On the Chronostratigraphy of Planetary Satellites and Asteroids: Absolute Surface Age Determination of Small Planetary Bodies: Scaling the Lunar Crater Chronology System

Abstract

This thesis aims to relate the understanding of the meteoritic bombardment in the Earth-Moon system to other dynamical regions of our Solar System. Resulting in a significant improvement in one of the key issues in the field of planetary sciences: the ability to date planetary surfaces from impact craters on bodies from the inner Solar System to the asteroid Main Belt and the giant planet satellites of the outer Solar System. This tool is key in understanding the geologic history of the investigated bodies since the terminal phase of planetary accretion about 4 Ga ago until today. The cratering records of planetary bodies and the related projectile dynamics in the inner Solar System are relatively well known from vast sets of remote sensing data of the Moon, Mars and to a lesser degree, Mercury. In the case of the Moon, absolute calibration of the measured crater frequencies was possible by radiometric dating of returned lunar rock and soil samples. For bodies in the asteroid Main Belt and beyond, in the outer Solar System, the smaller sets of remote sensing data, limitations in observations of projectiles, and incomplete models of projectile dynamics complicate the interpretation of the cratering records and thus the understanding of the geologic history of respective planetary bodies. The work presented in this thesis utilizes the lunar cratering record and adopts it with some customization for the investigated planetary bodies with significantly different impact environments than the Moon. By comparing the predictions of the lunar-like model and the observed cratering records at different locations in the Solar System (Martian satellite Phobos, Main Belt asteroids and Saturnian satellites) a significant increase in knowledge has been achieved about the projectiles’ origin and their dynamical characteristics. Applying the lunar-like cratering models to surface areas that are related to major geologic events on the investigated bodies allowed for the exploration of their individual geologic histories as well as, partially, their dynamical histories. A comparison of the geologic histories of the planetary bodies across the Solar System also offers a possibility to understand the development of the Solar System in many different aspects. Such aspects are for instance the projectile dynamics and collisional evolution of small bodies from the late stage planetary accretion until today. Stratigraphic relationships were used in order to test the lunar- like models and alternative models of other scientific working groups for consistency. Results from the Saturnian satellites Mimas and Iapetus, the Main Belt asteroids Vesta, Lutetia, Ida and Gaspra as well as the Martian satellite Phobos studied in this work showed that they are consistent with a lunar-like impact history.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis des Meteoritenbombardements im Erde – Mond System in einen Bezug zum Bombardement in anderen Regionen des Sonnensystems und möglichen Projektilpopulationen zu setzen. Dabei wird die Methode zur Datierung planetarer Oberflächen durch Meteoriten¬ein¬schlags¬krater vom inneren Sonnensystem auf die Körper des Asteroiden¬gür¬tels und die Mon¬de des äußeren Sonnensystems übertragen. Die vorliegende Arbeit liefert damit einen Beitrag in einem der zentralen Aufgabenfelder in der Planeto¬lo¬gie. Datierungen der planetaren Oberfläche sind der Schlüssel zum Verständnis der geologischen Entwicklung der unter¬such¬ten Körper seit der Endphase der Planetenentstehung vor etwa 4 Ga bis heute. Die Krater¬ver¬tei¬¬lungen auf den Körpern des inneren Sonnensystems und die Dynamik der entsprechenden Projektile werden durch die umfangreichen fernerkundlichen Daten¬sät¬ze von Mond und Mars bereits gut verstanden. Für den Mond konnten die gemes¬se¬nen Krater¬häu-figkeiten mit radio¬metrisch datierten Boden- und Gesteins¬proben kali¬briert werden. Für die Körper außerhalb des inneren Son¬nen¬sys¬tems, ist die Datenlage schwieriger und Modelle zur Projektilher¬kunft und -¬dy¬na¬mik schei¬nen unvollständig zu sein, wodurch Interpretationen zur beobachteten Kra¬ter¬ver¬teilung und zur geologischen Entwicklung der Körper erschwert werden. Die vorliegende Arbeit nutzt die lunare Kratergrößen - Häufigkeitsverteilung und passt sie als Model an die individuellen, zum Teil sehr stark vom Mond abweichenden, Einschlags¬bedingungen der untersuchten Körper an. Durch den Vergleich der Vorhersagen der mondähnlichen Mo¬delle mit den beobachteten Kraterverteilungen an verschiedenen Orten innerhalb des Son¬nen¬sys¬tems (inneres/äußeres Sonnensystem und Asteroidengürtel) konnte ein deutlich ver¬bes-ser¬tes Verständnis zur Herkunft der Projektile und ihrer dynamischen Eigenschaften erlangt werden. Die Anwendung mondähnlicher Kraterverteilungs¬modelle auf wichtigen geo¬lo¬gi¬schen Einhei¬ten erlaubt die Untersuchung der individuellen geologischen und z.T. dynamischen Ent¬wick¬lung der betrachteten Körper. Der Vergleich signifikanter geo¬lo¬gischer Ereignisse der ein¬zelnen planetaren Körper im Sonnensystem lässt auch Rück¬schlüsse auf dessen Entwicklung als Ganzes zu. Mit Hilfe stratigrafischer Beziehungen wurden sowohl die mondähnlichen Kraterverteilungsmodelle als auch alternative Modelle auf ihre jeweilige Konsistenz getestet. Die in der vorliegenden Arbeit von den Saturnmonden Mimas und Iapetus, den Hauptgürtelasteroiden Vesta, Lutetia, Ida und Gaspra und dem Marsmond Phobos gewonnenen Ergebnisse sind konsistent mit einer mondähnlichen Impakt¬geschich¬te.