Dark Dunes on Mars: Analyses on origin, morphology, and mineralogical composition of the dark material in Martian craters

Abstract

The research presented in this thesis focuses on the morphological, mineralogical, and thermal characteristics of dark material deposits in Martian craters. The information gained will be used to deduce the history and development of the material and to shed light on evolution processes and scenarios of its origin. Special aspects of this topic include revealing the sources of the material, identifying possible mineralogical correspondences between deposits, and examining dune surfaces for mobility or induration. A comparative analysis on a global scale will serve to investigate whether all deposits examined are of common origin, and whether any correlations exist between the characteristics analyzed. Thus, this work is intended to bridge the gap between detailed local analyses and global studies. Carried out on the basis of 70 selected localities comprising individual dark dunes, dune fields and sand sheets, analyzed based on imaging, spectral, and thermal orbiter data, this work aims to derive and compare morphological, compositional and physical properties. Morphological analyses reveal dark layers exposed in a number of crater walls, showing indications of material transport from the layers down-wall to the intra-crater deposits. Further sites show dark material emerging from the floors of several craters, suggesting a dark material source beneath. Spectral analyses showed for the first time that a direct mineralogical analogy exists between the dark layers in the crater walls and the intra-crater dune and sand sheet material. Based on these findings, it could be shown that these layers are the local sources for the dark material inside the craters. Spectral analyses further indicate that all deposits are nearly of the same mafic mineralogical composition, hinting at a similar origin. It is shown that the thermal properties of the dunes point to consolidation on several dune surfaces, whereas the bulk of the dunes seem to consist of unconsolidated sands with coarse grain-size particles. A global consideration reveals no correlation between the geographical location of the deposits and their mineralogical composition in terms of mafic minerals. However, the cluster of hydrated minerals detected in Arabia Terra is supposed to be associated with former water-related processes in this region. Correlation between thermal properties and geographical localities may be assumed for the alignment of immovable deposits along the lowland-highland boundary. To explain their immobility, water-related processes as well as mechanical cementation might be considered. However, a convincing correlation between hydrated minerals and immovable deposits cannot be established. This indicates that mineral hydration does not consequently result in the immobilization of dunes in every case. Two different hypotheses and time ranges of origin will be considered, one suggesting a volcanic origin of the material and the other one claims for impact related processes such as impact glasses and melts. This work provides new insights into the development of deposited layers of dark material, their modification, and their exposition, which led to the distribution of dark materials on Mars.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung morphologischer, mineralogischer und ther¬maler Eigenschaften von dunklem Material in Kratern auf dem Mars. Die gesammelten Informati¬onen werden dazu genutzt, die Geschichte und Entwicklung des Materials sowie mögliche Zeiträume seiner Bildung abzuleiten und denkbare Entstehungsszenarien zu durchleuchten. Insbesondere sollen die Fragen nach Sedimentquellen des Materials, nach Gemeinsam¬keiten in der mineralogischen Zusammensetzung der Materialvorkommen und nach dem Zustand der Dünen-oberflächen hinsichtlich einer Verfestigung oder Mobilität der Dünen beantwortet werden. Eine vergleichende Analyse der Materialeigenschaften im globalen Maßstab soll die Fragen beantworten, ob von einem gemeinsamen Ursprung des Materials ausgegangen werden kann, und ob es Korrelationen zwischen dem Materialeigenschaften unter-einander sowie der geografischen Lage der Materialvorkommen gibt. Somit soll diese Arbeit einen Bogen zwischen Detailstudien und global angelegten Analysen spannen. Als Datenbasis dienen 70 glo¬bal ausgewählte Lokalitäten, in denen dunkles Material in Form von Dünen, Dünenfel¬dern oder auch dünnen Sandlagen vorkommt. Die Material-eigenschaften werden mit Hilfe von Bild-, Spektral- und Thermaldatenauswertung verschiedener Satellitenmissionen ermittelt und verglichen. Morphologische Analysen weisen anstehende dunklen Lagen an meh¬reren Kraterwänden auf, an denen ein Materialtransport beginnend an den Lagen, bergab der Krater¬wand, bis hin zu den Ablagerungen im Kraterinneren zu beobachten ist. An anderen Stellen kann ein „Entspringen“ des Materials im Bereich der Kraterböden beobachtet werden, was auf eine Sedimentquelle unterhalb der Kraterböden hinweist. Mit Hilfe spektraler Analysen ist es gelungen, eine direkte Übereinstimmung zwischen der Mineralogie des Materials der anstehenden Lagen und des Dünenmaterials innerhalb der Krater nachzuweisen. Dadurch kann bewiesen werden, dass diese dunklen Lagen als lokale Quellen für das Dünenmaterial in den Kratern dienen. Ebenso kann durch Spektralanalysen festgestellt werden, dass sich die einzelnen Materialvorkommen hinsichtlich ihrer Mineralogie kaum unterscheiden, was auf einen gemeinsamen Ursprung der Ablagerungen hindeutet. Es wird weiterhin dargelegt, dass die thermalen Eigenschaften einiger Dünenoberflächen auf eine Verfestigung hinweisen, während der Großteil der Dünen aus unverfestigten Grobsanden zu bestehen scheint. Die globale Betrachtung deckt keine eindeutige Korrelation zwischen der geographischen Lage der Materialvor¬kommen und deren Mineralogie auf. Einzig die Detektion von hydratisierten Mineralen weist eine Korrelation mit der Region Arabia Terra auf. Frühere Wasseraktivitäten in diesem Gebiet werden für die Erklärung dieses Zusammenhanges herangezogen. Die Anordnung immobiler und somit wahrscheinlich verfestigter Dünen entlang der Hochland /Tieflandgrenze wird ebenfalls vergangenen aquatischen Prozessen zugeschrieben, wobei jedoch auch eine mechanische Verfestigung der Dünenoberflächen nicht ausgeschlossen werden kann. Eine Übereinstimmung zwischen unbeweglichen Dünen und einer veränderten Mineralogie im Vergleich zu beweglichen Dünen kann nicht festgestellt werden. Dies weist darauf hin, dass der Verfestigungsprozess nicht in jedem Falle zur Bildung neu¬artiger Minerale führte. Zwei verschiedene Hypothesen über Ursprungsszenarien und Bil¬dungszeiträume werden in der Arbeit vorgestellt. Diese gehen einerseits auf einen möglichen vulkani¬schen Ursprung des Materials ein und schlagen andererseits vor, dass das dunkle Material impakt-genetische Schmelzen und Gläser darstellen könnte. Abschließend bietet diese Arbeit einen Einblick in die Entwicklungsgeschichte der abgelagerten Lagen aus dunklem Material, deren Mo¬difikation, bis hin zu ihrer Freilegung, die damit eine globale Verteilung dieses Materials auf dem Mars zur Folge hatte.