Что писали о привезенных лунных породах в научных журналах? Основная масса статей будет опубликована в начале 1970 года, когда будут изучены розданные НАСА лунные породы в лаборатории ученых, написаны статьи и представлены на лунной конференции в январе 1970 года. А пока в сентябрьском номере одного из самых уважаемых научных журналов была опубликована статья специалистов, проводивших предварительные исследования привезенных пород. Надеюсь, кому-то это будет интересно.
Весь текст не вычитывал. Если кто-то найдет ошибки, стилистические или иные, пишите, исправлю. Некоторые узкоспециальные пункты оставил "за кадром" (Минералогия, Химия, Аналитические результаты по редким газам, Гамма-лучевая спектрометрия, Исследования в области органической химии, Биология).
Статья в научном реферируемом журнале Science от 19 сентября 1969 года
Предварительное изучение лунных пород, привезенных Аполлоном-11
19 сентября 1969 г., том 165, номер 3899
"Это первый научный отчет об исследовании образцов, возвращенных в результате посадки "Аполлона-11" в Море Спокойствия 20 июля 1969 года. С 25 июля 1969 года лунные образцы находились в Лунной приемной лаборатории (ЛПП) Центра пилотируемых космических кораблей в Хьюстоне (штат Техас), где проводился их предварительный физико-химический, минералогический и биологический анализ.
В 1963 году, когда началось серьезное планирование возвращения лунного материала, было принято решение о том, что с ним необходимо работать в вакууме, по крайней мере, до тех пор, пока не будет установлено, происходит ли разрушение образца при воздействии газов земной атмосферы. Для этой цели была построена сложная вакуумная камера со скафандрами, рассчитанная на перепад давления в 1 атмосферу.
В 1964 году Национальная академия наук США пришла к выводу о необходимости карантинизации любого возвращенного лунного материала на некоторое время для изучения возможной патогенности. Возможные последствия настолько масштабны, что было решено поместить лунный материал в карантин на срок от 1 месяца и более, чтобы провести серию биологических тестов для определения безопасности выпуска материала. Возможность смешения двух экологий имеет хорошо известные катастрофические последствия.
Эти решения привели к строительству Лунной приемной лаборатории в Центре пилотируемых космических аппаратов в Хьюстоне, штат Техас. Функции этой лаборатории следующие: (i) помещение лунного материала в карантин на соответствующий период наблюдения; (ii) предварительное изучение этого материала (химические, минералогические и другие исследования); (iii) проведение некоторых критических по времени экспериментов, которые не могут ждать окончания карантина; (iv) распределение лунных образцов среди утвержденных исследователей и хранение постоянной коллекции лунных материалов.
Цель предварительной экспертизы [пункт (ii)] - собрать достаточно информации о лунных образцах, чтобы грамотно распределить их среди ученых, которые будут проводить детальные измерения.
Несколько широко используемых методик отсутствуют в LRL, поскольку их применение в предварительном анализе представляется нецелесообразным. Например, в LRL нет электронного микрозонда для исследования образцов.
В NASA был создан ряд комитетов, которые должны были дать рекомендации по раннему проектированию лаборатории. В течение последних двух лет группа под названием Lunar Sample Analysis Planning Team (LSAPT) помогала NASA, анализируя программу лунной лаборатории и предлагая дополнения и изменения в методиках обработки образцов. Совсем недавно LSAPT помогла разработать планы по распределению лунных образцов среди 140 главных исследователей по всему миру, которые в скором времени получат этот материал. Для проведения предварительной экспертизы образцов и получения основных данных, которые будут использованы при распределении образцов, была сформирована группа приглашенных ученых и научных сотрудников NASA соответствующих специальностей, получившая название группы предварительной экспертизы (PET). Результаты предварительной экспертизы, проведенной PET, другими сотрудниками NASA и группой вспомогательных подрядчиков, являются предметом настоящего отчета.
Миссия "Аполлон-11
Внекорабельная деятельность (ВКД) на поверхности Луны была тщательно запрограммирована и смоделирована перед полетом вплоть до элементов продолжительностью около 5 минут в соответствии с временной линией. Продолжительность ВКД определялась исходя из возможностей системы жизнеобеспечения, включающей водный бак, способный выдержать 4800 британских тепловых единиц тепловыделения каждого космонавта, и исходя из ожидаемого метаболизма в 1600 БТЕ в час. Это позволило бы провести 3-часовую EVA, что с учетом 20-минутного коэффициента безопасности привело бы к запланированной EVA продолжительностью 2 часа 40 минут. На лунной поверхности были отобраны три отдельные пробы (резервная проба, объемная проба и документированная проба).
Непредвиденная проба (резервная проба). Проба на случай непредвиденных обстоятельств представляла собой примерно 1-килограммовую пробу поверхностного материала, собранную в начале EVA в тефлоновый мешок, чтобы гарантировать возвращение некоторого количества лунного материала в случае досрочного прекращения EVA. Армстронг собрал резервную пробу на расстоянии 1,5 м от лунного модуля (ЛМ) и включил в нее несколько небольших фрагментов горных пород.
Объемная проба (образец). Один из двух специальных контейнеров для возврата проб был заполнен примерно наполовину в ходе ВКД с помощью черпака. Отбор проб в этот контейнер не предусматривался. Идея заключалась в том, чтобы довольно быстро собрать большое количество материала, опять же для того, чтобы обеспечить его возвращение на Землю в достаточном количестве. Однако, заполняя этот ящик, Армстронг сделал значительно больше, чем предполагалось изначально. Он специально собрал значительное количество камней на расстоянии до 10 м от основания LM.
Документированный проба (образец). Документированная проба состоит примерно из 20 камней, которые были отобраны Армстронгом в течение 3,5 минут в конце ВКД. Второй контейнер для возвращения проб также содержал две трубки с керном, заполненные Олдрином, и фольгу от солнечного ветра.
Оба контейнера с образцами были загерметизированы на поверхности Луны, перенесены в ЛМ, упакованы и после стыковки перенесены в командно-сервисный модуль (КСМ). Из командного модуля (КМ) они были извлечены на корабле "Хорнет", перенесены в мобильный карантинный комплекс (МКК), где контейнеры были помещены во второй мешок; после дезактивации контейнеры с образцами были перенесены из МКК в два самолета, которые 25 июля 1969 года вернули их на LRL.
Лунная приемочная лаборатория
Операции
LRL разделена на три зоны:
1) зона приема экипажа (CRA) - это зона, где экипаж находился в карантине после возвращения с Луны до истечения 21 дня. При отсутствии серьезных медицинских проблем экипаж был выведен из карантина.
2) Лаборатория образцов (ЛО) - место, где все лунные образцы обрабатываются за биологическими барьерами в течение 50 дней до окончания серии биологических тестов, направленных на определение их патогенности. Если лунные образцы безопасны для использования, то они распределяются для научного использования.
3) Вспомогательная и административная зона находится за пределами биологического барьера.
Биологический барьер в СЛ фактически представляет собой двойной барьер. Основной барьер состоит из вакуумных камер и специальных биологических шкафов (класс 3), внутри которых осуществляется работа с образцами. Герметичные стены здания представляют собой вторичный барьер. Внутри CRA и SL создается небольшое отрицательное давление, поэтому любая утечка будет происходить внутрь. Аналогичным образом шкафы первичного барьера SL работают при отрицательном давлении по отношению к помещениям, в которых они расположены. Биологические барьеры являются двусторонними барьерами. Они предотвращают попадание нестерилизованного лунного материала в атмосферу Земли, а также предотвращают попадание земных загрязнителей в образцы.
Лунные образцы в ящиках были доставлены в СЛ и помещены в дезактивационные камеры, где земные загрязнения были удалены с помощью распыления надуксусной кислоты. В вакуумной камере был вскрыт ящик с задокументированными образцами, породы были осмотрены, описаны, сфотографированы, взвешены и отколоты для (i) физико-химического анализа и (ii) биологического тестирования. Коробка с массой, резервный образец и керноприемные трубки были вскрыты в сухом азоте в одном из специальных шкафов после того, как было установлено, что при воздействии кислорода, влажного воздуха и углекислого газа не происходит серьезной кратковременной деградации образца. Примерно 50 г материала из кернотрубок и 500 г мелочи из насыпного ящика были отобраны для биологического тестирования.
Большая часть оставшегося материала в настоящее время хранится в азоте внутри биологических шкафов, а остальная часть - под вакуумом.
Геологическая обстановка
Посадка "Аполлона-11" произошла в юго-западной части Моря Спокойствия в точке с координатами 0,67° с.ш., 23,49° в.д., примерно в 10 км к юго-западу от кратера Сабин Д. Место посадки находится примерно в 25 км к юго-востоку от места посадки Surveyor 5 и в 68 км к юго-западу от кратера, образовавшегося в результате падения Ranger 8. Эту часть Моря Спокойствия пересекают относительно слабые, но отчетливые лучи северо-северо-западного направления, связанные с кратером Теофилус, который находится в 320 км к юго-востоку. В 15 км к западу от места посадки находится довольно заметный луч северо-северо-восточного направления. Этот луч может быть связан с кратером Альфраганус, расположенным в 160 км к юго-западу, или с кратером Тихо, расположенным в 1500 км к юго-западу. Место посадки находится между основными лучами, но может содержать редкие фрагменты, происходящие из Теофила, Альфрагана, Тихо или других удаленных кратеров.
Примерно в 400 м к востоку от места посадки находится остроугольный лучевой кратер диаметром около 180 м и глубиной 30 м, который получил неофициальное название Западный кратер. Западный кратер окружен глыбовым эжектирующим фартуком, который почти симметрично простирается наружу примерно на 250 м от гребня обода. На ободе и во внутренней части кратера встречаются глыбы до 5 м в поперечнике. К западу от точки посадки за пределы эжектирующего фартука выходят лучи глыбовой эжекции с большим количеством фрагментов размером 0,5-2 м. ЛМ совершил посадку в области между этими лучами, которая относительно свободна от очень крупных блоков.
В месте посадки лунная поверхность состоит из несортированных фрагментарных обломков, размер которых варьируется от частиц, слишком мелких, чтобы их можно было различить невооруженным глазом, до блоков размером 0,8 м. Эти обломки образуют слой лунного реголита, пористого и очень слабосвязного на поверхности. Ниже он переходит в аналогичный, но более плотный материал. Основная масса реголита состоит из мелких частиц, но в подповерхностном слое, как и на поверхности, встречалось много обломков горных пород.
Вблизи БМ поверхность марены испещрена мелкими кратерами диаметром от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. К юго-западу от БМ находится двойной кратер длиной 12 м, шириной 6 м и глубиной 1 м с приглушенным приподнятым ободком. Примерно в 60 м к востоку от БМ находится крутостенный (но неглубокий) кратер диаметром 33 м и глубиной 4 м, который посетил астронавт Армстронг ближе к концу внекорабельной деятельности.
Все кратеры в непосредственной близости от БМ имеют ободки, стенки и дно из относительно мелкозернистого материала с рассеянными более крупными фрагментами, которые встречаются примерно в том же количестве, что и на межкратерных участках. Глубина этих кратеров около 1 м и менее; очевидно, они были вырыты полностью в реголите.
В кратере диаметром 33 м к востоку от ЛМ стенки и обод имеют ту же текстуру, что и реголит в других местах, однако на дне кратера встречается груда блоков. Вероятно, дно кратера расположено близко к основанию реголита. В районе места посадки имеется несколько кратеров примерно такого же размера с крутыми стенками и неглубоким плоским дном или дном с центральными горбами. Судя по глубине этих кратеров, толщина реголита оценивается в пределах от 3 до 6 м.
Крупные фрагменты разбросаны в окрестностях БМ примерно в том же количестве, что и на месте посадки Surveyor 1. Их количество заметно выше, чем в других местах посадки "Сервейеров" на марии, включая место посадки "Сервейера-5" к северо-западу от БМ. Surveyor 1, как и Apollo 11, совершил посадку вблизи свежего кратера с блочным ободом, но за пределами абриса крупноблочных выбросов. Можно предположить, что многие фрагменты пород в непосредственной близости от космического аппарата, как в местах посадки Surveyor 1, так и Apollo 11, были получены из близлежащего кратера с блочным ободом. Фрагменты из кратера Западный могли быть извлечены с глубины до 30 м под поверхностью морены.
Фрагменты горных пород на месте посадки Apollo 11 имеют самую разнообразную форму, большинство из них в той или иной степени погружены в тонкую матрицу реголита. Большинство камней имеют округлую или подкруглую форму верхней поверхности, но встречаются и угловатые фрагменты неправильной формы. Несколько камней представляют собой прямоугольные плиты со слабой пластинчатой структурой. Многие округлые камни при подборе оказались плоскими или неправильной угловатой формы на дне. Обнаженная часть одной необычной породы, которая не была собрана, по описанию Армстронга, напоминала крышку распределителя. Когда эта порода была выбита ударом ноги, оказалось, что скульптурная крышка является вершиной гораздо более крупной породы, погребенная часть которой имела большие поперечные размеры и угловатую форму.
Полученные данные свидетельствуют о том, что на лунной поверхности происходят процессы эрозии, приводящие к постепенному округлению обнаженных поверхностей пород. В этом процессе могут участвовать несколько факторов. На некоторых округлых поверхностях пород отдельные обломки и зерна (из которых состоят породы), а также стеклообразные выступы ям на поверхности пород остались в рельефе в результате общего износа или абляции поверхности. Породы, в которых наиболее ярко проявляется дифференциальная эрозия, являются микробрекчиями. Абляция может быть вызвана преимущественно бомбардировкой поверхности мелкими частицами.
Некоторые кристаллические породы средней крупности имеют округлые поверхности, образовавшиеся в результате отслаивания близко расположенных оболочек эксфолиации. Форма распределительной крышки, наблюдаемая Армстронгом, могла образоваться в результате отшелушивания. Она также могла образоваться в результате скалывания свободных поверхностей породы в результате одного или нескольких энергичных ударов по верхней поверхности.
На округлых поверхностях большинства горных пород встречаются мелкие глубокие ямки диаметром от долей миллиметра до 2 мм. Они были замечены Армстронгом, который определил, что они образовались на поверхности горных пород и что их можно отличить от везикул. Как описано ниже, многие из этих ямок выстланы стеклом. Они присутствуют на образце микробрекчии, который был идентифицирован на фотографиях, сделанных на лунной поверхности, и для которого известна ориентация породы в момент сбора. Ямки расположены преимущественно на верхней стороне; очевидно, они образовались в результате процесса, воздействующего на обнаженную поверхность. Они не похожи на ударные кратеры, полученные в лаборатории, и их происхождение еще предстоит объяснить.
Другим открытием Армстронга стало наличие пятен материала со спекшимися поверхностями, частично покрывающими участки шириной от 2 до 10 см на дне шести или восьми кратеров с рельефными краями диаметром 1 м. Эти явно стеклообразные пятна, напоминающие капли припоя, Армстронг наблюдал только в кратерах. Форма пятен позволяет предположить, что они образовались в результате разбрызгивания расплавленного материала, падавшего с небольшой скоростью. Распространение этих пятен позволяет предположить, что они являются естественным явлением на лунной поверхности, однако существует отдаленная вероятность того, что они представляют собой артефакты, образовавшиеся в результате посадки ЛМ.
Механика лунного грунта
Верхние несколько сантиметров поверхностного материала в районе базы "Транквилити" характеризуются коричневатым, средне-серым, слабосвязным зернистым грунтом, состоящим в основном из крупных зерен, размер которых варьируется от ила до мелкого песка. По всей территории распространены угловатые и округлые обломки горных пород размером до 1 м. Часть этих обломков лежит на поверхности, часть частично погребена, а часть почти не обнажена.
Лунная поверхность относительно мягкая на глубину от 5 до 20 см. Ее легко зачерпнуть, она слабо сопротивляется проникновению и слабо поддерживает посохи, шесты или керноприемные трубки. Под этой относительно мягкой поверхностью сопротивление материала проникновению значительно возрастает.
Механическое поведение лунного грунта может быть кратко описано следующим образом:
1) Уплотнение рыхлого поверхностного материала приводит к значительному увеличению сопротивления деформации, что характерно для грунтов, большая часть прочности которых обусловлена межчастичным трением. На рис. 5 и 6 показаны относительно небольшие глубины проникновения ступней ЛМ - от 2,5 до 7,5 см и глубина следа космонавта - до 5 см. Это соответствует среднему статическому давлению на опору 0,6-1,5 фунта на квадратный дюйм.
2) Грунт обладает небольшой связностью. Об этом свидетельствуют следующие наблюдения: (i) он обладает способностью стоять на вертикальных склонах и сохранять детали деформированной формы; боковые стенки траншей, вырытых совком, были гладкими с острыми краями; (ii) мелкие зерна слипаются, и в некоторых случаях астронавтам было трудно отличить глыбы грунта от обломков скал; (iii) отверстия, проделанные керноприемными трубками, оставались нетронутыми после извлечения трубок; (iv) материал, собранный на дне керноприемных трубок, не высыпался при отвинчивании керноприемного сверла.
3) Естественные комки мелкозернистого материала рассыпались под ботинками астронавтов. Такое поведение может свидетельствовать о некоторой цементации между зернами, хотя в ходе испытаний LRL было обнаружено, что зерна грунта после разделения в некоторой степени снова сцепляются.
4) Большинство отпечатков ног при небольших нагрузках, приложенных астронавтами, вызвали сжатие грунта лунной поверхности, хотя в некоторых случаях наблюдалось вспучивание и растрескивание грунта, прилегающего к отпечатку. Последнее наблюдение указывает на сдвиговую, а не на сжимающую деформацию грунта.
5) На LRL удельный вес лунного грунта был измерен как 3,1, что значительно выше среднего значения (около 2,7) для земных почв. Исходя из полученных значений для лунного грунта и измеренных объемных плотностей, коэффициент пустотности материала в керне 1 составляет 0,87, а в керне 2 - 1,01. Соответствующие пористости составляют 46,5 и 50,1%. В связи с тем, что при отборе проб происходит нарушение структуры, эти значения могут не отражать свойств материала на месте.
6) В LRL материал размером более 1 мм, полученный из лунной насыпной пробы, был помещен в контейнер в свободном состоянии, и насыпная плотность материала составила 1,36 грамма на кубический сантиметр. Во втором испытании грунт был уплотнен до плотного состояния с насыпной плотностью 1,80 грамма на кубический сантиметр. В уплотненном состоянии несущая способность материала определялась с помощью малогабаритного пенетрометра. По результатам этих испытаний связность материала оценивалась в диапазоне от 0,05 до 0,20 фунтов на квадратный дюйм. Описанные выше эксперименты проводились в атмосфере азота.
В целом, лунный грунт по внешнему виду, поведению и механическим свойствам похож на грунт, обнаруженный на экваториальных посадочных площадках Surveyor. Хотя лунный грунт значительно отличается по составу и форме частиц от земного грунта с таким же распределением частиц по размерам, его механические свойства, по-видимому, не имеют существенных отличий.
Минералогия и петрология
Общий вес лунного образца, возвращенного "Аполлоном-11", составляет 22 кг, из которых 11 кг - фрагменты пород диаметром более 1 см и 11 кг - более мелкие частицы. Документированный ящик для образцов заполнялся путем захвата отобранных камней щипцами и поэтому содержал множество крупных камней (общий вес 6,0 кг). Общий вес насыпной пробы составляет 14,6 кг. В ней содержится 4,2 кг фрагментов пород размером более 1 см и 10,4 кг материала в диапазоне менее 1 см.
Нижеследующее обсуждение основано на стереомикроскопическом изучении образцов с использованием случайных монтировок зерен под поляризационным микроскопом. Некоторые из предварительных идентификаций были подкреплены ограниченными дополнительными исследованиями с помощью методов шпиндельной и рентгеновской порошковой дифракции, а также изучением тонких срезов двух кристаллических пород, которые стали доступны ближе к концу предварительной экспертизы. Несмотря на препятствие в виде налипшего слоя пыли, все породы были изучены. Только резервные образцы и мелкие сколы, взятые из образцов в ящиках с породой, были свободны от пыли на момент исследования.
Полученные образцы можно разделить на четыре группы: (i) тип А - мелкозернистые везикулярные кристаллические магматические породы; (ii) тип В - среднезернистые вуггистые кристаллические магматические породы; (iii) тип С - брекчия; (iv) тип D - мелочь. Термин "породы" применяется к фрагментам диаметром более 1 см, а "мелочь" - к фрагментам размером менее 1 см.
сантиметра. Все породы и многие мелкие фрагменты имеют неземные поверхностные признаки (фото ниже), которые рассматриваются в следующих параграфах.
Горные породы. Кристаллические породы являются вулканическими. Этот термин в данном случае означает поверхностные лавы или приповерхностные магматические породы. Он не имеет никакого отношения к вулканизму, порожденному или спровоцированному импактным воздействием, в отличие от вулканизма в обычном земном понимании.
Породы содержат пирогенные минеральные скопления и газовые полости, свидетельствующие о кристаллизации из расплавов. Основные минералы могут быть отнесены к известным группам породообразующих минералов. Уникальный химический состав магм привел к тому, что соотношение минералов в них не похоже на таковое в известных земных вулканических жидкостях, но не сильно отличается от некоторых земных кумулятов, по крайней мере, по основным элементам.
Было возвращено 20 кристаллических пород, большинство из которых имеют массу более 50 г. Масса самого крупного камня составила 919 грамм. Эти породы были отнесены к мелкозернистому везикулярному типу (тип А, фото ниже) и более крупнозернистому, вуггистому микрогаббровому типу (тип Б, фото ниже), но, возможно, они представляют собой элементы текстурно-композиционного ряда.
Обломок темно-серой везикулярной породы с субофитовой текстурой (тип А) имеет насыпную плотность около 3,4 грамма на кубический сантиметр. Везикулы в основном сферические, но некоторые имеют яйцевидную форму, их диаметр колеблется от 1 до 3 мм. В результате коалесценции другие везикулы видоизменяются, образуя полости неправильной формы, превышающие по размерам отдельные везикулы. Везикулы облицованы блестящими отражающими кристаллами минералов основной массы. В таких везикулах отсутствуют секущие кристаллы и сублиматные минералы. Кроме сферических везикул, встречаются мелкие полости неправильной формы, или впадины, в которые локально выступают грунтовая масса и акцессорные минералы. В более крупнозернистых породах на месте сферических везикул появляются ушки, часто встречаются эвентральные кристаллы, выступающие в ушки.
Предварительный модальный анализ образца типа А, пересчитанный на 15% пустотного пространства, дает следующие результаты: клинопироксен - 53%; плагиоклаз - 27%; опак [обильный ильменит, незначительное количество троилита (?) и самородного железа (?)] - 18%; другие полупрозрачные фазы (не менее двух) - 2%; незначительное количество оливина. Примечательны редкие зерна оливина с предельным превращением в клинопироксен. Длина зерен оливина достигает 0,5 мм, тогда как диаметр зерен большинства других минералов колеблется в пределах 0,05-0,2 мм. В вуггитовых областях наблюдается небольшое увеличение размера зерен. За исключением очень высокого содержания опака, что отражает высокое содержание Fe и Ti в магме, порода напоминает некоторые земные оливинсодержащие базальты. Размеры минеральных грамм и везикул, их форма и распределение позволяют предположить, что породы возникли вблизи верхней или нижней части лавового потока или лавового озера.
Девять других пород типа А похожи на описанную выше, хотя большинство из них имеют более мелкие везикулы. Наиболее заметные различия между ними заключаются в содержании оливина, которое варьирует от нуля в одних до примерно 10% в других.
Темная коричневато-серая пятнистая порода типа В имеет неравномерную пустотность и насыпную плотность около 3,2 грамма на кубический сантиметр. Текстура зернистая, по внешнему виду она напоминает микрогаббровые текстуры сегрегационных прожилков и подзолов некоторых наземных базальтов.
Размер зерен в породах типа В варьирует от 0,2 до 3,0 мм. Предварительный модальный анализ дает следующие результаты: клинопироксен - 46%, плагиоклаз - 31%, опак (в основном ильменит) - 11%, низкий кристобалит - 5%, прочие - 7%. Наиболее крупные кристаллы, многие из которых эвэдрические, выступают в полости. Оливин в этой и подобных ей породах отсутствует. Остальные включают неопознанный минерал желтого цвета, который, по-видимому, концентрируется в вуггистых участках породы, и бесцветную фазу с высоким коэффициентом преломления.
Кристаллические породы представляют собой ряд по размеру зерен грунтовой массы от 0,1 до 1 мм, с более крупными кристаллами в вуггитовых зонах до 3,0 мм в более крупнозернистых породах. В целом обилие вуггов увеличивается, а обилие везикул уменьшается с увеличением размера зерен. Оливин встречается только в мелкозернистых породах, а неопознанная желтая фаза - только в крупнозернистых породах. В более крупнозернистых породах меньше ильменита и больше кристобалита. Три основных минерала (клинопироксен, кальциевый плагиоклаз и ильменит) присутствуют во всех породах.
Обращает на себя внимание полное отсутствие гидрослюдистых минеральных фаз, а также чрезвычайно свежий вид интерьеров всех кристаллических пород, несмотря на их микротрещиноватость и высокий K-Ar возраст.
Все изученные брекчии (тип С, рис. 7) представляют собой смеси обломков различных пород и имеют цвет от серого до темно-серого с вкраплениями белых, светло-серых и коричневато-серых обломков. Большинство брекчий мелкозернистые, с диаметром фрагментов менее 1 см, а в основном менее 0,5 см. Лишь некоторые фрагменты в брекчиях имеют округлую форму. Обломки состоят либо из пород, либо из минералов, аналогичных описанным ранее, но с тем отличием, что в значительном количестве наблюдается большее количество близко расположенных микротрещин и различная степень стекловидности. Кроме того, присутствуют угловатые фрагменты и спекулы стекла в широком диапазоне цветов и показателей преломления, которые также являются характерными компонентами лунной мелочи. В некоторых образцах большую часть крупных фрагментов составляют везикулярные мелкозернистые кристаллические породы. В других образцах преобладают фрагменты минералов и мелкие обломки более грубого микрогаббрового типа.
Несмотря на то, что фрагменты пород мелкие, они, по-видимому, имеют более широкий диапазон изменения модального минерального состава и ударного метаморфизма, чем крупные образцы кристаллических пород. В брекчиях встречается несколько мелких пород, одна из которых преимущественно светло-серого цвета, а другая - преимущественно бледно-желтого, но они не представлены среди крупных отдельных пород. Некоторые брекчии содержат фрагменты кристаллов диаметром более 3 мм, что свидетельствует о существовании на Луне более крупнокристаллических пород, чем те, которые были возвращены.
Более мелкая фракция брекчий имеет серый и зернистый вид и состоит в основном из частиц стекла (как угловатых, так и округлых) и обломков двупреломляющих минералов, покрытых частично стеклом или непрозрачным или мелкозернистым пылевидным материалом. Стеклянные частицы, составляющие большую часть матрицы, похожи на стекло мелкой фракции. Многие отдельные частицы стекла состоят более чем из одного типа стекла и поэтому не похожи на осколки обычных наземных вулканических процессов. Некоторые брекчии пересечены везикулярными "стеклянными" прожилками или содержат частицы стекла, образовавшиеся на месте или внедрившиеся по трещинам.
Степень вдавленности и история последующей деформации брекчий различны. Некоторые брекчии очень слабо консолидированы, мягкие и рыхлые. Другие имеют грубую слоистость. Другие имеют тесно расположенные системы трещин и по твердости не уступают, если не превосходят, самые твердые кристаллические породы. Многие обломки кристаллических пород в брекчиях и сами брекчии состоят из ударных эжектов.
На всех породах лунных образцов встречаются два типа уникальных особенностей поверхности. Это небольшие ямки, выложенные стеклом, и брызги стекла, не обязательно связанные с ямками. Кроме того, кристаллические породы имеют в целом более светлую окраску поверхности по сравнению с внутренней частью, что, по-видимому, связано с микротрещиноватостью поверхностных кристаллов.
Диаметр ям в среднем не превышает 1 мм. Отношение диаметра ям к глубине варьирует в широком диапазоне, но, по-видимому, для ям в брекчиях это отношение меньше, чем для ям в кристаллических породах. В нескольких изученных породах наблюдаются ямки на округлых сторонах, но нет явных ямок на одной (обычно плоской или неравномерно шероховатой) поверхности. Поверхности стекла в ямках ярко отражают, обычно неровные и ботриоидные. Ботриоидные поверхности чаще встречаются в ямах в брекчиях, чем в кристаллических породах. В окружающих ямы брекчиях в большем количестве встречаются приподнятые стеклообразные ободки. Стекло выходит за пределы некоторых ям. От некоторых ям отходят трещины и редкие прожилки стекла. Предположительно, ямы образовались в результате удара мелких частиц о поверхность пород.
Наряду со стекловидными ямами встречаются тонкие стеклянные корки, которые, по-видимому, являются результатом разбрызгивания. Корки брызг диаметром более 1 см встречаются как на поверхности брекчий, так и кристаллических пород. Они могут быть связаны с близкими ударными событиями.
На поверхности кристаллических пород наблюдаются беловатые пятна и ореолы вокруг стекловидных ям. Белесый цвет, по крайней мере частично, объясняется интенсивным микротрещинообразованием минералов, особенно полевого шпата и пироксена, и в большинстве изученных сечений не проникает более чем на 0,5-1,0 мм под поверхность. В некоторых кристаллических породах отбеливание может быть настолько распространено на отдельных поверхностях, что вся поверхность оказывается светлее, чем внутренняя часть. Эта особенность особенно заметна в мелкозернистых породах, которые на свежеразрушенных поверхностях имеют темно-серый цвет.
Наиболее заметной особенностью поверхности пород является закругление одной или нескольких граней и углов. Наиболее ярким примером округления, а возможно, и наиболее распространенным, является закругление, при котором одна сторона породы почти плоская, а остальная поверхность закруглена. Округление более выражено в мягких, рыхлых брекчиях, чем в кристаллических породах. На исходных поверхностях брекчий крупные зерна обычно выступают над поверхностью, что свидетельствует о выветривании окружающих их более мелких зерен. Таким образом, внешний вид брекчий напоминает рыхлые осадочные породы с широким диапазоном размеров зерен, подвергшиеся пескоструйной обработке. Как округлость, так и детальный вид поверхности свидетельствуют о том, что в породе происходил какой-то эрозионный процесс.
Особенности поверхности некоторых пород позволяют сделать вывод об ориентации породы на поверхности (рис. 10).
Мелкий материал
Были получены два образца керна диаметром 2 см каждый: в керноприемной трубке 1 содержалось 10 см, а в керноприемной трубке 2 - 13,5 см материала. Керны состоят преимущественно из частиц диаметром от 1 миллиметра до 30 микрометров с примесью угловатых обломков пород, обломков кристаллов, стеклянных сферул, агрегатов стекла и литических обломков в более крупнозернистой фракции. При удалении верхней половины вкладыша разъемной трубки керна материал прекрасно сохранил свою цилиндрическую форму. Как материал в трубках, так и мелкие фракции в целом имеют средне- и темно-серый цвет с коричневым оттенком.
При прощупывании маленьким шпателем материал распадается по частям или образует очень хрупкие эфемерные агрегаты подугольной блоковидной формы.
Ни в одном из образцов керна не наблюдается явной гранулометрической стратификации. В керне из трубки 2 примерно в 6 см от верхней поверхности имеется слегка светлая зона толщиной от 2 до 5 мм с резкой верхней границей и градиентной нижней границей. Эта светлая зона не имеет мегаскопических отличий по размеру зерен или текстуре от темного материала.
Ситовые анализы материала из двух трубок керна, образца из документированного контейнера возвращения на поверхность Луны (КВПЛ) "Аполлон" и образца из насыпного КВПЛ показаны на рис. 11. Эти распределения воспроизводятся простым сухим просеиванием, но могут быть смещены из-за агрегации мелких частиц. Насыпная плотность керна 1 составляет 1,66 ± 0,03 грамма на кубический сантиметр, а керна 2 - 1,54 ± 0,03 грамма на кубический сантиметр.
Шихта состоит в основном из разнообразных стекол, плагиоклаза, клинопироксена, ильменита и оливина. Очень редко встречались сферолиты и округлые обломки Ni-Fe размером до 1 мм. Стекло, составляющее около половины материала, представлено тремя типами: (i) ботриоидные, везикулярные и шаровидные темно-серые фрагменты; (ii) бледные или бесцветные, реже коричневые, желтые или оранжевые угловатые фрагменты с показателем преломления от около 1. 5 до 1,6; и (iii) сфероидальные (рис. 12), эллипсоидальные, гантелевидные и каплевидные тела, в большинстве случаев размером менее 0,2 миллиметра, цвет которых варьирует от красного до коричневого, зеленого и желтого. Показатели преломления колеблются от несколько меньших 1,6 до более 1,8 и, как правило, выше у более интенсивно окрашенных стекол. Материалы с показателем преломления выше 1,7 встречаются реже, чем с более низким показателем. Бесцветное или бледное угловатое стекло, являющееся наиболее распространенным типом, частично мутное или слабо двулучепреломляющее. В отличие от обычных капель из закаленных магм и стекол из наземных вулканических источников, многие отдельные частицы стекла неоднородны.
Ударный или импактный метаморфизм лунных образцов. Признаки ударного метаморфизма широко распространены в лунных образцах, особенно в рыхлых мелкозернистых материалах и в брекчиях. Напротив, большинство кристаллических пород, несмотря на то, что на поверхности они часто трещиноваты или раскрошены, демонстрируют незначительное или слабое ударное воздействие на их внутреннюю поверхность. В небольшом числе случаев наблюдаются признаки сильного удара. Кристаллические минералы, залегающие в ямах со стеклянными стенками, раздроблены или измельчены в порошок, но не подверглись сильному удару. Такие участки имеют от ограниченного до широкого распространения на поверхности кристаллических пород.
В рыхлом материале и брекчиях наблюдалось множество явлений, свидетельствующих о плавлении, вызванном сильным и интенсивным ударом. К ним относятся: (i) стеклянные гантели, капли и другие формы эволюции; (ii) везикулярное и текучее стекло, содержащее по крайней мере два типа стекла; (iii) Ni-Fe сферулы. Обилие стеклообразных минеральных фрагментов свидетельствует об умеренном или сильном ударе. В рыхлых материалах и в брекчиях встречаются неударные минералы или обломки литификата, но их количество меньше. Большинство двулучепреломляющих кристаллических обломков в мелочи демонстрируют выраженное прямолинейное или мозаично-волнистое погасание, а также некоторые пластинчатые микроструктуры, что свидетельствует о том, что эти обломки испытали слабую или сильную ударную волну.
Явным свидетельством многоударной истории являются фрагменты брекчии внутри брекчии, а также брекчии, содержащие сферолиты стекла от предшествующих ударов, которые забрызганы стеклом от последующих ударов. Каждый образец брекчии содержит большое разнообразие минеральных и литических фрагментов различной степени ударного воздействия, и каждый образец, по-видимому, имеет сложную историю.
(Эти узкоспециальные тексты пропускаю:)
- Минералогия
- Химия
- Аналитические результаты по редким газам
- Гамма-лучевая спектрометрия
- Исследования в области органической химии
- Биология
Выводы
Основные выводы, сделанные в результате предварительного изучения лунных образцов, сводятся к следующему:
1) По структуре и минералогии породы разделяются на две генетические группы: (i) мелко- и среднезернистые кристаллические породы магматического происхождения, вероятно, первоначально отложившиеся в виде лавовых потоков, расчлененных и переотложенных в виде обломков при ударах, и (ii) брекчии сложной истории.
2) Кристаллические породы, как показывает их модальная минералогия и основной химический состав, отличаются от любых земных пород и от метеоритов.
3) Эрозия на лунной поверхности имела место, поскольку большинство пород имеют округлую форму, а некоторые из них подверглись процессу, который придает им внешний вид, похожий на пескоструйную обработку. Признаков эрозии поверхностными водами не обнаружено.
4) Вероятное присутствие асбоцементного железо-троилита-ильменита и отсутствие гидратированной фазы свидетельствует о том, что кристаллические породы формировались в условиях крайне низких парциальных давлений O2, H2O и S (в диапазоне равновесных для большинства метеоритов).
5) Отсутствие вторичных гидратированных минералов свидетельствует о том, что на Базе Транквилити не было поверхностной воды с момента обнажения пород.
6) В породах и мелочи часто встречаются признаки ударного или импактного метаморфизма.
7) Во всех породах наблюдаются поверхностные ямки со стеклянным покрытием, которые могут быть вызваны ударами мелких частиц.
8) Тонкий материал и брекчия содержат большое количество всех благородных газов, элементное и изотопное содержание которых почти наверняка указывает на их происхождение от солнечного ветра. Тот факт, что внутренние образцы брекчий содержат эти газы, предполагает, что они образовались на лунной поверхности из материала, ранее подвергавшегося воздействию солнечного ветра.
9) Измерения 40K-40Ar в магматических породах показывают, что они кристаллизовались 3 X 109 - 4 X 109 лет назад. Присутствие нуклидов, образованных космическими лучами, показывает, что породы находились в пределах 1 м от поверхности в течение периодов от 20 X 10е до 160 X 10е лет.
10) Уровень местного органического материала, способного к улетучиванию или пиролизу, или к тому и другому, по-видимому, крайне низок (т.е. значительно меньше 1 части на миллион).
11) Химические анализы 23 лунных образцов показывают, что все породы и мелочь в целом сходны по химическому составу.
12) Элементный состав лунных образцов такой же, как и в земных магматических породах и метеоритах. Однако есть несколько существенных различий в составе: (i) некоторые тугоплавкие элементы (например, Ti и Zr) заметно обогащены, (ii) щелочные и некоторые летучие элементы обеднены.
13) Элементы, которыми обогащены железные метеориты (Ni, Co и группа Pt), не наблюдались или их количество очень мало.
14) Из 12 выявленных радиоактивных видов два оказались космогенными радионуклидами с коротким периодом полураспада: 52Mn (5,7 суток) и 48V (16,1 суток).
15) Концентрации урана и Th близки к типичным значениям для земных базальтов, однако отношение К к U, определенное для материала лунной поверхности, значительно ниже, чем для земных пород и метеоритов.
16) Высокая концентрация 20Al согласуется с длительным возрастом воздействия космических лучей, определенным по результатам анализа редких газов.
17) На сегодняшний день в образцах не обнаружено никаких признаков биологического материала.
18) Лунный грунт в месте посадки преимущественно мелкозернистый, зернистый, слабосвязный и несжимаемый. Его твердость значительно возрастает на глубине 15 см. По внешнему виду и поведению он похож на грунт, обнаруженный на посадочных площадках Surveyor.
Обсуждение
Приведенные здесь данные и описательная информация были получены для характеристики материалов, которые теперь будут переданы основным исследователям и их сотрудникам для специализированного и детального изучения. Полезность этой информации при выборе материала для конкретных экспериментов хорошо иллюстрируется данными по редким газам. Без знания вариаций содержания редких газов, приведенных в табл. 3, невозможно было бы выбрать материал для тщательного изучения изотопов Ne, Ar, Kr и Xe, образующихся под действием космических лучей, или даже для простого определения возраста методом К-Ar-датирования. Аналогичным образом анализы органического вещества дают неоценимые рекомендации по отбору материала для дальнейших экспериментов и изучению органического вещества в лунном материале.
Несмотря на ограниченность и специфичность задач предварительного исследования, оно позволило получить ряд существенных результатов по давно решенным вопросам, а также несколько сюрпризов. На существование эрозионного процесса на лунной поверхности ясно указывают фотографии, сделанные как "Рейнджером", так и "Орбитером". На этих снимках часто видны очень свежие блоковые кратеры, перемежающиеся со сглаженными кратерами. Фотографии отдельных камней на снимках Surveyor дают дополнительные свидетельства округления и истирания твердых пород на лунной поверхности. Морфология поверхности, ямки и брызги, наблюдаемые как на твердых, так и на обломочных породах, позволяют предположить, что в настоящее время имеются образцы для детального лабораторного исследования, которое может позволить выяснить широко распространенный и важный механизм на лунной поверхности. Данные, полученные при первом исследовании этих пород, свидетельствуют о том, что этот процесс не похож ни на один из наблюдавшихся до сих пор на Земле.
Химический состав мелочи и магматических пород базы Транквилити не похож ни на одну из известных земных пород или метеоритов. Уникальной особенностью является необычно высокое содержание Ti, Zr, Y и Cr по сравнению с другими породами с таким приблизительным основным составом. Большой интерес представляет также низкое содержание Na, K и Rb. Особенно важно, что уникальный состав - это силикатная жидкость. Если эта жидкость имеет вулканическое происхождение, то уникальный состав предполагает либо существенное отличие состава породы, из которой получена жидкость, от состава мантии Земли, либо отличие механизма образования жидкости от аналогичных земных процессов. Практически одинаковый состав тонкозернистых, обломочных и магматических пород позволяет предположить, что уникальный состав материалов, наблюдаемый на Базе Спокойствия, характерен для этой части Луны, а не обусловлен локальным изолированным потоком или интрузией.
Из приведенных данных можно сделать несколько конкретных геохимических наблюдений за магматическими породами. Отношение К к U (2 400 - 3 200) в лунных материалах необычно низкое, как по сравнению с хондритовыми метеоритами (45 000), так и с большинством обычных земных пород (10 000). Это соотношение мало изменяется под действием земных магматических процессов. Если распространить это обобщение на лунные магматические процессы, то можно сделать вывод, что наблюдаемые здесь соотношения характерны для всей Луны. Аналогичным образом, соотношение Rb/Sr гораздо больше похоже на земное и ахондрические метеориты, чем на хондрические метеориты и Солнце. Обе эти химические характеристики позволяют предположить, что Луна, как и Земля, обеднена щелочными металлами с атомным номером выше 11 по сравнению с хондритами.
Вариации других соотношений элементов, которые легко фракционируются в процессе дифференциации магматических пород (например, Ni/Mg и Ва/Sr), свидетельствуют о том, что при формировании магматических пород происходила определенная химическая дифференциация. Обилие радиоактивных элементов (K, U и Th) в поверхностных материалах значительно превышает среднее содержание радиоактивных элементов на Луне, рассчитанное на основе тепловых моделей Луны. Это позволяет предположить, что поверхностные материалы химически дифференцированы относительно всей планеты.
Необычно высокое содержание элементов с высокими атомными номерами (Fe и Ti) хорошо согласуется с необычно высокой плотностью (3,1-3,5 грамма на кубический сантиметр), о которой сообщалось ранее. Как анализ альфа-рассеяния Surveyor, так и оптические исследования указывают на то, что маревые ма-териалы могут иметь значительно более высокое содержание Fe, чем горные материалы. Если предположить, что плотность пород на Базе Транквилити характерна для других маревых областей, то можно сделать вывод, что значительные участки лунной поверхности, в частности маревые области, могут состоять из материалов с плотностью, превышающей среднюю плотность Луны.
Пожалуй, самым интересным и глубоким наблюдением, сделанным в ходе предварительной экспертизы, является большой возраст магматических пород из этого лунного региона. Возраст, определенный по K-Ar датировке, является как по своей сути, так и экспериментально неопределенным; но вполне вероятно, что возраст пород. привезенных астронавтами, может быть древнее самых древних пород на Земле.
