Геохимические особенности Луны
Луна представляет собой одно из ключевых тел Солнечной системы, по которому формируются представления о ранних стадиях эволюции планет земной группы. Её геохимия отражает процессы фракционирования элементов, дифференциации недр и воздействия внешних факторов, включая бомбардировку метеоритами и солнечный ветер. Исследование лунных пород, доставленных миссиями «Аполлон», «Луна» и автоматическими станциями, позволило установить состав, строение и особенности эволюции её геохимической системы.
Лунное вещество характеризуется низким содержанием летучих элементов и высокой степенью обогащения огнеупорными компонентами. Средняя плотность Луны (3,34 г/см³) указывает на меньшую металлическую фракцию по сравнению с Землёй. По изотопному составу кислорода (δ¹⁸O и δ¹⁷O) лунные породы практически идентичны земным, что подтверждает их общий источник происхождения — вероятнее всего, результат гигантского удара протопланеты Теии с ранней Землёй.
Основными элементами, составляющими лунную кору, являются кремний, алюминий, кальций и железо. Содержание железа в среднем выше, чем в земной коре, что обусловлено меньшей степенью окисления лунного вещества. Минеральный состав представлен преимущественно плагиоклазами, пироксенами, оливином и ильменитом, а также стеклами вулканического происхождения.
Лунная кора демонстрирует выраженную геохимическую неоднородность. Светлые материковые области состоят преимущественно из анортозитов, обогащённых алюминием и кальцием, тогда как тёмные морские равнины сложены базальтами с высоким содержанием железа, магния и титана.
Анортозитовая кора представляет собой продукт кристаллизации лунного магматического океана, возникшего вскоре после формирования спутника. Лёгкие кристаллы плагиоклаза всплывали и формировали первичную кору толщиной до 60 км, тогда как более тяжёлые минералы — пироксены и оливины — оседали вглубь, образуя мантийные слои.
Базальтовые равнины (лунные моря) формировались в результате последующих вулканических излияний, сопровождавшихся дегазацией глубинных источников. Геохимические анализы показывают, что эти базальты характеризуются низким содержанием летучих компонентов (H₂O, CO₂, S), что отражает сильную дегазацию при формировании Луны.
Изотопные данные играют решающую роль в реконструкции происхождения и эволюции Луны. Совпадение изотопных соотношений кислорода в породах Земли и Луны (Δ¹⁷O ≈ 0) подтверждает гипотезу общего источника материала. Изотопы вольфрама (¹⁸²W) и гафния (¹⁸²Hf) свидетельствуют о ранней дифференциации Луны — через 30–50 млн лет после формирования Солнечной системы.
Изотопные системы Sm–Nd и Rb–Sr фиксируют длительную изоляцию лунных резервуаров и слабую степень последующей переработки вещества. Радиогенные изотопы урана, тория и калия концентрируются в поверхностных слоях, что определяет тепловую эволюцию Луны.
Лунные базальты подразделяются на три основных типа: титанистые, низкотитанистые и богатые алюминием.
Состав расплавов указывает на частичное плавление мантийных источников при давлениях 1–2 ГПа. Спектр редкоземельных элементов (REE) демонстрирует характерные отрицательные аномалии Eu, отражающие фракционирование плагиоклаза.
Луна практически лишена собственной атмосферы и гидросферы, что обусловило уникальные процессы накопления летучих элементов на поверхности. Ионы солнечного ветра внедряются в поверхностный реголит, обогащая его водородом, гелием и другими благородными газами. Изотопы гелия (³He/⁴He) имеют важное значение как потенциальный ресурс для будущей энергетики, так как лунный реголит служит естественным концентратором ³He, поступающего из солнечного ветра.
Анализы показывают наличие следов серы, натрия, калия и цинка, хотя их концентрации крайне низки. Летучие элементы на Луне удерживаются преимущественно в форме микроскопических включений в стеклах и минералах, сформированных в условиях крайне низкого давления.
Поверхность Луны подвергается постоянной микрометеоритной эрозии, что приводит к формированию реголита — рыхлого слоя, включающего фрагменты пород, пыль и стекла. Геохимически реголит отличается повышенным содержанием железа в восстановленной форме (Fe⁰) и наночастиц металлов, возникающих при ударном плавлении.
Процессы спекания, имплантации и редукции элементов формируют уникальные минеральные ассоциации, не встречающиеся на Земле. Ударные события способствуют перемешиванию поверхностного слоя, создавая геохимическую мозаику, где продукты различных эпох сосуществуют в пределах нескольких сантиметров.
Основными источниками внутреннего тепла Луны являются радиоактивные изотопы урана (²³⁸U, ²³⁵U), тория (²³²Th) и калия (⁴⁰K). Их концентрации в лунной коре и мантии в несколько раз ниже, чем в земных породах, что объясняет быстрое охлаждение Луны и прекращение магматической активности около 3 млрд лет назад.
Особый интерес представляют KREEP-компоненты (от англ. K – калий, REE – редкоземельные элементы, P – фосфор), локализованные в промежуточных слоях между анортозитовой корой и базальтовыми резервуарами. Эти породы отражают конечные стадии кристаллизации магматического океана и концентрируют значительные количества несовместимых элементов, включая U, Th, La, Ce и Zr.
Сравнение геохимических параметров Луны и Земли выявляет общее происхождение при существенных различиях в дальнейшей эволюции. Луна бедна летучими и сидерофильными элементами, что связано с потерей их при гигантском ударе и последующем испарении. Отсутствие тектоники плит и гидросферы привело к сохранению древнейших пород, отражающих раннюю историю планетарной дифференциации.
Земная кора, напротив, демонстрирует высокую степень переработки, гидратации и окисления вещества, что существенно изменило исходные геохимические соотношения. Поэтому Луна служит естественным эталоном для реконструкции первичных процессов формирования силикатных планет.
Изучение лунной геохимии позволило разработать концепцию магматического океана, определить временные масштабы планетной дифференциации и уточнить модели эволюции земной группы планет. Луна является ключом к пониманию раннего химического разделения вещества в протопланетных телах и механизмов дегазации при формировании атмосфер.
Геохимические данные, основанные на анализе пород, реголита и изотопных систем, продолжают оставаться фундаментом для интерпретации истории не только Луны, но и всей внутренней Солнечной системы.