Луна как космический объект с богатой геологической историей продолжает открывать ученым множество загадок, касающихся её внутреннего строения и процессов формирования. Возвращение образцов лунного грунта и камней с помощью китайской миссии Чанъэ-5 в 2020 году стало важным этапом в изучении магнитизма и вулканизма нашего спутника. Среди привезенных образцов особое внимание привлекли базальты возрастом около двух миллиардов лет — самые молодые лунные изверженные породы, когда-либо исследованные в лабораторных условиях. Эти базальты позволили пересмотреть существующие взгляды на внутреннюю тепловую эволюцию Луны и объяснить природу её затухающей магматической активности в более поздние геологические эпохи. В центре новых исследований лежит вопрос о том, почему магматическая активность Луны сохранялась значительно дольше, чем ожидалось по классическим концепциям охлаждения твёрдого тела.
Ключевой ответ кроется в особом механизме нагрева – так называемом «верхневом» или «нагреве сверху», обусловленном наличием слоя богатого радиоактивными элементами материала под лунной корой. Базальты Чанъэ-5 предоставили уникальные данные, позволяющие уточнить глубину их источника и химический состав мантии, что, в свою очередь, проливает свет на распределение радиоактивных элементов и характер теплового потока внутри Луны. Анализ изотопного состава, в частности соотношений стронция и неодима (Sr-Nd), показал, что источники базальтов не содержали значительного количества компонента KREEP – богатой калий, редкоземельными элементами и фосфором породы, известной как главный драйвер длительного магматизма на Земле и Луне. В отличие от прежних предположений, KREEP не погружался в глубокие слои мантии и не служил источником тепла изнутри. Вместо этого он сохранялся в субкрусталном слое и нагревал мантию сверху вниз, таким образом продлевая время активности расплавов и извержений.
Совокупность экспериментов при высоких давлениях и температурах позволила определить, что исходная магма формировалась на глубинах от 75 до 130 километров, а не на предельно больших глубинах, как считалось ранее. Это соответствует глубинам верхней мантии, где плагиоклаз – один из важных кристаллических компонентов – остается стабильным. Отсюда следует, что магматизм позднего периода был вызван именно локальным тепловым воздействием со стороны этого богатого радиоактивными элементами субкрусталного слоя. Моделирование термической эволюции с применением современных численных методов подтверждает, что присутствие слоя KREEP под корой могло повысить температуру мантии на сотни градусов в течение миллиардов лет, создавая условия для частичного плавления пород и образования базальтовой магмы. Обогащённая радиоактивными элементами подповерхностная грунтовая прослойка действует как эффективный локальный источник тепла, при этом сама кора, являясь низкотеплопроводной, предотвращает быстрое излучение тепла в космос.
Этот сценарий согласуется с наблюдаемой концентрацией лунного вулканизма, преимущественно локализованного на обращенной к Земле стороне Луны, а также с геохимическими особенностями собранных образцов. Несмотря на то, что ранние модели предполагали глубокое перемещение KREEP и нагрев мантии снизу, новые данные позволяют сделать вывод о том, что KREEP остался в верхних слоях, где его радиоактивный распад обеспечивал длительное тепловое воздействие на мантию. Это имело критическое значение для генерации магмы и поддержания магматического процесса после того, как традиционные источники тепла в глубинах Луны затухли. Более того, глубина формирования магматических пород, установленная экспериментами, перекликается с геологическими исследованиями и модельными прогнозами распространения радиоактивного тепла в лунной коре и верхней мантии. Такой подход помогает понять, как примитивные по составу горные породы могли оставаться плавкими в течение длительного времени, давая вулканизму шанс сохраняться даже после основной фазы затухания.
Следует отметить, что отсутствие значительного влияния KREEP в глубинных источниках магмы соответствует изотопным признакам, полученным из образцов, и не противоречит общей эволюционной истории Луны. Кроме того, локальные тепловые аномалии, связанные с радиогенными элементами, могли также объяснить появление и рождение уникальных силлитических вулканических образований, например, известные лунные купольные структуры рядом с местом посадки Чанъэ-5. Эти купола, богатые торием, предполагают наличие мощных локальных тепловых источников, способных расплавить хрупкую кору и сформировать неглубокие интрузии или даже излияния более кислых пород. Накопленные знания побуждают переосмыслить роль внутренних процессов при планетарной эволюции спутников и мелких тел, где не всегда доминирует «тепло изнутри». Механизмы кондуктивного нагрева от обогащенных радиоактивными элементами слоев могут играть решающую роль в термическом состоянии верхней мантии и влиянии на длительное сохранение вулканической активности.
