A Mars geológiája: milyen földtudományra tanít a vörös bolygó?
Kereszturi Ákos MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet Asztrofizikai és Geokémiai Laboratórium NASA Astrobiology Institute TDE Focus Group OTKA PD 105970
Új utak a földtudományban, 2013. március 20. Magyar Állami Földtani Intézet
Tartalom • Mars + geológia: mit,miért, hogyan? • Mars és Föld hasonlóságok/eltérések • esettanulmányok (példák): • tektonika • vulkanizmus • becsapódásos kráterek • jég • víznyomok • felszínkémia • üledékek • összefoglalás: • kölcsönhatások • anyagkörforgás • fejlődéstörténet • mi újat adhat a Mars a földtudománynak?
Bevezetés • Mit? • földtudományi jelenségek, folyamatok • Miért? • szélesíteni földtudományi ismereteket (Föld: egyetlen „labor”, szűk paraméterek) • példa a mai földitől eltérő viszonyokra (Föld korai fejlődésének mikéntje, külső hatások) • Hogyan? • távérzékelés (űrszondák, távcsövek) • helyszíni vizsgálatok (leszálló egységek) • marsi meteoritok (földi laborvizsgálat) • földi analógák (labor, terepi, modell) • Tévedhetünk? • ugyanaz a fizika, kémia mint a Földön • megfigyelések, numerikus adatok • változó, fejlődő tudásanyag
Mars és Föld hasonlóságok/eltérések jellemző átmérő tömeg → gravitáció sűrűség naptávolság légköri összetétel felszíni légnyomás tengelyforgási idő
Föld
Mars = földi szárazföldek
1
kevesebb belső hőforrás, korán gyengülő aktivitás, litoszatikus nyomás, geotermikus gradiens, ülepedés
5.5 1 N2, O2 1
gyengébb differenciáció, vas gazdag felszín, híg lávák 1.5 gyengébb besugárzás, hűvös CO2 egyaránt oxidáló légkör 0.007 forráspont +4 C körül, erősebb marsi hőingás
24:00 24:37 egyaránt erős napi hőingás
tengelyferdeség
23.5
átl. felszín hőmérséklet
+15
felszíni UV sugárzás
Mars következmény (Földhöz képest)
1
1
25.5 évszakos változások (+ Mars: változó naptávolság) -67 két fajta jég: H2O, CO2 1000 speciális kémia (fotodissziciáció, molekula bomlás)
Tektonika • egész külső burok elfordulása • Tharsis-hátság tömege → instabil kőzetburok → egész burok elfordulása → Tharsis az egyenlítőre került + globális törésrendszer keletkezett • váltakozó mágnesezettségű sávok • pólusváltás + kőzetburok szétterülés? • kőzetburok eltűnés? • „egyetlen” hátság?
Vulkanizmus (kontextus: hasonlítás a Földhöz) • robbanásos kitörések: • kisebb bezáró nyomás (ritka légkör, gyenge gravitáció) → robbanásos jelleg • kitörési felhők hidrosztatikus emelkedése? (↓ritka légkör, ↑gyenge gravitáció) • ősi vulkánoknál könnyen pusztuló, piroklasztikum • magma illótartalom: ősi nedves Mars, régóta száraz Mars • térben erősen koncentrált vulkanizmus, pl.: Tharsis: • felszín kb. 25%-a, össztérfogat min. 106 km3 • aktív periódus: 3,5-0.2 milliárd éve • Mars egész fejlődéstörténete alatt aktív • „szuperplum” ?
Tyrrhenia Patera
Becsapódásos kráterek • jó megtartás → megfigyelhető földinél hosszabb időskálán → kapcsolat bolygófejlődéssel 4.0 milliárd éves skálán vizsgálható • érdekes következmények • globális domborzati aszimmetria (mélyedés) • sok ősi, nagy becsapódásnyom • több 100 km-es üledékes medencék (üledéken láva) • becsapódás → jég olvasztás • geomorfológia: felszín átalakulás jellege, méretskálája (SFD görbék)
Jég nyomai a felszínen „Álló” jég: • pólussapka, Poláris Réteges Üledékek D (>100 km rétegfolytonosság) • „tiszta” jég cm, m mélyen millió évig (lerakódott, nem szegregációs) • mély krioszféra (milliárd éves fagyott állapot)
Jég nyomai a felszínen „Mozgó” jég: • egyenlítői vulkánok ÉNY lábánál, morénák • hegylábi sziklagleccserek • vonalas mintázatok • jég eltemetve 10 m
Jég nyomai a felszínen Szublimálás / kiválás (közepes szélesség, globális övezetes formák) • poligonok (∼globálisan, főleg szublimációs nem olvadásos) • fedőüledék • termokarszt mélyedések • sárfolyások forrásai • jó klímarekonstrukcióra
Víznyomok • időszakos vízfolyások (látványos erózió + rövid aktivitás → fluviális felszínalakulás „sivatagban” is) • vulkán – jég kölcsönhatás • globális felszín alatti vízáramlási rendszer • hatalmas (km3/s) vízhozamok → erős erózió (km-es vízmélység? • geomorfológia: erózió / akkumuláció, egyensúlyi esésgörbe (?)
Felszínkémia • erősen oxidált felszín • víztől? víz ritka… • alternatíva: egzotikus mállás • száraz • hideg • erős UV • hosszú idő • ok: • mikroszkópikus felületi vízréteg • tömény sóoldatok • időszakos jég vándorlás • instabil fázisok egymás közelében (fragmentált mikrokörnyezetek) További érdekességek: • globálisan homogén regolit • erős oxidálószerek (H2O2) → nem mutatkozik szerves anyag a felszínen
Üledékek Üledék „fajták” • egzotikus: jegek (stabil hideg, nagy térfogat → nehezen melegszik fel, + hőszigetelő portakaró) • pólussapka: levegőből rakódott / kivált, réteges, diagenizált, környezet indikátor • szulfátok (km vastagság): • jarosit (K,Na,H)Fe3(SO4)2(OH)6, Terra Meridiani • gipsz (CaSO4×2H2O) északi cirkumpoláris zóna, Valles Marineris • kieserit (MgSO4×H2O) és a polihidratált szulfátok, Valles Marineris • víztartalom, vízvesztés → rárakódott jég, diagenizáció: vízvesztés Keletkezés: • evaporitok, bepárlódó vizek • bazalt savas mállása • vulkáni kigázolgás • vagy a következő silde…
Gale kráter központi üledékes hegy • pályaelem változások • egyenlítői jég + por lerakódás • mikroszkopikus vízfilm → mállás • erős betöményedés + magas kőzet/jég(víz) arány → speciális ásványi „termékek” • magyarázza: • nagy térfogatban hasonlóan „extrém” ásványi átalakulás (Mawrth Vallis) • nagyon savas egykori környezet • alacsony víz/kőzet arány
szárazodás, hűlés, savasodás
Óriási eltemetett üledékek
Comanche szikla
• karbonátok • alig van a felszínen egy egész „üledék típus” • pedig kellene: ősi víz + légköri CO2 → karbonátok • kiválási sorban alul • eltemetett állapot vulkanitok, későbbi üledékek (nincs globális lemeztektonika, kis felszíni aktivitás) Leighton kráter Modell: 1. víz + CO2 2. karbonát keletkezés 3. betemetődés 4. becsapódás, kihantolódás
Nili Fossae
Vulkán – jég kölcsönhatások MEGAOUTFLO(W) ciklusok: vulkanizmustól induló globális felszínalakulási időszakok • juvenilis gáz kibocsátása a légkörbe → változó felhőborítás, albedo, hőmérséklet • megemelkedő légköri H2O koncentráció és erősebb illókörforgás → havazás, „gleccserjég” képződés, mozgó jégárak • légköri szulfát aeroszol → savas mállás, jobb UV szűrés • krioszféra olvasztás → termokarsztok, áradások → folyók, tavak → vizes mállás • vizek befagyása, elszublimálása → lassú jégvándorlás Több hasonló „rendszer szemléletű” modell: • déli pólussapka Argyre vízrendszer • időszakos „rész óceán” vízfeltöltések • bizonytalan eseménysorok… • de feltehetőleg sok összefüggés
Összefoglalás 1.: őskörnyezet rekonstrukció • ásványtani megfigyelések → ásvány stabilitás (labor) → keletkezési + mai viszonyok → őskörnyezet rekonstrukció • semleges, enyhén lúgos: • karbonátok → semleges, enyhén lúgos pH • nontronit → reduktív környezet, pH>6, hideg (?) • szektitek → magas víz/kőzet arány, pH=6-12, • savas: • szulfátok: pH=7 – 1 • opál → pH<9 • hőmérséklet: • klorit, prehnit → 200-300 °C metam. Fe2+ filloszilikátok • zeolit (analcim) → enyhén lúgos, <200 °C • sok „hideg” hőmér • metamorfózis: Montmorillonit - séklet • átalakulások: szemektit → klorit Kaolinit pH csökk. Problémák: Szulfátok • sok üde olivin + filloszilikát CO2 • kevés karbonát, pedig CO2 légkör + víz karbonátok
Fejlődéstörténet: globális trendek • aktív vulkanizmus, mágneses tér → gyengülő akt., légkörvesztés • vulkanizmus → kénes oxidált üledékek • pH: enyhén lúgos → erősen savas • nedves → száraz → ↑ kőzet/víz arány → betöményedő oldatok • H2O fotodisszociáció + H vesztés → regolit oxidálódás •csökkenő geol. akt. → eltemetett állapot • gyenge anyagkörforgás → instabil ásványok kis mélységben „Korfüggő” asvány képződés • kiválási sor: karbonát, szulfát, klorid • ásványok → ∼korolás • filloszilikátok ∼3,5 milliárd évig • szulfátok ∼3,0 milliárd évig • opál (kevés): ∼2,0 milliárd évig • de: kivételek (?)
Al / Fe
Fejlődéstörténet, fő korszakok
Heszpériai (3,5 - 1,8 milliárd éve): • szulfátok • magas kőzet/víz arány → „szokatlan” mállástemékek • Interior Layered Deposits
becsapódások, globális változás felszíni víz, „meleg” klíma
filloszilikátok, halit, karbonátok ?
hűlés, szárazodás, feltörő hideg + savas vizek, vulkáni kén
szulfát, opál
De sok kérdés… • „mállási paradoxon”: sok üde olivin + filloszilikátok + víznyomok • noachi filloszilikátok: ritkán folyásnyomoknál Megoldás (?): • víz: ritka, hideg, ion gazdag → „egzotikus” mállás • statikus környezet, gyenge recirkuláció → elszigetelt zónák, egyensúlytól messze • ritka légkör, erős diffúziós határok, gyenge vízvándorlás → „instabil ásványok”
Amazoni (1,8 – 0 milliárd éve): • „egzotikus” mállás: • száraz, hideg • erős UV, hosszú idő • oxidáció • felületi vízfilm mállás • tömény sóoldatok • jég vándorlás
hideg, száraz, erős UV, oxidáció, főleg jég, víz alig
vasoxidok
kor (milliárd év)
Noachi (4,3 - 3,5 milliárd éve) • sok víz, magasabb hőmérséklet • idős területek (főleg déli felföldek, néhol északon is) • filloszilikátok (Fe/Mg szmektit, rétegződés (?))
Mi újat adhat a Mars a földtudománynak? Kontextus a „Földhöz” • földinél gyengébb gravitációs tér (kevésbé „nehezek” a kiemelkedések) • földinél gyengébb differenciáció → vasban gazgag híg lávák • kisebb geotermikus gradiens (lassabban nő a hőmérséklet lefelé haladva) → vastagabb kőzetburok • rideg – képlékeny rezsim átmenet mélyebben → mélyebbre hatoló törések → keskeny, hosszú árkok • globális lemeztektonika hiánya → „végleg” lerakódó üledékek, körforgásból „végleg” kivont karbonátok
Mi újat adhat a Mars a földtudománynak? „Egzotikus földtudomány” • földi viszonylatban extrém példák, „szélsőséges” földtudományi jelenségek • okok, ható tényezők jobb megértése • ásvány stabilitás relatív fogalom (tudjuk, de jó látni → „extrém” kísérletek • instabil fázisok egymás közelében • ritka légkör + szigetelő porozitás → gyenge kommunikáció • évszakos átalakulások → felszíni réteg hidratációja • éghajlatfüggő ásványátalakulások → vízvesztés, zsugorodás
Ls lépések= 8.6°
További információk
