Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, описывает обнаружение на Марсе железосодержащего сульфата, который может представлять совершенно новый минерал. Статья озаглавлена «Характеристика гидроксисульфата железа на Марсе и значение геохимической среды, способствующей его образованию».
Сера распространена на Марсе и вступает в соединения с другими элементами, образуя минералы, особенно сульфаты. В то время как большинство сульфатов на Земле хорошо растворимы и легко растворяются во время дождя, на сухой поверхности Марса эти минералы могут сохраняться миллиарды лет и сохранять важные подсказки о ранней истории планеты.
Каждый минерал имеет уникальную кристаллическую структуру и свойства, включая такие распространённые минералы, как гипс и гематит. Учёные полагаются на данные, собранные орбитальными аппаратами Марса, чтобы идентифицировать минералы на поверхности и получить информацию о прежних марсианских условиях, которые могли бы способствовать образованию этих минералов.
Учёные уже почти 20 лет озадачены необычными слоистыми сульфатами железа с уникальной спектральной характеристикой. Теперь исследование под руководством доктора Дженис Бишоп, старшего научного сотрудника Института SETI и Исследовательского центра Эймса НАСА в Кремниевой долине Калифорнии, идентифицировало и охарактеризовало необычную фазу гидроксисульфата железа, объединив лабораторные эксперименты с наблюдениями с орбиты Марса.
Открытие проливает новый свет на то, как тепло, вода и химические реакции формируют поверхность Марса.
«Мы исследовали два участка, богатых сульфатами, вблизи обширной системы каньонов Долины Маринер, которые включали загадочные спектральные полосы, видимые по орбитальным данным, а также слоистые сульфаты и интригующую геологию», — сказала Бишоп.
Исследование включало регион под названием Хаос Арам, расположенный к северо-востоку от Долины Маринер, где древние воды стекали в более низкие регионы на севере, а также плато над Хасмой Ювентае, каньоном глубиной 5 км, расположенным к северу от Долины Маринер.
Учёные обнаружили сульфаты в одном небольшом низменном месте, вероятно, оставшемся после того, как бассейны, богатые сульфатами, воды медленно высыхали, образуя гидратированные сульфаты железа. Эти минералы, включая гидроксисульфат железа, встречаются в виде тонких слоёв толщиной в метр, расположенных как над базальтовыми материалами, так и под ними, что позволяет предположить, что они были нагреты лавой или пеплом после образования.
«Исследование морфологии и стратиграфии этих четырёх композиционных единиц позволило нам определить возраст и взаимоотношения между различными единицами», — сказала доктор Кэтрин Вайтц, соавтор исследования и старший научный сотрудник Института планетологии.
Исследователи наблюдали сульфатные минералы по всему региону Долины Маринер, в том числе в пересечённых ландшафтах, известных как хаотические местности — районах, которые, по их мнению, были вырезаны и сформированы мощными наводнениями в прошлом.
По мере того как вода постепенно высыхала, она оставляла после себя слоистые отложения сульфатов железа и магния, тонкие, но весомые подсказки того, что Марс когда-то был гораздо более влажным. В одной хаотической местности, образовавшейся внутри бывшего ударного кратера, верхние слои содержат полигидратированные сульфаты, в то время как моногидратированные и гидроксисульфаты железа лежат под ними.
Каждый из этих трёх сульфатов имеет отчётливые спектральные характеристики, которые можно идентифицировать с орбиты с помощью прибора CRISM. Лабораторные испытания показали, что нагревание полигидратированных сульфатов до 50 °C приводит к образованию моногидратированных форм, а нагревание выше 100 °C — к образованию гидроксисульфата железа, что подтверждает идею о том, что геотермальное тепло вызвало трансформацию минералов.
Учёные из Института SETI и NASA Ames провели лабораторные эксперименты, чтобы определить, как эти сульфаты трансформируются — от розинита (Fe2+SO4·4H2O) с четырьмя молекулами воды на единицу ячейки до шомолкоита (Fe2+SO4·H2O) с одной и, наконец, до гидроксисульфата железа, который содержит ОН вместо H2O в своей структуре.
«Наши эксперименты показывают, что этот гидроксисульфат железа образуется только тогда, когда гидратированные сульфаты железа нагреваются в присутствии кислорода», — сказал доктор Йоханнес Мейсбургер, научный сотрудник NASA Ames.
Реакция требует газообразного кислорода и производит воду (уравнение 1). Сегодня на Марсе тонкая атмосфера, в основном состоящая из CO2, но всё ещё достаточно кислорода, чтобы эта реакция могла протекать и для окисления других форм железа.
Уравнение 1: 4 Fe2+SO4·H2O + O2 → 4 Fe3+SO4OH + 2H2O
«Материал, полученный в ходе этих лабораторных экспериментов, вероятно, является новым минералом из-за его уникальной кристаллической структуры и термической стабильности», — сказала Бишоп. «Однако учёные должны также найти его на Земле, чтобы официально признать его новым минералом».
Интересно, что этот новый гидроксисульфат железа структурно похож на шомолкоит, моногидратированный минерал сульфата железа, но гидроксисульфат железа образуется легче из розинита, тетрагидратированного минерала.
Эта трансформация из гидратированных сульфатов железа в гидроксисульфат железа происходит только при температурах выше 100 °C, что намного жарче, чем обычно бывает на поверхности Марса. Сульфаты в Хаосе Арам и Ювентае, включая гидроксисульфат железа, вероятно, образовались позже, чем рельеф, в котором они находятся, возможно, в течение амазонского периода (менее 3 миллиардов лет назад).
Это исследование показывает, что тепло как от вулканической активности на плато Ювентае, так и от геотермальной энергии под Хаосом Арам может преобразовывать обычные гидратированные сульфаты в гидроксисульфат железа.
Результаты показывают, что части Марса были химически и термически активны совсем недавно, чем учёные когда-либо считали, предлагая новое понимание динамической поверхности планеты и её потенциала для поддержания жизни.
Предоставлено:
Институт SETI