Phyllosilicates and sulfates on Mars: Case studies from Terra Cimmeria and Valles Marineris

Abstract

The Martian history has been divided into three eras, based on the predominating aqueous sediments formed in them: A "phyllosian" during the Noachian period, in which phyllosilicates formed, a "theiikian period" in the Hesperian, dominated by sulfate-rich deposits, and a "siderikian era" in the Amazonian, in which environmental conditions allowed only the anhydrous formation of ferric oxide, giving Mars its red colour. In this thesis, these hypotheses are tested by investigating phyllosilicate-rich and sulfate-rich deposits in three selected regions of Mars using data from the imaging spectrometers Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité (OMEGA) and the Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM). Both instruments operate in the visible to short-wave infrared spectrum. The hyperspectral data are analyzed using dedicated software and interpreted together with topographic data and imagery from various sensors combined in a geographical information system. The study area located between Terra Cimmeria and Terra Sirenum features enigmatic knob fields, comprising Ariadnes Colles, Atlantis Chaos and Gorgonum Chaos. They have previously been mapped as Hesperian or Amazonian units and contain Mg-Fe bearing smectites and locally Al-rich phyllosilicates. This thesis shows that the mounds are erosional remnants of a once contiguous layer, the "Electris deposit", described in previous studies as a fine-grained, possibly glass-rich unit of proposed eolian origin, altered into phyllosilicates. Based on cross-cutting relationships, an upper Noachian age below the Hesperian "ridged plains" unit (Hr) is proposed. A younger, precipitation-fed valley network filled a lake in the Gorgonum basin and small bodies of water in which chlorides formed. The second and third study investigate sulfate-rich light-toned deposits (LTD) in the Vallis Marineris region (Juventae Chasma and Ophir Chasma). These deposits are spectrally dominated by kieserite or szomolnokite, which are locally overlain by polyhydrated sulfate deposits as well as jarosite, iron oxides and unidentified phases with absorptions at 2.21 μm or 2.23 μm. Various processes are discussed for the formation of the individual outcrops. While the topographic distribution of large parts of the sulfate deposits is inconsistent with a formation in a lake, the deposits in the central part of Ophir Chasma might have been formed in a standing body of water. For the deposits on the southern wall of the chasm a water supply from the atmosphere by rain, snow, fog or frost is conceivable. The three studies in this thesis confirm the postulated correlation between the types of aqueous mineral formation and the stratigraphic periods observed elsewhere on Mars.

Aktuelle Studien unterteilen die Klimageschichte des Mars anhand der dominierenden, mit Wasser gebildeten Sedimente in drei Epochen, das "Phyllosian" während des Noachiums, Tonminerale gebildet wurden, das "Theiikian" im Hesperium, dominiert von sulfathaltigen Ablagerungen, und das "Siderikian", in dem die hyperariden Umweltbedingungen lediglich die Bildung des eisenoxidreichen, roten Staubes ermöglichte, der dem Mars seine Farbe gibt. In diese Doktorarbeit werden diese Hypothesen getestet, indem phyllosilikat- und sulfatreiche Ablagerungen in drei ausgewählten Gebieten anhand von Daten der abbildenden Spektrometer OMEGA und CRISM untersucht werden. Beide Instrumente arbeiten im Bereich des sichtbaren bis kurzwelligen Infrarotspektrum. Die Hyperspektraldaten werden mit verschiedenen Methoden ausgewertet und in Kombination mit Topographie und Bilddaten zahlreicher Kamerasysteme interpretiert. Im Untersuchungsgebiet zwischen Terra Cimmeria und Terra Sirenum befinden sich die Hügelfelder Ariadnes Colles, Atlantis Chaos und Gorgonum Chaos. Sie wurden in früheren Arbeiten als hesperische oder amazonische Ablagerungen kartiert und enthalten Mg- und Fe-reiche Smektite und untergeordnet Al-reiche Tonminerale. Diese Arbeit zeigt, dass die Hügel Erosionsreste einer ehemals zusammenhängenden Formation waren, dem "Electris deposit", das als feinkörniges, möglicherweise äolisches Sediment beschrieben worden ist, und lokal in Tonminerale umgewandelt wurde. Die Überdeckung durch die ridged-plains-Einheit (Hr) deutet auf ein obernoachisches Alter hin. Ein jüngeres Gewässernetz führte zur Bildung eines Sees im Gorgonum Becken und zur Bildung von Chloridablagerungen. Die zweite und dritte Studie dieser Doktorarbeit befassen sich mit den hellen Ablagerungen in der Valles Marineris Region (Juventae Chasma und Ophir Chasma). Die Spektren dieser Ablagerungen werden von Kieserit oder Szomolnokit dominiert, die örtlich von polyhydrierten Sulfaten, Jarosit, Eisenoxiden und unbekannten Phasen mit Absorptionen bei 2.21 µm oder 2.23 µm überlagert werden. Für die einzelnen Aufschlüsse werden unterschiedliche Bildungsprozesse vorgeschlagen. Die topographische Verteilung der Sulfate in Ophir Mensa lässt sich nicht durch Evaporation in einem stehenden Gewässer erklären. Im Gegensatz dazu ist die Bildung in einem See, unter einem Gletscher oder in einer Playa für die Ablagerungen im zentralen Teil von Ophir Chasma denkbar. Bei den Sulfaten auf der Südwand des Beckens ist eine Wasserzufuhr aus der Atmosphäre in der Form von Regen, Schnee, Reif oder Nebel eine mögliche Erklärung. Die drei Studien dieser Doktorarbeit bestätigen die Korrelation zwischen durch Wasser gebildeten Mineralen und den stratigraphischen Perioden, die auch an anderen Stellen auf dem Mars beobachtet wurde.