Geodynamics of the Volcanoes Hadriaca Patera and Olympus Mons on Mars: Synthesis of Observations and Finite Element Modeling

Abstract

The subject of this thesis is the analysis of geodynamic processes on Mars that result from the interplay of large volcanoes with the environment and subsurface. Two selected basaltic shield volcanoes were studied in detail: Hadriaca Patera in the southern highlands, northeast of the impact basin Hellas Planitia, and Olympus Mons located at the Martian dichotomy boundary, as part of the Tharsis Volcanic Province. The flanks of Hadriaca Patera are cut by deep chasmata, suspected to be the source regions for two outflow channels, Dao and Niger Valles. Thus, the analysis was targeted on the relationships between the volcano and the outflow channels. In particular, investigations were focused on the amount of groundwater transported to the surface through volcanic loading. For the other target, Olympus Mons, analyses were directed toward its widespread, lobate deposits, circumferential scarp, and upper-flank terraces. Models focused on lithospheric flexure and volcanic spreading, processes that lead to an intensive deformation of the volcano. The overall methodology combines the analysis of remote sensing data with finite element modeling of regional processes. This allows for proving or disproving theoretical predictions of Martian geodynamics. Remote sensing data of various Mars missions were analyzed in a Geographic Information System (GIS), and structural mapping as well as volume calculations were performed. Furthermore, brittle, plastic, and viscous deformation of rock, and also pore fluid flow, were implemented numerically with finite element methods which allow for time- dependent simulations and coupled processes. Both case studies showed that results and interpretations strongly depend on the selection of parameter values which is considered problematic for Mars, as many parameters for modeling studies are required for the subsurface, whereas mostly only remote- sensing surface data is available. Due to this discrepancy adequately simplified geometries were modeled and endmember studies were realized. For the study region Hadriaca Patera it was found that the volcanic load is in principle sufficient to release water from a confined, overpressurized aquifer. However, in order to explain the dimensions of the outflow channels several outflow events are required, which is in general accordance with theories based on surface data alone. The observed faults on the shield of Olympus Mons can be attributed to its weight flexing the lithosphere, and further to a varied coupling of volcano and subvolcanic surface. These results confirm earlier analog and numerical modeling studies of large volcanoes on Earth and Mars. In the end it could be successfully shown that despite several assumptions about subsurface properties, numerical modeling attempts in combination with surface observations and quantified data provide solid means to reconstruct regional developments on Mars.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse geodynamischer Prozesse auf dem Mars, die durch die Wechselwirkung großräumiger Vulkane mit ihrer Umgebung und dem Untergrund hervorgerufen werden. Zwei ausgewählte basaltische Schildvulkane wurden im Detail untersucht: Hadriaca Patera im südlichen Hochland, nordöstlich des Einschlagsbeckens Hellas Planitia, und Olympus Mons an der Hochland-Tiefland-Grenze im Bereich der Vulkanprovinz Tharsis. Tiefe Schluchten und Senken an den Flanken von Hadriaca Patera werden als Quellgebiete für die Ausflusstäler Dao und Niger Valles angesehen. Im ersten Arbeitsgebiet wurde die Auswirkung der Vulkanauflast Hadriaca Patera auf ein darunterliegendes Grundwasserreservoir studiert, und die austretende Grundwassermenge berechnet. Im zweiten Arbeitsgebiet wurde Olympus Mons im Hinblick auf seine ausgedehnten Ablagerungen, einen Steilhang am Vulkanfuß und Terrassen auf den oberen Flanken analysiert. Diese Strukturen sprechen für eine intensive Deformation, die in Zusammenhang gebracht werden kann mit Lithosphärenflexur und lateraler Vulkanausbreitung. Die methodische Herangehensweise kombiniert die Auswertung von Fernerkundungsdaten mit der Finite-Elemente-Modellierung regionaler Prozessabläufe. Somit ist es möglich, theoretische Vorstellungen über geodynamische Prozesse auf der Marsoberfläche zu stützen oder zu widerlegen. Fernerkundungsdaten verschiedener Marsmissionen wurden dazu in einem Geographischen Informationssystem (GIS) verarbeitet. Insbesondere wurden Strukturkarten angefertigt und Volumenbestimmungen durchgeführt. Außerdem wurden spröde, plastische und viskose Gesteinsdeformation sowie Grundwasserfluss mit Finite-Elemente-Methoden numerisch umgesetzt, wodurch zeitliche Entwicklungen und gekoppelte Prozesse simuliert werden konnten. Beide Fallstudien zeigten, dass Ergebnisse und Interpretationen stark von den gewählten Modellparametern abhängen. Für den Mars ist das insofern problematisch, da sich viele Parameter auf den Untergrund beziehen, die Fernerkundung aber meist nur Daten von der Planetenoberfläche liefert. Aus diesem Grund wurden vereinfachte Modellgeometrien benutzt und Studien für Parameterbereiche durchgeführt. Für Hadriaca Patera konnte nachgewiesen werden, dass die Vulkanauflast prinzipiell ausreicht, um Porenwasser aus einem gespannten, unter Druck stehenden Grundwasserleiter freizusetzen. Um die Dimensionen der Flusstäler zu erklären, muss man jedoch mehrere Ausflussereignisse annehmen, in genereller Übereinstimmung mit Interpretationen aus geomorphologischen Beobachtungen. Die beobachteten Verwerfungen auf dem Schild von Olympus Mons können mit einer Kombination von Lithosphärenflexur und variabler Kopplung zwischen Vulkan und Untergrund erklärt werden. Frühere analoge und numerische Modellstudien zu großräumigen Vulkanen auf Erde und Mars werden durch diese Ergebnisse bestätigt. Schlussendlich konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Herangehensweise der numerischen Modellierung in Kombination mit Oberflächenbeobachtungen und quantifizierten Daten, trotz diverser Annahmen zu den Untergrundeigenschaften des Mars, ein geeignetes Hilfsmittel zur Rekonstruktion regionaler Prozesse darstellt.