Interior Layered Deposits in chaotic terrains on Mars

Abstract

This work describes the investigation of interior layered deposits (ILDs) situated in eastern Valles Marineris and its adjacent chaotic terrains on Mars. It combines various data sets such as high-resolution image, elevation and spectral data in a comparative study of ILDs to study their morphology, albedo, elevation, thickness, consolidation, mineralogy and layering geometry in order to assess possible correlations and deduce adequate formation hypotheses. The characterisation of ILDs shows that they vary in terms of erosional shape, thickness, elevation, material consolidation and mineralogy, but are mostly comparable concerning their morphologies. On the tops of ILDs, two different morphological types were detected which correlate with respect to their mineralogy. At the same time, they differ in their albedo as well as in their state of weathering and erosion. Oddly enough, there is no correlation with elevation, thickness, or consolidation that could reinforce the above correlation. However, hydrated ILDs are mostly located in protected areas and highly affected by rock break-up whereas non-hydrated ILDs are located in discharge areas and are hardly affected by this process. The different hydration states of sulphates demonstrate post-formation humidity changes. Thus, the presence of water within the ILD could be responsible for their weathering (e.g. frost weathering) resulting in volume changes, jointing and rock fragmentation into boulders. Convoluted bedding may also point to dehydration. The former water level –indicated by hydrated minerals - is much higher in Valles Marineris than in chaotic terrain ILDs. Altogether, water was present at the base of some ILDs as well as on their top. ILDs are not always located in the deepest area of the depression and thus could represent eroded material, indicating a much larger extent in the past. Stair-stepped morphologies have been observed suggesting alternating strata of competent and less competent material. Actually, thickly bedded lower units and thinly layered upper units could indicate changes in the depositional process. Moreover, ILD material is highly consolidated, which is confirmed by meter- sized boulders and talus at the base of their steep scarps. The consolidation of ILDs deduced from their thermal inertia indicates both rock and loose material whereas the loose aeolian material mostly covers their tops. Impact craters are rare on ILDs indicating a young Amazonian age. Since erosion on Mars has been more intense in the Hesperian and ILDs are heavily eroded, this age is their erosional rather than their depositional age. Thus ILDs must have formed in the Hesperian and were eroded into the Amazonian. In this study it is shown that the observations are consistent with criteria of two of the discussed seven hypotheses. ILDs show morphological and mineralogical similarities to spring deposits and lacustrine deposits. Likewise their distribution and geographical position is linked to aqueous processes. Thus ILDs could have formed in closed or partly closed depressions that were fed by water through aquifers or frost layers from the walls or hydrothermal fluids and springs from the subsurface. A combination of these water sources would explain the differences in ILD mineralogy whereas layering is explained by episodic processes and the density contrasts between brine and water, evaporite particles and clastic components. Sulphate formation must have taken place by evaporation and material that was already in the system (e.g. wall rock, aeolian, volcanic material) was embedded in deposition which might explain the high thicknesses observed for some Valles Marineris ILDs.

Diese Arbeit liefert Erkenntnisse über Interior Layered Deposits (ILDs) im östlichen Valles Marineris und den angrenzenden chaotischen Gebieten auf dem Mars. In dieser Arbeit werden verschiedene Datensätze wie hochauflösende Bild-, Höhen- und Spektraldatensätze im Rahmen einer vergleichenden Studie verwendet, um die Morphologie, Albedo, absolute Höhe, Mächtigkeit, Verfestigung, Farbe, Mineralogie und Schichtgeometrie zu untersuchen und vorhandene Korrelation aufzuzeigen und geeignete Bildungshypothesen abzuleiten. Die Beschreibung der ILDs nach den genannten Parametern zeigt dass Erosionsgestalt, Mächtigkeit, Höhe, Materialverfestigung schwankt und vereinzelt sogar die Mineralogie in jedem Fall aber morphologische Einheiten zwischen den ILDs wieder zu finden sind. Die Oberflächen an den Tops der ILDs unterscheiden sich, was zu einer Einteilung in zwei Klassen führt die mineralogisch korrelieren. Gleichzeitig unterscheiden sich beide Klassen anhand ihrer Albedo, dem Verwitterungszustand und der Erosion. Seltsamerweise tritt keine eindeutige Korrelation mit der Höhe, Mächtigkeit oder Verfestigung auf. Hydratisierte ILDs sind häufig in geschützten Bereichen vorzufinden und ihr Gefüge ist stärker zerrüttet als das der nicht hydratisierten ILDs, die in Durchflussbereichen gelegen sind. Unterschiede im Wasserhaushalt der Sulfate deuten auf Feuchtigkeitsänderungen hin welche vermutlich nach der ILD Bildung auftraten. Das Wasser in den ILDs könnte daher für deren Verwitterung verantwortlich sein (z.B. Frostsprengung) welche zu Volumenänderungen im Gestein sowie Klüftung und Zerstückelung in Blöcke führen kann. Ebenso weisen Strukturen, die zusammengerollter Schichtung ähneln, auf Entwässerung und Änderungen in der Hydratisierung hin. Die Höhe des ursprünglichen Wasserstands – angezeigt durch hydratisierte Minerale- ist viel höher in den Valles Marineris als in den chaotischen Gebieten. Insgesamt war Wasser sowohl an der Basis als auch am Top einiger ILDs vorhanden. Da ILDs nicht immer in den tiefsten Stellen der Depressionen zu finden sind, könnten sie erodierte Reste anzeigen und ihre Ausbreitung wäre somit größer als derzeit beobachtet. Die Schichtstufenmorphologie der ILDs zeigt Unterschiede in der Materialverfestigung an. Vereinzelt werden massige dickbankige Sequenzen unterhalb von feineren dünnbankigen beobachtet welche Änderungen im Ablagerungsprozess anzeigen. ILDs bestehen aus stark verfestigtem Material, was durch metergroße Blöcke und Schutt an der Basis steiler Hänge bestätigt wird. Die Verfestigung der ILDs, die von ihrer thermalen Trägheit abgeleitet wird deutet auf Gesteinsmaterial wie auf Lockermaterial hin, wobei äolisches Lockermaterial meist ihr Top bedeckt. ILDs haben kaum Impaktkrater und zeigen somit ein junges Alter (Amazonium) an. Da die Erosion im Hesperium stärker war und ILDs stark erodiert sind, entspricht dieses Alter eher ihren Erosions- als ihrem Ablagerungsalter. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Beobachtungen mit Kriterien von zwei der diskutierten sieben Bildungshypothesen vereinbar sind. ILDs haben morphologische und mineralogische Ähnlichkeiten mit Quell- und Seeablagerungen. Ebenso steht ihre Verteilung und geographische Lage im Zusammenhang mit aquatischen Prozessen. ILDs haben sich vermutlich in geschlossenen bzw. halbgeschlossenen Becken gebildet haben deren Wasserzufluss durch Grundwasserleiter und Frostschichten aus den Wänden oder hydrothermale Fluide und Quellen aus dem Untergrund gesichert war. Die Verknüpfung dieser Wasserquellen könnte auch die mineralogischen Unterschiede der ILDs erklären wohingegen die Schichtung durch episodische Prozesse und Dichtekontraste zwischen Salzlauge und Wasser, Evaporitpartikeln und klastischen Komponenten gewährleistet wurde. Die Sulfatbildung konnte durch Evaporation erfolgen und Material, das sich schon im System befand (z.B. Wandmaterial, äolisches, vulkanisches Material) wurde bei der Ablagerung miteingebunden wodurch die hohen Mächtigkeiten einiger ILDs im Valles Marineris erklärbar sind.