Glacial and Fluvial Evolution of Landforms in Hellas Planitia, Mars

Abstract

The focus of this thesis is the geospatial analysis of both fluvial and glacial landforms in Hellas Planitia Mars. The ancient impact structure contains the deepest point on the surface, and hence, the highest air pressure. Its interior is among the places with the highest likelihood for the transient existence of liquid water and the highest protection against solar radiation (both with implications for potential past or present habitability). The investigation of landforms with respect to their geographical distribution, evolution, and mutual relation, is essential for any attempt to link form to process, i.e. to reconstruct climatic conditions through the study of surface morphology. In order to quantify the distribution of 24 pre-selected landforms in Hellas Planitia, the so-called grid-mapping method has been applied; i. a. for glacier-like flows, gullies, sheet deposits, and latitude-dependent ice-dust deposits. The results provided evidence about possible clockwise-rotating wind circulation systems within Hellas Planitia. Moreover, a lack of glacial features and gullies in the lowest parts of the basin has been detected; despite the high air pressure potentially allowing water to be liquid. The systematic search at high-resolution scale did also not reveal clear evidence for extensive shoreline morphologies as suggested by several authors; hence a hypothesized lake within Hellas Planitia could not be confirmed. Among others, grid-mapping revealed widespread lobate sheet deposits at the lower reaches of Dao Vallis in eastern Hellas Planitia (being one of the big outflow channels draining into the basin). Similar features have already been interpreted in several regions of the planet as either volcanic or fluvial origin. Assessing both scenarios, a water-related formation is more likely, as most surface features can be better explained by fluvial rather than volcanic processes. The result is consistent with other stratigraphic findings and formation scenarios of the related Dao Vallis system. This work revealed that Hellas Planitia has always been a matter of environmental change. While there is many evidence for fluvial activities during all Martian epochs (e. g., light-toned deposits, channels, gullies), there are also several indications of glacial activities (glacier-like flows or viscos-flow features). However, the results of this work do not support the existence of a lake within that vast depression. This thesis has demonstrated that grid mapping is a very helpful and effective method for quantifying the distribution of landforms over huge areas, revealing information and relations about climate and landscape evolution, which are only visible from a much wider perspective; from ancient Noachian to very recent Amazonian landforms. For future research this approach can also be applied to other terrestrial bodies and space missions.

Im Zentrum der folgenden Arbeit steht die räumliche Analyse fluvialer und glazialer Oberflächenformen im Hellas Becken, Mars. Die sehr alte Impaktstruktur beinhaltet die tiefsten Punkte der planetaren Oberflächen, und Folge dessen auch den höchsten Luftdruck. Daher gilt das Innere des Beckens als einer der wahrscheinlichsten Orte, an dem flüssiges Wasser temporär an der Oberfläche existieren kann. Des Weiteren bietet die hohe Luftsäule auch einen erhöhten Schutz gegen lebensgefährdende solare Strahlung. Diese beiden Aspekte machen das Hellas-Becken zu einem besonderen Ort auf der Suche nach heutigem und historischem Leben außerhalb der Erde. Die Untersuchung von Oberflächenformen bezogen auf ihre geographische Verteilung, Evolution und gegenseitige Wechselwirkungen, ist daher ein wesentlicher Bestandteil die Prozesse zu verstehen, die jene Morphologien entstehen ließen. Dadurch ist es möglich, klimatische Bedingungen zu rekonstruieren, die zur Entwicklung bedeutsamer Geländeformen geführt haben. Um die geographische Verteilung von 24 vordefinierten Oberflächenformen im Hellas-Becken zu quantifizieren, wird im Folgenden die sogenannte Grid-Mapping Methode angewandt. Unter anderem für gletscher-ähnliche Formen, Erosionsrinnen, Schichtablagerungen, und breitengradabhängige Eis/Staub Ablagerungen. Die Ergebnisse geben Hinweise auf einen im Uhrzeigersinn wehenden Windfluss innerhalb des Beckens. Darüber hinaus wurde trotz des hohen Luftdrucks (welcher flüssiges Wasser ermöglicht) ein weitgehendes Fehlen glazialer Formen und Erosionsrinnen in den tiefsten Bereichen des Impaktbeckens festgestellt. Das systematische Sichten auf Basis hochauflösender Bilddaten konnte ebenfalls keine klaren Indizien für die Existenz alter Küstenlinien auffinden, wie von einigen Wissenschaftlern vermutet. Dadurch kann die Theorie eines ehemaligen Meeres in Hellas Planitia nicht unterstützt werden. Des Weiteren enthüllte die Grid-Mapping Methode die Existenz sogenannter Schichtablagerungen am Unterlauf des Dao Vallis im östlichen Hellas-Becken; einer der großen Talsysteme die sich einst in Hellas ergossen. Ähnliche Ablagerungen wurden bereits in anderen Regionen des Mars als vulkanischen oder fluvialen Ursprungs interpretiert. Werden beide Szenarien gegenübergestellt, so erscheint eine hydrogene Entstehung plausibler, da die hier vorgestellten Ergebnisse stratigraphisch und genetisch zur hydrogenen Entstehung des anliegenden Dao Vallis passen. Die vorliegende Arbeit belegt, dass Hellas Planitia seit jeher Änderungen unterlegen war. Nebst vielen Hinweisen auf fluvialen Aktivitäten (helle, geschichtete Ablagerungen, ausgetrocknete Fließgewässer und Runsen), gibt es auch Hinweise auf glaziale Prozesse (gletscherförmige Zungen und viskose Fließformen). Aber die bedeutende Frage, ob es jemals einen großen See in dieser großen Niederung gab, kann basierend auf den Ergebnisse dieser Arbeit nicht unterstützt werden. Die vorliegende Arbeit hat belegt, dass Grid-Mapping eine sehr hilfreiche und effektive Methode bei der räumlichen Quantifizierung von Oberflächenformen über große Gebiete ist. Sie ist in der Lage Informationen und Beziehungen über Klima und Landschaftsentwicklung zu enthüllen, welche nur aus einem größeren Blickwinkel festgestellt werden können; angefangen bei alten den Noachischen Formen bis hin zu den sehr jungen Amazonischen Morphologien. Für künftige geowissenschaftliche Untersuchungen anderer terrestrischer Himmelskörper kann dieser Ansatz daher auch von großem Nutzen sein.