Вокруг Марса всегда ходило множество теорий и гипотез. Важнейшими вопросами было наличие жизни на этой планете и возможность путешествия или даже заселения, однако человеческая экспедиция пока так и не достигла Марса, что усложняет поиск ответов.
Что же стало решением этой проблемы? Определение ориентаций марсианских горных пород, собранных марсоходом Perseverance.
Данное открытие ученых Массачусетского технологического института дает возможность расширенного изучения геологии, климата, структуры Марса, а также истории развития от зарождения Красной Планеты до сегодняшнего дня!
В этой статье я подробно опишу идеи, методы и ход работы геологов, важнейшие теоретические и практические аспекты с подробными таблицами и реальными снимками с марсохода 🙂
Стань частью космических открытий! Приятного чтения 🙂
Введение в идею исследования
Начнем с главного члена проекта, без которого это исследование не состоялось бы – марсохода Perseverance.
Марсоход Perseverance, также известный как Mars 2020 Perseverance Rover, является марсоходом, который был изготовлен Лабораторией реактивного движения NASA и отправлен на Марс в рамках миссии NASA Mars 2020 30 июля 2020 года.
Адам Штельцнер — главный инженер проекта Mars 2020, занимался подготовкой полета и созданием марсохода. Он также разработал систему возврата образцов марсианского грунта на Землю для дальнейшего изучения.
Основная задача исследования – пробурить образцы горных пород и доставить их обратно на Землю. Будущие лабораторные исследования этих образцов нацелены на анализ истории климата Марса, его внутренней структуры и возможной пригодности для жизни в прошлом.
Самая ценная информация – ориентация горных пород относительно географических координат Марса. В связи с этим, в данной работе демонстрируется разработка методики ориентирования кернов, пробуренных марсоходом, и ее применение к первым и удачным 20 образцам.
Как и все методы ориентирования трехмерных объектов, для этого требовалось измерить три угла Эйлера (Roll, Yaw, Pitch).
Исследователям удалось измерить первые два угла, используя известную ориентацию бура (сверла) марсохода во время бурения, третий угол определили, используя фотографии на поверхности обнажения перед бурением.
Обнаруженные керны являются первыми географически ориентированными образцами коренных пород с другой планеты!
Важнейшие теоретические основы исследования
Марсоход Perseverance в настоящее время исследует кратер Езеро. Езеро – это сложный ударный кратер диаметром 45 км, расположенный в регионе Нили Планум, который образовался где-то в период от раннего до позднего ноаха.
Поздний Ноах (Late Noachian) – это эпоха в истории Марса, которая охватывает временной период примерно от 4,1 до 3,7 миллиардов лет назад. Во время позднего Ноаха происходили значительные геологические процессы на Марсе, такие как вулканизм, формирование кратеров, а также возможно образование рек и озер.
Первоначальное дно кратера было покрыто магматическими породами, вероятно вулканическими и/или интрузивными (магматические горные породы, образовавшиеся в результате кристаллизации магмы, внедрившейся в толщи земной коры и мантии), за которыми следовали обломочные осадочные материалы, предположительно речно-дельтового происхождения.
К настоящему времени марсоход исследовал дно кратера, фронтальную часть, верхний веер и край кратера и собрал 20 удачных кернов магматических и осадочных пород. В отличие от метеоритов и почти всех возвращенных образцов с Луны и астероидов, 18 из 20 кернов горных пород, являются образцами однозначных коренных пород in situ* (находящихся в их естественной среде).
*Также возможен сбор реголита. Реголит – это поверхностный слой раздробленных минералов, пород и пыли, который покрывает твердую скальную поверхность планеты, спутника или астероида. На планетах и других небесных телах, у которых есть атмосфера, реголит образуется в результате метеоритного дождя, ветровой и водной эрозии (процесс, при котором материал земной поверхности разрушается и перемещается под воздействием естественных факторов), а также других процессов. Однако определение ориентации реголита невозможно → в данном исследовании не рассматривается.
Керн – это цилиндрический образец горных пород, полученный при бурении скважины. Керн содержит информацию о структуре горных пород, их составе, плотности, пористости, и других важных характеристиках.
Отобранные образцы и их последующая ориентация служат основой для палеомагнитных исследований, необходимых для определение направления и интенсивности естественной остаточной намагниченности. В частности, ориентированные образцы коренных пород позволили бы провести первые измерения направленности магнитного поля другого планетарного тела в прошлом.
Это возможно, потому что породы при своем образовании намагничиваются по направлению геомагнитного поля того времени + приобретенная намагниченность сохраняется (хотя бы частично) в образце, и, соответственно, может быть выделена.
Важно понимать, что по большей части исследования зависят от понимания времени, когда порода приобрела свои палеомагнитные характеристики.
Такое исследование ориентации магнитного поля и его изменений на Марсе может быть использовано для проверки гипотезы о том, что ослабление раннего магнитного поля Марса привело к потере атмосферы на планете. Эта гипотеза предполагает, что без магнитосферы, защищающей атмосферу от солнечного ветра, часть атмосферы Марса могла быть развеяна в космосе, что привело к тому, что планета стала беднее атмосферой и водой.
Данные о палеонаправленности также могут быть использованы для изучения секулярной вариации динамо и поиска геомагнитных инверсий, тем самым ограничивая эволюцию внутренних районов Марса и потенциально создавая магнитостратиграфическую шкалу времени.
Секулярная вариация динамо — это изменения с течением времени магнитного поля планеты, которые не связаны с переворотами магнитных полюсов или иными краткосрочными флуктуациями, а представляют собой постепенные и плавные изменения в магнитном поле.
Геомагнитные инверсии (или магнитные полярности) — это периодические изменения направления магнитного поля Земли, когда магнитные полюса меняют свое местоположение (северный полюс становится южным, и наоборот). Такие инверсии происходят примерно раз в несколько сотен тысяч лет и документируются анализом геологических образцов.
Такие образцы также могут использоваться для седиментологических, вулканологических и структурно-геологических исследований. Ориентация ряби и переслаивания в осадочных породах, а также кристаллов в изверженных породах, могут определять направление потоков, которые образовали эти породы. Ориентация градиентов размеров зерен обломочных осадочных пород может указывать на изменения скоростей потока (например, осадочные породы, сформированные при низкой скорости осадконакопления, содержат более крупные зерна, так как частицы успевают слипаться и формировать более крупные структуры), в то время как ориентация градиентов размеров кристаллов и наличие везикул (пузырьков газа или жидкости) отражает относительное расположение охлаждающих поверхностей (например, верхушек лавовых потоков).
Наконец, ориентация микротрещин, двойникования и пластинок деформации может определять историю напряжений и деформаций пород (например, в результате ударов и эндогенных тектонических процессов).
Возвращаясь к полученному керну, из 20 успешных образцов 18 были получены из коренных пород in situ: 6 образцов были взяты из магматических пород (вероятно, вулканических и богатых оливином), а остальные 12 – из осадочных пород (алевролитов и песчаников либо с объемным базальтовым, либо с сульфатным составом). Оставшиеся 2 керна (Montdenier и Montagnac) были взяты из пластинчатого магматического валуна диаметром ∼ 40 см, который был наклонен по-разному относительно соседней скальной породы и перемещался в ходе бурения.
Будущие лабораторные измерения этого уникального набора образцов в совокупности должны позволить провести многие из вышеупомянутых исследований магматической, седиментологической, тектонической и магнитной эволюции Марса.
Основные методы ориентации пород
Ориентирование керна с помощью отборочного бура
Образцы отбираются с помощью кернового бура, механизма ударно-вращательного бурения на конце рычага марсохода.
В буре используется коронка (цилиндр из нержавеющей стали наружного диаметра 27 мм, длиной 185 мм, покрытый нитридом титана и снабженный 4 зубьями из карбида вольфрама), содержащая внутреннюю пробоотборную трубку. Образцы керна обычно имеют диаметр 13 мм и длину 61-81 мм, так что типичный разрез составляет 7 мм. Бур позволяет получать керны под углом до 10 ° между осью бура (вектор наведения) и нормалью к поверхности и под углом до 110 ° к местной силе тяжести (т.е. на 20 ° выше географической горизонтали).
Перед бурением поверхность обнажения снимается с высоким разрешением (≈ 25-30 мкм при типичном расстоянии 6-7 см) с помощью камеры WATSON. Затем сверло размещают чуть выше поверхности обнажения с погрешностью горизонтального сверления, которая обычно составляет ± 5,4 мм (3σ), но иногда ±9,4 мм (3σ). После размещения два стабилизатора по обе стороны от коронки вдавливаются в поверхность породы (это называется предварительной загрузкой).
Затем коронка постепенно продвигается в породу, вырезая цилиндрический пропил каменной муки. По завершении бурения стабилизаторы разгружаются, и вращение корпуса сверла вокруг оси, смещенной от центра пробоотборника, разрушает керн под действием давления сдвига. Наконец, из обнажения извлекается коронка, теперь с образцом породы внутри внутренней пробирки для образцов. После получения изображения дна керна (т. е. внутреннего конца) с помощью камеры системы кэширования (CacheCam) образец хранится в кэше внутри корпуса марсохода.
Поскольку цилиндрические боковые стенки коронки по существу параллельны стволу скважины, исследователи оценивают ориентацию керна, ориентируя сам бур. Поскольку ориентация бура может незначительно изменяться во время бурения, было решено выбрать ориентацию вектора наведения бура сразу после завершения бурения, но перед разгрузкой стабилизатора, как показатель средней ориентации вектора наведения керна. Хотя, как будет продемонстрировано позже, обнаружили, что угол ориентации бура обычно изменяется на ≲ 0,7 ° (3σ) во время бурения.
Сам процесс оценки ориентации керна включает шесть систем координат, которые ориентируют образец относительно марсохода Perseverance и Марса.
Все описанные здесь системы отсчета являются декартовыми и правосторонними. В работе используется вектор Ak для общего обозначения единичного вектора для конкретной декартовой оси, k = x, y, z, связанного с конкретной системой отсчета A, такого, что Ax = [1, 0, 0], Ay = [0, 1, 0] и Az= [0, 0, 1].
Сначала необходимо рассмотреть системы отсчета, описывающие положение марсохода и его подсистем относительно друг друга. Система координат марсохода (Rx, Ry, Rz) зафиксирована относительно корпуса марсохода, для этой системы ввели вектор Rx указывающий по направлению вперед, Ry указывающий на правый борт, Rz направленный вниз. Система отсчета при бурении состоит из вектора Dx, направленного вдоль оси бурения в сторону от корпуса марсохода, Dy направленного перпендикулярно оси, содержащей два стабилизатора, и Dz направленного вдоль оси стабилизатора. Аналогично, система координат камеры WATSON (Wx, Wy, Wz) состоит из вектора, Wx, указывающего в плоскости изображения в сторону обнажения, Wy направленного в плоскости изображения в верхнюю его часть, и Wz направленного в плоскости изображения вправо.
Кроме того, существуют системы отсчета, определяющие ориентацию марсохода относительно Марса. Географическая система координат Марса (Gx, Gy, Gz) является фиксированной системой независимой от положения и ориентации марсохода. Север Марса (N) расположен вдоль Gx, восток (E) вдоль Gy, а надир лежит вдоль Gz. Север указывает на полюс вращения Марса, восток лежит в средней экваториальной плоскости планеты, а надир указывает на центр масс Марса.
Надир – это точка на небесной сфере, противоположная зениту над точкой наблюдения. Надир находится прямо под этой точкой и указывает направление космоса непосредственно вниз от этой точки.
Вторичная система координат местности (Sx,i, Sy,i, Sz,i) – это совокупность i систем отсчета, жестко закрепленных относительно местной поверхности в различных местах, изученных марсоходом, каждая из которых представляет собой оценку географической системы отсчета Марса. Север Марса, по оценкам, расположен вдоль Sx,i, восток – вдоль Sy,i, а надир – вдоль Sz,i.
*Однако в ходе работы будут отождествлять общую географическую систему координат Марса и его отдельных местностей.
Наконец, исследователи определили основную систему координат керна, как вектор Сx, направленный вдоль керна к выходу на поверхность, Сy направленный вверх по самому крутому направлению плоскости, перпендикулярной Сx , и вектор Сz, лежащий в географической горизонтальной плоскости Марса.
Геометрические величины, определяющие ориентацию керна
Ориентация твердого тела в трехмерном пространстве может быть параметризована представлением ось-угол, состоящим из единичного вектора, указывающего направление оси вращения, и угла, определяющего величину вращения вокруг этой оси.
Поскольку единичный вектор сам описывается двумя углами, в общей сложности требуется три угла для описания ориентации тела.
Для ориентации керна соответствующим единичным вектором является вектор его направления Сx, ориентация которого определяется углами наклона (hade) H и азимутом A, в то время как вращение вокруг этой оси определяется углом крена (roll) α.
При реализации вычислений на основе этого и других уравнений понимается, что все векторы выражены в одной системе отсчета. Следует отметить, что H = 90° − D, где D – уклон, угол относительно горизонта площадки Сx. Азимут – это угол по часовой стрелке между севером площадки ( Sx) и проекцией вектора Сx на горизонтальную плоскость площадки proj Sx,- Sy(Сx).
Крен определяется как угол по часовой стрелке от исходного направления на изображении WATSON.
Кватернионы
Кватернионы – это математический объект, используемый для представления и работы с поворотами в трехмерном пространстве. Они состоят из одного вещественного скаляра и трех перпендикулярных векторов.
Миссия Mars 2020 описывает преобразования координат с использованием кватернионов, которые обеспечивают эффективный способ выполнения вращений в трех измерениях с использованием четырехмерного расширения комплексных чисел.
Кватернион определяется как:
где а, b, c и d — это действительные числа, а i, j и k — мнимые числа, удовлетворяющие условиям:
Кватернионы позволяют вращать точку или вектор под некоторым углом θ вокруг оси, определяемой единичным вектором:
как
где
Уравнение 4 описывает простой метод преобразования данных об ориентации марсохода между различными системами координат (описанными выше), используя кватернионы поворота. В данном случае Q* обозначает комплексно-сопряженный кватернион Q, где a, b, c, d – соответствующие компоненты.
Процедуры оценки ориентации керна
Определение Н и А
Исследователи используют величину Dx, полученную сразу после бурения и перед выгрузкой. Направляющий вектор Dx,DRILL = [1, 0, 0] можно преобразовать из системы бурового станка в систему координат местности, произведя сначала поворот в систему марсохода. Кватернионы, описывающие преобразование из системы бурового станка в систему марсохода QDb(td), и из системы марсохода в систему местных точек, Qbll(td), сразу после бурения, предоставляются метаданными марсохода.
В частности, ориентации бурового станка и марсохода сообщаются как метаданные, связанные с изображениями фронтальной камеры Hazcam, сделанные примерно в момент времени td. Зная кватернионы, направляющий вектор в местной системе координат (Site) может быть рассчитан как:
Затем это проецируется на площадь площадки:
Затем Н и А можно определить, подставив уравнения 6 и 7, SZ,SITE= [0, 0, 1], и SX,SITE= [1, 0, 0] в уравнения 1 и 2.
Определение α
Для оценки крена требуется определить вращение керна относительно исходного направления. Этот угол нельзя оценить с помощью метаданных бурения марсохода, поскольку керн вращается неизвестным образом относительно пробоотборника и корпуса керна. Вместо этого используются изображения обнажений, сделанные до бурения с помощью WATSON.
Эти изображения могут быть зарегистрированы относительно верхней части керна с использованием вращательно-асимметричных особенностей места обнажения, где пробурен керн, и знания ориентации кадра WATSON на момент получения изображения, tW.
*Здесь используют ориентацию бурения, как показатель ориентации керна.
На практике исследователи обнаружили, что вектор направления бура и вектор направления WATSON могут быть наклонены друг относительно друга под углами от 0,2 до 38° в зависимости от керна.
Вертикальный вектор направления изображения, Wy,WATSON= [0, 1, 0], может быть преобразован из системы координат WATSON в систему координат местностей (Site), сначала повернув его в систему координат марсохода, а затем повернув в систему Site. Кватернионы, представляющие преобразование из системы координат WATSON в систему марсохода, QWb(tW), и преобразование в систему Site, Qbll(tW), на момент съемки WATSON предоставляются метаданными марсохода. Специально ориентации WATSON и марсохода фиксируются и сообщаются при съемке изображения WATSON. Зная кватернионы, направление изображения WATSON в системе Site можно рассчитать как:
Для преобразования направления Сy на изображении WATSON керна после его возвращения на Землю требуется идентификация вращательно-асимметричных элементов на поверхности естественного керна, включая конкреции или выпуклости, расщелины и другие отметки, которые будут легко узнаваемы.
Распространение ориентации на керн
Фактически, отбор керна с различной литологией горных пород показал, что практически все керны разрушились во время бурения. Хорошо затвердевшие породы со слабой слоистостью (например, базальты, базальтовые песчаники и риолитовые туфы) обычно давали фрагменты с хорошо сохранившимися плоскостями изломов. Однако при более мягкой и слоистой структурой (например, аргиллитов, гидратированных сульфатов) обычно образуются фрагменты в виде пластин или иногда даже измельченной гальки и гранул.
Для фрагментированных кернов полная ориентация может быть передана с внешней поверхности, изображенной с помощью WATSON, путем поворота фрагментов так, чтобы они подходили друг к другу и фиксировались на месте, как кусочки головоломки. Первая глубина, на которой куски не могут быть собраны таким образом в их первоначальную ориентацию, устанавливает максимальную глубину, на которую может быть передана полная ориентация с использованием изображений поверхности. Эта максимальная глубина сильно зависит от литологии керна; изображения пробных кернов QMDT показывают, что она составляет от ∼20% до 100% длины керна для твердых пород и ∼0%-40% для мягких и слоистых образцов.
Приложения к кернам Perseverance
Оценка колебания бура
Также было оценено изменение ориентации бура во время бурения. Отклонения для кернов (первых 12) определили, сравнив ориентацию бура сразу после загрузки стабилизаторов и непосредственно перед началом бурения с его ориентацией сразу после окончания бурения и перед выгрузкой стабилизаторов. Во всех случаях обнаружили, что изменения в наклонах и азимутах были <0,2° и 0,08° соответственно.
Из последних метаданных обнаружили, что 3σ отклонения (доверительный интервал) в Н и А составляют всего 0,031° и 0,68° соответственно по 8 кернам, поскольку последние оценки основаны на большем количестве измерений, чем двухточечные расчеты по первым 12 кернам.
Правило трех сигм (или правило 3σ) — статистическое правило, согласно которому примерно 99.7% данных в нормально распределенной выборке лежат в пределах трех стандартных отклонений от среднего значения. Это можно использовать для анализа данных и выявления аномалий или выбросов в распределении.
Основные ориентации
Ориентации первых 20 кернов горных пород, взятых марсоходом Perseverance, продублированы в таблице выше. Аннотированные изображения WATSON для каждого из кернов горных пород, обозначающие предполагаемые крены и направления на географический север Марса относительно поверхностей отбора керна, показаны на фотографиях ниже:
Обнаружили, что естественные поверхности обнажений большинства объектов для отбора керна имели устойчивую асимметричную маркировку, которую можно было использовать для ориентации керна. Однако исследователи пришли к выводу, что обнажение, предназначенное для двух кернов — Bearwallow и Melyn, — не имело таких естественных отметок, и поэтому отметили их с помощью SuperCam перед бурением.
В качестве проверки точности ориентиров ученые ожидают, что парные образцы, взятые из одного и того же обнажения, будут иметь схожие координаты и азимуты. Однако нет аналогичных ожиданий относительно крена, поскольку этот угол в значительной степени зависит от ориентации камеры WATSON, а не от внутреннего рельефа обнажения. Средняя разница в наклоне между парными образцами составляет 4,14°, в то время как средняя разница по азимуту составляет 7,98°.
Значения для установки для приема проб
Чтобы эти углы ориентации можно было использовать для научного анализа возвращенных образцов, Установка для приема образцов должна разработать процедуры для документирования относительной ориентации фрагментов керна в каждой пробирке для образцов. Это может включать рентгеновскую томографию и измерение естественной остаточной намагниченности пробирки для образцов перед извлечением образца и визуализацию образца после извлечения для документирования структуры и текстуры и других потенциальных показателей ориентации. Кроме того, чтобы можно было восстановить наклон, необходимо сделать изображение верхней части керна для сравнения с изображениями WATSON.
Заключение
Я, как будущий геолог, прихожу в восторг от таких исследований 🙂 Если на Земле ориентация пород и пластов важна для каких-то “банальных” и привычных для нас вещей, таких как строительство дорог, мостов, тоннелей или домов, то на Марсе это действительно ключ к разгадке истории планеты.
Также хочу вставить цитаты самих исследователей, демонстрирующие важность и масштабность проделанной работы:
“Существует так много научных вопросов, которые зависят от возможности знать ориентацию образцов, которые мы привозим с Марса”, – говорит автор исследования Элиас Мансбах, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.
“Ориентация горных пород может рассказать вам кое-что о любом магнитном поле, которое могло существовать на планете”, — добавляет Бенджамин Вайс, профессор планетарных наук Массачусетского технологического института. “Вы также можете изучить, как вода и лава текли по планете, направление древнего ветра и тектонические процессы, например, что было поднято, а что затонуло. Возможность ориентировать коренные породы на другой планете – это мечта, потому что это откроет так много научных исследований ”.
Я искренне верю в то, что, благодаря таким исследованиям, экспедиции на Марс станут реальностью, а не мечтами ученых, а также все загадки Красной Планеты будут разгаданы 🙂
На этом все!
Будем ждать Вас в комментариях! Спасибо за прочтение 🙂
