Геохимия Луны
Рассмотренная модель образования Луны объясняет главную геохимическую особенность спутника нашей планеты — резкое обеднение лунного вещества железом. После полного расплавления, дифференциации и разрушения Протолуны на пределе Роша большая часть железа была потеряна в результате выпадения на Землю протолунного железного ядра, последовавшего сразу же за разрушением её внутреннего приливного горба. Благодаря этому же процессу Луной оказалась потеряна основная часть сидерофильных, т.е. тяготеющих к железу (Ni, Cu, особенно Au, Ce, As, Sb), и халькофильных или легко соединяющихся с серой (Ag, Cd, Tl, Pb, Zn), элементов, перешедших в протолунное ядро ещё на стадии расплавления и дифференциации этой планеты (до её разрушения).
В этом отношении очень показателен свинец. После полётов космонавтов и автоматических станций на Луну мы достаточно хорошо знаем состав и геохимию лунных пород. Оказалось, что отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счёт распада урана 238, 235 и тория 232, к нерадиогенному (первичному) свинцу с атомным весом 204 в лунных породах экстремально высокие: 206Pb/204Pb ~ 250; 207Pb/204Pb ~ 130; 208Pb/204Pb ~ 270. Для первичного же свинца из железных метеоритов эти изотопные отношения соответственно равны: 9,5; 10,4 и 29,5. Приведённые соотношения показывают, что почти весь свинец лунных пород имеет радиогенное происхождение, тогда как первичный свинец из них был куда-то удалён ещё до того, как Луна сформировалась в виде спутника Земли.
С точки зрения описанного здесь механизма формирования Луны отмеченные выше аномалии распределения сидерофильных и халькофильных элементов, включая свинец, вполне понятны. Действительно, протолунное ядро сформировалось только после полного расплавления всего вещества Протолуны. В результате жидкое железо в сплаве с сидерофильными элементами и тяжёлые сульфидные расплавы халькофильных элементов (включая PbS) в процессе плотностной дифференциации расплавленного вещества Протолуны под влиянием силы тяжести просто стекали к центру этой планеты, формируя там тяжёлое протолунное ядро. После же приливного разрушения Протолуны и выпадения на Землю почти всего её ядра оставшееся лунное вещество (преимущественно силикатного состава) оказалось резко обеднённым всеми рассматриваемыми элементами, в том числе и первичным свинцом с изотопным весом 204. При этом в оставшееся силикатное вещество Луны перешли все литофильные (т.е. тяготеющие к алюмосиликатам) элементы, в том числе уран и торий, распад которых и привёл к накоплению в лунных породах радиогенных изотопов свинца 206Pb, 207Pb и 208Pb.
Планетарное расплавление Протолуны, сопровождавшееся существенным перегревом её вещества и возникновением в мантии интенсивных конвективных движений, могло привести к усиленной дегазации протолунных (и лунных) недр и как следствие этого процесса к потере лунным веществом летучих элементов и соединений. По мнению специалистов, изучавших лунные породы, такое обеднение Луны летучими элементами является второй характерной и примечательной особенностью лунных пород. Так, эти породы оказались предельно сухими: содержание воды в них колеблется от 0,015 до 0,046%; углерода в базальтах содержится около 0,006-0,007%; азота — 0,003; фтора −0,015; хлора — 0,0014% и т.д.
Помимо аномалий содержания железа, сидерофильных и халькофильных элементов в Луне, другой наиболее примечательной геохимической особенностью лунного вещества является высокая концентрация в нем титана — от 4,3 до 7,4%, что примерно на порядок превышает его концентрацию в земных океанических базальтах. Помимо Ti в лунных породах наблюдается повышенная концентрация Cr, Zr, и Y, т.е. типично литофильных элементов. Такое интересное явление, по-видимому, можно объяснить только тем, что масса Протолуны, в недрах которой происходила магматическая дифференциация первичного вещества, значительно превышала лунную массу, а сама Луна сформировалась только из внешнего приливного горба Протолуны, т.е. из её внешней и обогащённой литофильными элементами части. Интересно отметить, что А. Рингвуд (1979) и ряд других исследователей, анализируя распространённость в лунных породах сидерофильных и халькофильных элементов, а также фосфора и вольфрама, ещё ранее пришли к выводу, что процессы дифференциации лунного вещества развивались в недрах другого значительно более массивного тела, в котором возможно было образование крупного железного ядра, составлявшего не менее 26% от массы планеты и поглотившего в себя все эти элементы. Только А. Рингвуд предполагал, что таким космическим телом являлась Земля (правда, предлагая для этого совершенно нереальные механизмы отделения Луны от Земли), а в рассматриваемой модели таким космическим телом была Протолуна.
Поскольку Земля и Луна возникли на близких исходных орбитах в виде двойной планеты, в общем кольцевом поясе пылевого облака Солнечной системы и черпали своё вещество из единого источника однородного по составу протопланетного вещества, то, как показал А. Рингвуд, тесная генетическая связь по главным петрогенным элементам между лунным и земным веществом сохранилась достаточно чётко (кроме титана, о чём уже говорилось выше), даже несмотря на различные пути дифференциации этих планет. Особенно это видно при сравнении лунных базальтов, из состава которых вычтен весь избыточный ильменит, с толеитовыми базальтами срединно-океанических хребтов Земли. С рассматриваемых позиций их тесное генетическое родство по основным породообразующим окислам объясняется тем, что и те и другие возникли благодаря близким процессам химико-плотностной дифференциации планетных недр одинакового исходного состава. Только в лунных недрах такая дифференциация протекала благодаря полному плавлению вещества и за исключительно короткое время (всего за несколько тысяч лет), а на Земле этот процесс развивался при частичном плавлении мантийного вещества только в астеносфере и растянулся приблизительно на 4 млрд лет.
Однако резкое различие в скоростях дифференциации планетных недр, в частности, чётко отразилось в специфике калий-урановых и калий-ториевых отношений в лунных и земных базальтах. Так, судя по результатам анализов лунных пород из моря Спокойствия, лунные базальты характеризуются заметно более низкими отношениями K/U ~ 2,3×102 и K/Th ~ 0,72×103, чем их современные земные аналоги, — соответственно (8,3-16,6)×103 и (2,1-2,8)×103. Связано это с тем, что за долгую историю дифференциации земного вещества, происходившего одновременно с процессом формирования континентальной земной коры, торий и уран, как более подвижные элементы, в большей мере, чем калий, переместились из мантии в земную кору. Лунные же базальты унаследовали исходные отношения K/U и K/Th с наименьшими искажениями и менялись со временем только в зависимости от разной скорости распада элементов U и Th.
В этом отношении очень показателен свинец. После полётов космонавтов и автоматических станций на Луну мы достаточно хорошо знаем состав и геохимию лунных пород. Оказалось, что отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счёт распада урана 238, 235 и тория 232, к нерадиогенному (первичному) свинцу с атомным весом 204 в лунных породах экстремально высокие: 206Pb/204Pb ~ 250; 207Pb/204Pb ~ 130; 208Pb/204Pb ~ 270. Для первичного же свинца из железных метеоритов эти изотопные отношения соответственно равны: 9,5; 10,4 и 29,5. Приведённые соотношения показывают, что почти весь свинец лунных пород имеет радиогенное происхождение, тогда как первичный свинец из них был куда-то удалён ещё до того, как Луна сформировалась в виде спутника Земли.
С точки зрения описанного здесь механизма формирования Луны отмеченные выше аномалии распределения сидерофильных и халькофильных элементов, включая свинец, вполне понятны. Действительно, протолунное ядро сформировалось только после полного расплавления всего вещества Протолуны. В результате жидкое железо в сплаве с сидерофильными элементами и тяжёлые сульфидные расплавы халькофильных элементов (включая PbS) в процессе плотностной дифференциации расплавленного вещества Протолуны под влиянием силы тяжести просто стекали к центру этой планеты, формируя там тяжёлое протолунное ядро. После же приливного разрушения Протолуны и выпадения на Землю почти всего её ядра оставшееся лунное вещество (преимущественно силикатного состава) оказалось резко обеднённым всеми рассматриваемыми элементами, в том числе и первичным свинцом с изотопным весом 204. При этом в оставшееся силикатное вещество Луны перешли все литофильные (т.е. тяготеющие к алюмосиликатам) элементы, в том числе уран и торий, распад которых и привёл к накоплению в лунных породах радиогенных изотопов свинца 206Pb, 207Pb и 208Pb.
Планетарное расплавление Протолуны, сопровождавшееся существенным перегревом её вещества и возникновением в мантии интенсивных конвективных движений, могло привести к усиленной дегазации протолунных (и лунных) недр и как следствие этого процесса к потере лунным веществом летучих элементов и соединений. По мнению специалистов, изучавших лунные породы, такое обеднение Луны летучими элементами является второй характерной и примечательной особенностью лунных пород. Так, эти породы оказались предельно сухими: содержание воды в них колеблется от 0,015 до 0,046%; углерода в базальтах содержится около 0,006-0,007%; азота — 0,003; фтора −0,015; хлора — 0,0014% и т.д.
Помимо аномалий содержания железа, сидерофильных и халькофильных элементов в Луне, другой наиболее примечательной геохимической особенностью лунного вещества является высокая концентрация в нем титана — от 4,3 до 7,4%, что примерно на порядок превышает его концентрацию в земных океанических базальтах. Помимо Ti в лунных породах наблюдается повышенная концентрация Cr, Zr, и Y, т.е. типично литофильных элементов. Такое интересное явление, по-видимому, можно объяснить только тем, что масса Протолуны, в недрах которой происходила магматическая дифференциация первичного вещества, значительно превышала лунную массу, а сама Луна сформировалась только из внешнего приливного горба Протолуны, т.е. из её внешней и обогащённой литофильными элементами части. Интересно отметить, что А. Рингвуд (1979) и ряд других исследователей, анализируя распространённость в лунных породах сидерофильных и халькофильных элементов, а также фосфора и вольфрама, ещё ранее пришли к выводу, что процессы дифференциации лунного вещества развивались в недрах другого значительно более массивного тела, в котором возможно было образование крупного железного ядра, составлявшего не менее 26% от массы планеты и поглотившего в себя все эти элементы. Только А. Рингвуд предполагал, что таким космическим телом являлась Земля (правда, предлагая для этого совершенно нереальные механизмы отделения Луны от Земли), а в рассматриваемой модели таким космическим телом была Протолуна.
Поскольку Земля и Луна возникли на близких исходных орбитах в виде двойной планеты, в общем кольцевом поясе пылевого облака Солнечной системы и черпали своё вещество из единого источника однородного по составу протопланетного вещества, то, как показал А. Рингвуд, тесная генетическая связь по главным петрогенным элементам между лунным и земным веществом сохранилась достаточно чётко (кроме титана, о чём уже говорилось выше), даже несмотря на различные пути дифференциации этих планет. Особенно это видно при сравнении лунных базальтов, из состава которых вычтен весь избыточный ильменит, с толеитовыми базальтами срединно-океанических хребтов Земли. С рассматриваемых позиций их тесное генетическое родство по основным породообразующим окислам объясняется тем, что и те и другие возникли благодаря близким процессам химико-плотностной дифференциации планетных недр одинакового исходного состава. Только в лунных недрах такая дифференциация протекала благодаря полному плавлению вещества и за исключительно короткое время (всего за несколько тысяч лет), а на Земле этот процесс развивался при частичном плавлении мантийного вещества только в астеносфере и растянулся приблизительно на 4 млрд лет.
Однако резкое различие в скоростях дифференциации планетных недр, в частности, чётко отразилось в специфике калий-урановых и калий-ториевых отношений в лунных и земных базальтах. Так, судя по результатам анализов лунных пород из моря Спокойствия, лунные базальты характеризуются заметно более низкими отношениями K/U ~ 2,3×102 и K/Th ~ 0,72×103, чем их современные земные аналоги, — соответственно (8,3-16,6)×103 и (2,1-2,8)×103. Связано это с тем, что за долгую историю дифференциации земного вещества, происходившего одновременно с процессом формирования континентальной земной коры, торий и уран, как более подвижные элементы, в большей мере, чем калий, переместились из мантии в земную кору. Лунные же базальты унаследовали исходные отношения K/U и K/Th с наименьшими искажениями и менялись со временем только в зависимости от разной скорости распада элементов U и Th.