Roques ígnies fracturades saturades amb aigua líquida en l’escorça mitjana de Mart

Hidrologia: Fa 3.000 milions d’any Mart era un planeta amb cossos considerables d’aigua líquida a la superfície, encara que tinguessin un caràcter estacional o periòdic. On ha anat a parar tota aquesta aigua? Se suposa que una bona part s’haurà volatilitzat cap a l’espai exterior, però també una part hauria quedat segrestada en la subsuperfície del planeta. Vashan Wright, Matthias Morzfeld i Michael Manga han volgut avaluar aquests processos de segrest a través de models de física de roques i inversió bayesiana. L’objectiu era identificar combinacions de litologia, saturació d’aigua líquida, porositat i formes de porus de l’escorça mitjana de Mart (situada a una fondària d’entre 11,5 i 20 km) que fossin coherents amb les dades recopilades per l’estació InSight de la NASA pel que fa a velocitats sísmiques i de gravetat. En un article a la revista PNAS, Wrigth et al. expliquen que les dades existents s’expliquen millor amb una escorça mitjana formada per roques ígnies fracturades que es trobarien saturades d’aigua líquida. Això corrobora la idea que el cicle de l’aigua a Mart no es pot entendre sense el component de la litosfera. També ajuda a entendre el destí dels antics llacs superficials de Mart. Més enllà de l’interès hidrològic, aquestes estimacions poden orientar la recerca sobre formes de vida fòssils o actuals a Mart. I, ja en el pla pràctic, encara que sigui per a dècades o segles venidors, orienta sobre l’accés a recursos hídriques en l’exploració i colonització del planeta vermell.

Estructura interna de Mart

Un treball de simulació

Vasan Wright és professor associat de geofísica a la Scripps Institution of Oceanography. Matthias Morzfeld és professor associat de matemàtiques a la mateixa institució. Michael Manga és professor de geologia de la UC Berkeley.

Wright i Manga dissenyaren aquesta investigació. Els tres realitzaren la recerca, aportant-hi noves eines analítiques i analitzant les dades. Els tres redactaren l’article que trameteren a Proceedings of the National Academy of Science el 18 de maig. David Kohlstedt, de la University of Minnesota, s’encarregà de l’edició. L’article fou acceptat l’1 de juliol i publicat ahir dia 12.

Wright i Manga agraeixen el suport rebut del programa Earth4D del Canadian Institute for Advanced Research i del projecte NSF PHY-1748958 del Kavli Institute for Theoretical Physics. Morzfeld rep suport del projecte N00014-21-1-2309 de la US Office of Naval Research. També tenen paraules d’agraïment per l’equip de la NASA InSight.

L’aigua de Mart

Podem dividir la història de Mart en quatre eres:
- la pre-noaica abasta des de l’acreció i diferenciació del planeta, fa 4.500 milions d’anys, fins a la formació de la conca d’impacte Hellas.
- l’era noaica es defineix per la formació de les superfícies actuals més antigues del planeta, com ara Noachis Terra, entre fa 4.100 i 3.700 milions d’anys.
l’era hespèrica es caracteritza per la formació d’extenses planes de lava com Hesperia Planum. Transcorre entre fa 3.700 i 3.000 milions d’anys.
- l’era amazònica és l’actual. Els darrers 3.000 milions d’anys a Mart han estat relativament avorrits. Les regions amazòniques, no obstant, tenen una variabilitat notable, ja que malgrat tot a Mart han continuat havent-hi processos de fluxos superficials de lava, d’activitat glacial i de fluxos d’aigua líquida.

De tota manera, tot indica que fou en les eres noaica i hespèrica quan la hidrosfera de Mart assolí la major pregonesa. Ni que fos de manera episòdica llavors a la superfície Mart hi havia rius, llacs, oceans i aqüífers. La decadència de la hidrosfera superficial marciana, però, també es covà en aquells períodes, ja que durant el noaic i l’hespèric hi hagué una pèrdua més o menys continuada d’atmosfera cap a l’espai exterior.

Entrat ja en l’era amazònica, a Mart ja no podien haver cossos persistents d’aigua líquida a la superfície. On anà tot aquesta aigua? Teòricament els destins principals haurien estat:
- la incorporació en minerals (roques evaporítiques, etc.).
- l’enterrament en forma de gel (gel subsuperficial).
- el segrest en aqüífers profunds (aigua líquida subsuperficial).
- l’escapament en forma de vapor d’aigua cap a l’espai exterior.

Wright et al. consideren que les mesures geofísiques obtingudes per missions orbitals i de superfície poden oferir informació sobre la presència d’aigua en la subsuperfície profunda. La NASA InSight fou una missió d’exploració interior de Mart a través d’una estació de superfície a Elysium Planitia que feia investigacions sísmiques, de geodèsia i de transport de calor. La NASA InSight recollí dades durant més de quatre anys (2018-2022). De les mesures de terratrèmols de la NASA InSight se’n deriven velocitats sísmiques que fan pensar que la distribució d’aigua subsuperficial a la Elysium Planitia no pot donar-se a profunditats inferiors de 20 km. Les velocitats d’ona de cisalla (V_s) i de compressió (V^p) fan pensar que en els 300 metres més superficials de la localitat de l’InSight hi havia una escorça seca integrada per sediments mínimament cimentats (amb un percentatge porós inferior al 2%). El valor de V_S en els primers 8 km de l’escorça de sota de l’InSight és inferior al que hom esperaria en una criosfera saturada de gel. Entre 8 i 20 km sota l’InSight hi hauria una escorça que podria ser màfica i altament porosa o potser fèlsica i menys porosa.

Wright et al. revisen ara les dades de V_s, V_p i de densitat (ρ_b). Consideren que són compatibles amb porus saturats d’aigua en l’escorça mitjana, és a dir a una fondària situada entre 11.5 ± 3.1 i 20 ± 5 km. Això seria vàlid per a la regió situada en un diàmetre de 50 km al voltant del punt d’estacionament d’InSight.

L’escorça mitjana de Mart ha estat definida d’acord amb les dades sísmiques d’InSight, però podria tindre un caràcter global. A mesura que hom obtingui dades de V^{p i de gruix de capes d’altres localitats hom tindrà una imatge més completa.}

En la part més alta de l’escorça mitjana les temperatures actuals serien prou altes perquè, juntament amb la pressió, l’aigua existent es trobés establement en estat líquid. Ara bé, els porus on hi hauria aquesta aigua tendirien a tancar-se en la zones més fondes de l’escorça mitjana.

Wright et al. han utilitzat la inversió bayesiana i un algoritme de Monte Carlo de cadena de Markov (MCMC) per identificar combinacions de sis paràmetres litològics:
- la ratio α d’aspecte de fora de porus.
- la porositat ϕ.
- la saturació d’aigua líquida γ_w.
- el mòdul mineral a l’engròs κ_m.
- el mòdul mineral de cisalla μ_m.
- la densitat mineral ρ_m.

L’objectiu es trobar les combinacions que millor reprodueixen els valors observats de V_p, V_s, and ρ_b. Els càlculs combinen les equacions de velocitat sísmica, el model de física de roques autoconsistent de Berryman i les equacions de Gassmann-Biot.

La combinació que més ben explica aquestes dades observades és una escorça mitjana integrada per roques ígnies amb fractures primes que serien plenes d’aigua líquida.

Les bases d’algunes assumpcions

Hom no disposa d’una estimació precisa de la densitat de l’escorça mitjana de Mart. El ròver Curiosity, en la seva exploració del cràter Gale, ofereix dades sobre densitat de materials de diferents sectors verticals de l’escorça marciana. Cal assumir que la densitat de l’escorça de Mart puja amb la fondària, i que arriba un moment, potser més enllà dels 20 km, on la densitat d’escorça reprodueix ja la densitat d’un mineral sense porus.

Les implicacions d’aquesta combinació

El valor més probable de γ_w és del 100%. La porositat ϕ seria de 0,17±0,07 i l’aspecte α de 0,19±0,18, la qual cosa significa unes fractures primes.

Wright et al. seguidament fan una expansió dels paràmetres minerals sobre els que treballa l’algoritme MCMC. Cal fer pujar la ρ_m per damunt de 4000 kg·m^-3 perquè el valor de γ_w comenci a ballar. Però aquest valor de densitat també implicaria una major porositat, i ni l’una ni l’altra casen amb les dades que ens aporta l’estudi de meteorits marcians o amb les dades de porositat de materials obtingudes per ròvers marcians.

Si realment l’escorça mitjana de Mart conté aigua fins a la saturació dels seus pors això té implicacions sobre la quantitat total d’aigua al planeta i també sobre el cicle hidrològic actual. La representativitat de la localitat de l’InSight sembla afavorida per dades d’altres localitats. De fet amb l’aigua hipotetitzada hom podria ocupar diverses vegades el volum dels oceans antics de Mart. L’escorça de Mart, doncs, no hauria perdut la major part de l’aigua per escapament atmosfèric.

Per al cicle hidrològic és cabdal conèixer les condicions de permeabilitat i temperatura que permetria el bescanvi d’aigua entre l’escorça mitjana i capes més superficials de la litosfera. Això requereix disposar de dades més robustes i representatives de la mineralogia i composició de l’escorça marciana.

Lligams:

- Liquid water in the Martian mid-crust. Vashan Wright, Matthias Morzfeld, Michael Manga. PNAS 121: e2409983121 (2024).

- Gebrades matinals dalt dels volcans tropicals de Mart. (12/06/2024)

- El casquet antàrtic de Mart consisteix en glaç aquós en un 90% (18/03/2007).