Насколько сухи лунные камни

Химики исследуют особенности дегазации силикатных минералов

В лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова и лаборатории геохимии мантии Земли Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) изучены особенности дегазации основных силикатных минералов в интервале температур 200–1000 С. Мотивацией данного исследования послужил значительный интерес к лунным недрам после успехов китайских лунных миссий «Чанъэ».

Фото: Александр Манзюк, Коммерсантъ

Фото: Александр Манзюк, Коммерсантъ

Выяснилось, что Луна не всегда была безнадежно «сухой», в определенные моменты ее эволюции в ее мантии могли находится вода, газы и летучие соединения. Природа их происхождения до сих пор непонятна, и необходимы дополнительные исследования. Как первый шаг, в настоящей работе была изучена дегазация основных силикатных минералов (оливины, пироксены, плагиоклазы), слагающих мантийные породы, близкие по химическому составу лунным морским базальтам. Это позволит лучше оценить запасы ценных ресурсов (вода и летучие соединения) в лунном реголите, которые важны для функционирования и эксплуатации будущей лунной базы. Результаты опубликованы в журнале Solar System Research.

С целью изучения состава газов, связанных с происхождением и удержанием воды и летучих соединений в планетных недрах, в ГЕОХИ РАН создана экспериментальная установка для дегазации минералов при высоких температурах. В ней используется прокаливание небольшого объема вещества в реакторе из цельного кварцевого стекла в инертной атмосфере гелия, который также используется в подключенном газовом хроматографе. Закрытая система продувается гелием до исчезновения следов атмосферных газов, что проверялось периодическим отбором газов через шприц с помощью хроматографа и занимало около двух часов. Анализ состава газов происходил на газовом хроматографе «Кристаллюкс-4000М», который позволяет определять содержание веществ с точностью до миллионных долей (ppm) при установленной градуировке прибора.

Для определения собственной летучести кислорода минералов глубинного происхождения использовалась высокотемпературная установка с двумя твердыми электролитами (на основе окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия), созданная в ГЕОХИ РАН Еленой Жарковой под руководством профессоров Арнольда Кадика и Олега Луканина. «Эта установка имеет возможность не только оценить поведение летучести кислорода в различном интервале температур, но и по калибровочной величине электродвижущей силы (ЭДС) также достаточно точно прямо измерить ее абсолютную величину. Предварительный химический анализ минералов был проведен на электронном микрозонде Cameca SX100. Использовались ток величиной 10 мА и напряжение 15 кЭв»,— прокомментировал старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова ГЕОХИ РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Воропаев.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по ступенчатому нагреву (без накопления) с определением состава выделяемых газов методами газовой хроматографии в интервале температур от 200 до 1000 °С. Проведено сравнение состава выделяемых газов с фугитивностью кислорода в оливинах. Получены КР- и ИК-спектры как исходных минералов, так и минералов после изотермического отжига при различных температурах. На их основе прослежен ход теплового преобразования кристаллической структуры минералов и получены оценки их устойчивости. Проведено сравнение составов силикатных минералов с образцами лунного грунта, доставленного космической миссией КНР Chang’e-5.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Внешний вид установки дегазации ГЕОХИ РАН

Внешний вид установки дегазации ГЕОХИ РАН

Фото: Предоставлено ГЕОХИ РАН

Внешний вид установки дегазации ГЕОХИ РАН

Фото: Предоставлено ГЕОХИ РАН

Сергей Воропаев, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое дегазация в минералогии и зачем она нужна?

— Газы и жидкости из родительского силикатного расплава (магмы), в котором кристаллизуются минералы, могут сохраняться в их структуре. Это могут быть пузырьки газожидкостных включений или рассеянные молекулы. При нагреве решетка минерала начинает деформироваться, и газы выходят наружу, причем начиная только с определенной температуры. Определяя химический и изотопный состав выделяющихся газов можно понять, сколько их было в магме и какие были условия кристаллизации.

— Как именно изучение дегазации земных минералов поможет ученым выяснить состав мантии Луны?

— Есть обоснованные предположения, что Земля и Луна произошли из единого источника вещества. Это показывает, например, изотопный состав лунных пород, доставленных миссиями «Луна-16–24» и «Аполлонами».

После формирования Луны как планеты у нее началась собственная история эволюции: она быстрее остыла, покрылась толстой корой и у нее не было тектоники плит, как у Земли. Соответственно, типичные земные силикатные минералы (оливины, пироксены, плагиоклазы) оказались в иных, нежели на Земле, условиях. Понимая в деталях их поведение и свойства на Земле, можно оценить их возможное поведение на Луне.

— Изучение дегазации — это только первый шаг в исследованиях. Какие будут следующие шаги?

— Важен не только количественный состав выделяющихся газов, но и их соотношение. Пропорции таких газов, как CO, CO2 и H2, СH4 (отдельная тема — N2, H2S), определяют окислительно-восстановительные (ОВ) условия в мантии Луны. Это важная геохимическая величина, от которой многое зависит — например, количество воды, сохраненное в лунном реголите. Экспериментальное и теоретическое исследование ОВ недр Луны с помощью лунных метеоритов и пород, доставленных миссиями Chang’e (КНР) и будущими миссиями «Луна-26–28», является следующим важным этапом.

— Как результаты экспериментальных исследований могут помочь в оценке запасов ценных ресурсов в лунном реголите? Почему эти запасы важны для функционирования будущей лунной базы?

— ОВ недр Луны определяют не только состав газов и количество воды в лунном реголите, но и формы нахождения ценных редких металлов. В зависимости от ОВ они могут находиться либо в виде оксидов, либо в самородном виде. От этого будет зависеть трудоемкость их добычи, переработки и применения.

Для долговременного функционирования лунной базы потребуются вода, азот, кислород и жизненно необходимые микроэлементы для систем гидропоники. Возможность и формы их нахождения в лунном реголите необходимо исследовать уже сейчас.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Внешний вид установки дегазации ГЕОХИ РАН.

Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...