтах) располагается на обратной стороне Луны, между кратерами Комптон и Белькович к северо-востоку от Моря Гумбольдта. Предполагается, что реголит здесь содержит вулканический пепел. На участке площадью примерно 25 × 30 километров фотометрическим методом были обнаружены высококремнеземистые породы, а центральная часть аномалии Комптон—Белькович ― это окруженная куполами равнина диаметром около 15 километров, возможно, кальдера обрушения древнего вулкана. Однако все эти результаты ограничиваются идентификацией признаков вулканизма на поверхности и не позволяют с уверенностью строить глубинные модели лунных недр под аномалией Комптон—Белькович.
Американские исследователи во главе с Мэтью Зиглером (Matthew A. Siegler) из Планетологического института в Тусоне привлекли для изучения аномалии Комптон—Белькович данные микроволновой радиометрии, полученные китайскими орбитальными станциями «Чанъэ-1» и «Чанъэ-2», работавшими на разных высотах. Ученые рассчитали на их основе величину теплоотдачи с учетом суточных колебаний и сопоставили полученный результат с данными инфракрасных измерений, выполненных аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter. Это позволило вычесть долю энергии, которую привносит в общий фон солнечный нагрев, и получить распределение собственного излучения с лунной поверхности в районе аномалии. Оказалось, что область Комптон—Белькович выделяется на общем фоне отчетливой положительной температурной аномалией около девяти кельвин.
Чтобы рассчитать, как распределяются температуры на разных глубинах в районе Комптон—Белькович, планетологи использовали данные о вариациях микроволнового излучения на разных частотах (более низкие частоты несут энергию с больших глубин). Кроме того, Зиглер с коллегами оценили диэлектрические свойства лунных пород, ответственные за рассеяние тепла в толще коры. На Луне диэлектрические потери существенно ниже, чем на Земле, из-за сухости пород, и это дает возможность проводить микроволновое зондирование на больших глубинах.
Расчеты показали, что для обеспечения наблюдаемого на аномалии Комптон—Белькович теплового потока величиной 180 милливатт на квадратный метр требуется слой породы, содержащей 26 миллионных долей тория, мощностью не менее 50 километров. Поэтому приближенные модели подстилающего область Комптон—Белькович гранитного интрузивного массива ― источника радиогенного излучения ― ученые строили из двух элементов. Диаметр верхней части массива предполагался в пределах 10–20 километров (ограничение на него накладывает топография района), нижний ― 45–60 километров. Такие крупные интрузии ученые называют батолитами.
Всего было построено 176 комбинаций из этих двух частей; каждую из них рассмотрели с тремя различными профилями плотности по глубине, построенными на основе гравитационных измерений по программе GRAIL, и соответствующей им теплопроводностью. Наиболее предпочтительной оказалась модель, в которой верхняя часть интрузии диаметром около 13 километров залегает на глубине от 1,0 до 7,5 километра; концентрация тория в ней может доходить до 132 миллионных долей. По-видимому, в прошлом оно было вулканическим очагом. Ниже его залегает гораздо более крупное и, вероятно, менее радиогенное интрузивное тело, служившее промежуточным резервуаром, в котором магма дифференцировалась в меньшей степени. Поперечник этого тела оценивается в 53 километра, а толщина ― в 26,5 километра.
Возможная эволюция магматической системы под областью Комптон–Белькович: возникновение магматического очага (до 3,8 миллиарда лет назад); начальная фаза дифференциации магмы и старт вулканической активности (около 3,8 миллиарда лет назад); дальнейшая дифференциация и взрывное извержение (около 3,5 миллиарда лет назад); застывание магматического очага и формирование гранитного батолита (к настоящему времени)
Возможная эволюция магматической системы под областью Комптон–Белькович: возникновение магматического очага (до 3,8 миллиарда лет назад); начальная фаза дифференциации магмы и старт вулканической активности (около 3,8 миллиарда лет назад); дальнейшая дифференциация и взрывное извержение (около 3,5 миллиарда лет назад); застывание магматического очага и формирование гранитного батолита (к настоящему времени)
Matthew A. Siegler et al. / Nature, 2023
Неясно, как могла развиться столь крупная многоступенчатая магматическая система. Зиглер и его коллеги указывают несколько возможных факторов ее образования: долгоживущий высокотемпературный источник подогрева (например, мантийный плюм); аномально высокая локальная концентрация воды; глубоко залегавший слой пород, богатых радиоактивным изотопом калия 40K (так называемые KREEP-породы) и способных к повторному плавлению за счет саморазогрева. Но, что бы ни послужило причиной возникновения гранитного массива под областью Комптон—Белькович, любой из сценариев подразумевает наличие крупномасштабных неоднородностей в составе мантии или коры во время формирования Луны.
