Учёные сходятся во мнении, что когда-то на Марсе было много воды на поверхности, включая подземные воды, реки, озёра и огромный океан, покрывавший значительную часть северного полушария планеты. Однако орбитальные аппараты и марсоходы обнаружили на поверхности лишь небольшое количество карбонатных пород — гораздо меньше, чем можно было бы ожидать от планеты, где, как считается, когда-то в изобилии текла вода и имелась плотная атмосфера, богатая углекислым газом.
Новое геохимическое исследование, проведённое специалистами Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), указывает на два обстоятельства, способных объяснить эту загадку. Сопоставив данные наблюдений с результатами моделирования, авторы работы пришли к выводу, что богатые полевым шпатом породы на марсианской поверхности несут возможные следы взаимодействия с водой и карбонатами, а подземные воды могли захоранивать карбонаты в недрах планеты.
Исследование возглавил аспирант Чан-Чинь Ван совместно с профессором Томохиро Усуи из Института космических и астронавтических наук JAXA и Токийского университета, а также с доцентом Мохитом Мелвани Дасвани из Института наук о жизни и Земле (ELSI) при Токийском институте науки и Института SETI. Статья с описанием результатов недавно вышла в журнале JGR Planets.
Помимо нехватки карбонатных пород на поверхности Марса, учёных озадачивает и то, что найденные карбонаты делятся на две чёткие группы: богатые кальцием и железом и богатые магнием. Прежние работы о взаимодействии воды и пород на Марсе миллиарды лет назад исходили из того, что вода контактировала с самыми распространёнными типами пород планеты, состоящими из мафических, богатых железом и магнием минералов.
Однако орбитальные аппараты и марсоходы всё чаще обнаруживают на поверхности планеты породы, богатые полевым шпатом. Эти породообразующие минералы являются самой распространённой группой и на Земле, составляя 60% земной коры. На Марсе такие породы отличаются повышенным содержанием кальция, натрия и алюминия, и есть серьёзные основания полагать, что когда-то они были широко распространены.
В своей работе Ван и его коллеги проверили возможность того, что богатые кальцием и железом карбонаты могли образоваться в результате взаимодействия с водой. Для этого команда построила одномерные термохимические модели, отслеживавшие, как вода растворяла минералы и создавала новые, меняя химический состав и воды, и породы, при её просачивании через мафические или богатые полевым шпатом породы в условиях раннего Марса.
Моделирование опиралось на геохимический код PHREEQC версии 3, выполняющий широкий спектр расчётов водных геохимических процессов. Симуляции охватывали как короткие периоды изменений длительностью несколько лет, так и более продолжительные эпизоды длительностью до 100 000 лет. Учитывались и два способа движения воды: диффузия через стоячую воду и нисходящее просачивание в ходе подземного потока.
Результаты показали, что богатая полевым шпатом порода легко образует карбонаты, богатые кальцием и железом, в большинстве условий. Мафическая порода делала это лишь в течение коротких периодов изменений, пока не растворялось достаточно магнийсодержащих минералов и химический состав не смещался в сторону карбонатов, богатых магнием. Это даёт исследователям новый способ изучать, что происходило на поверхности Марса миллиарды лет назад и как это привело к тому, что мы наблюдаем там сегодня.
Аналогично симуляции показали, что просачивающиеся подземные воды формировали карбонаты гораздо эффективнее, чем стоячая вода. Они также выявили, что подземные воды, как правило, вновь растворяли эти карбонаты вблизи поверхности и переоткладывали их глубже в недрах. Это позволяет предположить, что под поверхностью Марса могут находиться значительные запасы карбонатных пород, что перекликается с теориями о «пропавшей воде» на Марсе.
Для будущих марсианских миссий эти выводы означают, что бурение в богатой полевым шпатом местности может выявить свидетельства более тёплого и влажного прошлого планеты. Такие операции могли бы также обнаружить воду, ушедшую под землю, когда климат Марса миллиарды лет назад стал холоднее и суше. Поскольку работа на Марсе будет сосредоточена на источниках воды, которыми, вероятно, станут подземные водоносные горизонты, эти находки позволят и дальше исследовать планету.