Георадар марсохода Perseverance позволил впервые исследовать марсианскую поверхность в разрезе и получить первый настоящий геологический разрез вдоль трёхкилометрового участка пути по дну древнего кратера. Но глубина «просвечивания» марсианских недр составляет пока всего 15 метров под поверхностью.
18 февраля 2021 года марсоход Perseverance высадился в кратере Jezero в северном полушарии Марса. С тех пор он исследует этот район и ищет свидетельства прошлой (или, если повезёт — теперешней) жизни, повторяя задачи другого марсохода Curiosity, только со сдвигом на десять лет и с более совершенным научным инструментарием. Теперь задача нового марсохода — ещё и сбор образцов, которые запаковываются в контейнер и ожидают отправки на Землю. Это будет первая экспедиция с возвращением проб марсианского грунта.
Но и до возвращения контейнера с образцами (это событие произойдёт примерно через десять лет) у планетологов в распоряжении есть много полезных данных с марсохода. Кроме обычных задач по спектроскопическому анализу образцов на месте, он решает ещё и задачи геологоразведки, исследуя глубинное строение планеты при помощи радарной съёмки. В новом исследовании геофизики UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анжелесе) и университета в Осло проанализировали данные марсианского георадара и определили, что слои пород на месте съёмки под марсоходом наклонены по отношению к плоскости горизонта. Такие необычные участки могли образоваться из-за потоков лавы, медленно охлаждавшейся после выхода на поверхность, или же могут быть отложениями подземного озера. Статья по результатам первой радарной съёмки Марса вышла в августе 2022 года в Science Advances.
Из 60 локаций-кандидатов NASA выбрала кратер Jezero для посадки марсохода проекта «Марс-20», тогда ещё названия не имевшего. Кратер находится на равнине Syrtis Major, разделяющей две планетарные структуры марсианского рельефа: южные высокогорья и северную область низин. Его диаметр 45 километров, и в древности он, возможно, был озером. Его выбрали в качестве места посадки из-за разнообразия типов представленных там горных пород и особой геологической палеообстановки — древняя дельта реки, втекающей в кратер. Как и марсоход Curiosity, он занимается наиболее интересным ранним периодом истории Марса (нойским, или, возможно, более поздними эпохами), когда на поверхности Марса была жидкая вода. Perseverance сейчас находится на месте дельты на западной оконечности кратера. Впадающая в озеро река оставляла на своём пути мощные слои отложений. Изначально, по-видимому, это была грязь и камни, которые река захватила с собой по пути — всё как и на Земле.
Геофизики анализировали информацию инструмента марсохода RIMFAX (Radar Imager for Mars subsurFAce eXperiment), который провёл первый в истории сеанс глубинной съёмки на Марсе. Съёмка покрывает путь марсохода длиной 2,6 км по кратеру Jezero и «просвечивает» грунт на глубину около 15 метров. Обработанный массив георадара — данные с момента начала движения марсохода до 19 сентября 2021 года, или сол (марсианские сутки) 204. На изображениях радара видна слоистая структура пород до этой глубины, как и на земных сейсмограммах и радарограммах. Самый интересный пока геологический результат — слои не горизонтальны, а наклонены к горизонту под углом 15°. В геологии такую конфигурацию называют моноклинным залеганием. Ещё более необычно то, что на некоторых участках слои на разных глубинах могут быть наклонены под разными углами и в разных направлениях. Такие конфигурации называют несогласиями (unconformity). На Земле они, как правило, обозначают перерыв в осадконакоплении, какие-либо другие изменения плавности геологической истории или выпадение промежуточной части «геологической летописи» из нашего поля зрения — скажем, соответствующий участок морского дна на какое-то время поднялся на сушу и часть его геологических слоёв съела эрозия.
Промежуточный результат геологической съёмки, поверхностной или, как в данном случае, глубинной — построение геологического разреза, то есть «вида сбоку» на слои горных пород в глубине. Двумерный разрез — пока самая популярная форма представления структуры недр у геологов, хотя и не единственная. Например, ещё «до компьютеров» использовались трёхмерные схемы в перспективной проекции — блок-диаграммы. Но геологический разрез, особенно если в распоряжении нет данных по глубинному строению — это интерпретация данных с экстраполяцией. Такие чертежи недр часто определяются опытом и интуицией того, кто их составляет, и во многих случаях допустимы разные варианты. Возможно, в будущем здесь есть где развернуться системам искусственного интеллекта; но пока что автоматизированное построение разрезов находится в начальном состоянии, хотя соответствующие разработки (экспериментальные программы для автоматического построения геологических разрезов) имеются. Если есть глубинная радаро- или сейсмосъёмка или данные по скважинам — информации в распоряжении больше, но и тогда у геолога остаётся поле фантазии. На рисунке представлен первый марсианский геологический разрез из указанной статьи планетологов в Science Advances: читатель может оценить «правильность» его составления или попробовать предложить свою интерпретацию.
Принцип работы георадаров, включая инструмент RIMFAX состоит в посылании в грунт электромагнитных импульсов радарной частоты (диапазон микроволн), которые проникают на некоторую глубину в почву и отражаются от границ внутренних слоёв, снова поступая на приёмник радара с некоторой задержкой. По времени задержки можно определить глубину залегания границы. В отличие от сейсморазведки, здесь речь идёт о распространении электромагнитных волн, поведение которых в веществе даёт возможность определить электромагнитные свойства пород, в частности, определить диэлектрические свойства и проводимость. На Земле это дало бы привязку и к составу пород, например, так можно определить наличие водного горизонта или пласта, содержащего металлы. Если радар перемещается по некоторой линии (трансекте), в процессе движения глубина залегания границы может меняться, и после обработки данных видно, что соответствующий глубинный слой залегает не горизонтально. Он может быть наклонён под некоторым постоянным углом, а может быть вообще измят в складки — пока что, к сожалению, такой случай мы видим только в земной геологии. Моноклинное залегание пород — вторая по простоте конфигурация слоёв в структурной геологии (самое простое — это, разумеется, горизонтальное залегание). Но пока что для Марса обнаружение хоть такой структурной формы под поверхностью — успех.
Самое вероятное объяснение наклона глубинных слоёв — это вулканический материал, например, застывшие лавовые потоки, а участок местности через некоторое время после застывания лавы испытал тектоническое поднятие. Но не исключается и другое объяснение: слои пород имеют осадочное происхождение — обычная картина на Земле, когда дно водоёма от озера до океана постепенно выстилается опускающимся вниз материалом. До высадки Perseverance существовало множество гипотез о происхождении и природе материала, выстилающего дно кратера. Данные радарного зондирования сужают диапазон возможных объяснений, но пока что, как мы видим, даже нельзя уверенно определить, о каком из основных классов пород идёт речь (магматических или осадочных).
Данные, собранные в рамках эксперимента RIMFAX, станут особо полезными, когда примерно через десять лет образцы пород, которые сейчас собирает Perseverance, доставят на Землю. Геологические разрезы, составленные при помощи радара марсохода, дадут необходимый контекст для образцов. Тогда, наверное, и удастся получить ответы на вопросы о том, когда, где и как долго Марс располагал массами текучей воды на своей поверхности, исчезли ли эти климатические условия постепенно или же высыхание сменялось возвращениями периодов влажного климата. Что ещё важнее, планетологи наконец смогут ответить, возможны ли были в принципе на Марсе условия, в которых могла бы развиться жизнь.
