Валлес Марінеріс, геологічна пам’ять Марса для науки
Спостереження з дуже високою роздільною здатністю з орбітального апарата Mars Reconnaissance Orbiter виявили нові ландшафти на дні каньйону Валле-Марінеріс. Геологічна історія регіону стає зрозумілішою.
Одним з найбільш вражаючих аспектів марсіанської поверхні, безперечно, є присутність каньйону Валлес Марінеріс. Свою назву вона отримала від зонда Mariner 9, який вперше сфотографував його в 1971 році. Ця довжина в 3500 кілометрів і ширина 300 кілометрів охоплює чверть марсіанського екватора. Таким чином, це майже в десять разів більше, ніж Великий каньйон Колорадо, в США. Окрім вражаючих розмірів, Валлес Марінеріс представляє неоціненний геологічний інтерес, оскільки його стіни, висотою іноді десять кілометрів, виявляють скелі та споруди, що простежують історію каньйону, його регіону та планети Марс.
Багата геологічна історія
Перші зображення червоної планети, в 1965 році, пропонували майже місячне бачення: пустеля і всіяні кратерами. Але з тих пір різні зонди та роботи на землі показали, що геологічна історія Марса багатша, ніж ми думали.
Валлес Марінеріс - один із найяскравіших прикладів. Ми вивчимо ландшафти, а також різні явища, що їх сформували: вулканізм, тектоніка - уточнимо, що рухи марсіанської кори виникають внаслідок різних механізмів, що спостерігаються на Землі, оскільки ця кора позбавлена динаміки плит - або навіть вітер і вода. З цих спостережень ми прослідкуємо геологічну історію каньйону та історії планети.
Планетологи також вивчали гірські породи в каньйоні. Існують примітивні кори, залишки утворення планети, вулканічні породи, але також гідратовані мінерали, такі як сульфати та глини, ознаки давньої присутності рідкої води в цьому регіоні. Місія Mars Express, яка вийшла на орбіту в 2004 році, проводила спостереження в каньйоні Валле-Марінеріс і надавала цінну інформацію про наявність рідкої води на Марсі. Таким чином, завдяки спектрометру OMEGA він виявив значну присутність родовищ, що містять сульфати, гідратовані мінерали, багаті сіркою. Вони датуються епохою Геспера (між 3,7 і 3,2 мільярда років тому).
Крім того, Mars Express також виявив глини на поверхні планети, за межами каньйону. Ці відкриття виявили наявність рідкої води на поверхні планети більше 3,7 мільярда років тому, під час найстарішої марсіанської геологічної ери, Ноачіен (існує від 4,1 до 3,7 мільярда років). Клімат тоді був, мабуть, жарким і вологим.
Потрібен був новий зонд, щоб відповісти на запитання, задані планетологами: які етапи формування Валлеса Марінеріса? Які явища сформували його пейзажі? Що з цього можна зробити з історії червоної планети? Лише в 2006 році і прибуття на орбіту зонда Mars Reconnaissance Orbiter. Завданнями місії були опис клімату та геології планети. Бортове обладнання пропонувало резолюції, які дозволяли детально аналізувати каньйон. Зокрема, камера HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) робила знімки каньйонних структур. Спектрометр компактного розвідувального візуалізаційного зображення для Марса (CRISM) аналізував склад гірських порід.
Стіни заввишки десять кілометрів
Що сказали нам зображення HiRISE та аналіз CRISM? Вони дозволили детально проаналізувати склад гірських порід, які становлять різні структури Валлес Марінеріс. Основний каньйон супроводжується системою орієнтованих на схід та захід розломів, уздовж яких утворилися численні канави та облягання, що обваляються. Набір створює серію унікальних лінійних пейзажів на Марсі. На дні каньйону є багато взаємопов’язаних западин: часмат. Земля цих шасмат часто покрита товстими шаруватими відкладами, зсувами або наборами насипів, які називаються хаосом.
Першими елементами, що зрозуміли, як утворився каньйон, є його стіни. Це безцінне джерело інформації. Дійсно, вони виставляють геологічну ділянку висотою понад десять кілометрів. Різко, стіни мають так звану морфологію «відрогів та балок» (див. Малюнок нижче). Йдеться про набережні, де місцево на відрогах виходять гірські породи. Ерозія та тектонічні рухи, характерні для Марса, є джерелом цих структур. Але як з’явилися ці стіни ?
Народжений крахом
Щоб відповісти на це питання, давайте подивимось на захід від Валлеса Марінеріса. Тут є Купол Тарсіса з Олімпом Монс - найвищий рельєф у Сонячній системі, кульмінація якого досягає 21 229 метрів - і три вирівняні вулкани Тарсіса Монтеса, Аскрея Монса (18 225 метрів), Павоніса Монса (14 058 метрів) та Арсії Монса (17 761 метрів).
Цей вулканічний ансамбль утворився в кінці Ноакіана. Під вагою Купола Тарсіса літосфера (кора і верхня частина марсіанської мантії) згиналася, місцями піднімалася і тріскалася, даючи початок Валлесу Марінерісу. Останній є грабеном, тобто канавою обвалення, яка межує з розломами, що виникають під впливом горизонтальних сил розширення, прикладених до літосфери. Центральний блок провис і утворює дно каньйону. Сусідні блоки утворюють плоскогір’я з видом на каньйон. Валлес Марінеріс народився приблизно 3,5 мільярда років тому.
Стіни каньйону дозволяють проводити стратиграфічне дослідження шляхом вивчення геологічних шарів, що виходять. За відсутності структурних катаклізмів найглибші шари є найдавнішими. Таким чином, найдавніші скелі знаходяться в основі схилів каньйону, а найновіші відслонення на вершині плато. Крім того, Валлес Марінеріс демонструє найдавніші гірські породи, виявлені на поверхні планети.
Однак ерозія та тектоніка ускладнюють це стратиграфічне дослідження. Дійсно, шари не завжди видно. Часто стіни є місцем вражаючих зсувів. Ці зсуви утворюють великі частки уламків, які протікали по рівному дну каньйону, на відстані до 100 кілометрів від їх джерела. Їх форма залежить лише від геометрії каньйону, як для найдавніших зсувів (3,5 мільярда років), так і для останніх (50 мільйонів років). Отже, явища, що їх спричинили, мають, мабуть, однакову природу. Обсяги відкладень коливаються від 10 кубічних кілометрів до понад 5000 кубічних кілометрів, і тому в середньому в десять разів більші за зсуви. Це головним чином через меншу марсіанську гравітацію. Зсуви закінчуються хребтом, характерним для швидких сміттєвих потоків, що створюються зі швидкістю кілька десятків кілометрів на годину. Це передбачає низькі коефіцієнти тертя, що виключає процеси, в яких домінує вода.
Подекуди аналіз шарів залишається можливим і показує помітну різницю між західною частиною та східною частиною Валлес-Марінеріс. На заході стіни каньйону складаються із стопки горизонтальних та паралельних шарів, темних та розсипчастих на вигляд. Ці шари інтерпретуються як скупчення лави та вулканічного попелу у висоту понад десять кілометрів. Ці лави походили б від діяльності гігантських вулканів купола Тарсіса.
Роль вулканів
На сході нагромадження вулканічних шарів обмежено верхньою частиною стін. В основі схилів ми знаходимо незвичайні скелі на Марсі. Згідно зі спектральним дослідженням, яке аналізує світло, відбите від матеріалів, ці прозорі, тріщиноваті гірські породи багаті ортопіроксенами. Вони схожі на марсіанський метеорит ALH84001, вік якого перевищує 4,1 мільярда років. Цей метеорит і гірські породи на дні Валлес-Марінеріс можуть бути зразками первісної марсіанської кори. Цю кору, яка утворює зовнішню оболонку планети, було б створено кристалізацією океану магми, що охолоджується незабаром після утворення планети.
Таким чином, ці гірські породи можуть бути першими свідками диференціації, а також затвердіння планети більше чотирьох мільярдів років тому! Вони утворилися до каньйону. Таких порід на Землі не існує, оскільки більша частина кори була перероблена тектонікою плит, процес відсутній на Марсі. Більшість гірських порід на поверхні дуже старі, але вони часто модифікувались і змінювались внаслідок ударів метеоритів та ерозії.
Легкі скелі біля основи схилів не є винятком із цього правила. Бомбардування метеоритами, дуже інтенсивне на початку історії Червоної планети, може бути причиною їх пошкодженого вигляду.
Ще одна зміна спостерігається у верхній частині примітивної кори. Товстий глинистий шар свідчить про те, що кора піддалася трансформації у присутності води незабаром після її розміщення. Ми побачимо, що цей шар дає змогу висвітлити особливі умови навколишнього середовища, що панували під час Ноачієна.
Інші спостереження підкреслюють різницю в складі між східними та західними структурами стін каньйону, лінія розмежування яких проходить через Копратес Часму. Метеоритні кратери діаметром вісім-десять кілометрів мають центральний пік, який формується під час відскоку після удару метеорита. Пік містить ґрунтовий матеріал із глибини, яка в один і два рази перевищує діаметр кратера. На заході вершини кратерів складені з вулканічних порід, на сході з примітивної кори.
Про походження цього розділення досі дискутують: воно може представляти межі давнього мега-кратера, розташованого на Заході, який створює басейн, що накопичує вулканічний матеріал і заглиблюється в міру заповнення, або ж мега-тріщина, яка рухає кору вглиб на Заході і виводить його на поверхню на Сході.
Таким чином, стіна дає приблизний контур геологічної історії Марса та Валлеса Марінеріса. Після формування планети магма диференціювалася б і утворила б марсіанську кору чотири мільярди років тому. Тоді вулканізм, за часів доноакійської та ноакійської, покрив первісну кору густими вулканічними відкладеннями. Це покриття було більш важливим у західній частині Валлес Марінеріс. Формування купола Тарсіса чинило напруження на літосферу, аж до її розриву та формування каньйону.
Ще один вулканічний прояв спостерігається у Вальєс Марінеріс. Це вертикальні вени, які тягнуться у напрямку Схід-Захід, паралельно каньйону. Ці вени з’являються в примітивній корі стін каньйону у вигляді смуг, довжиною кілька кілометрів і шириною близько 50 метрів (див. Малюнок на сторінці 38). Вони темніші і збагачені олівіном, силікатним мінералом. Ці вени, безумовно, відповідають вулканічним отворам, званим дайками, які проникають в навколишню породу. Магма піднімається в димоходах, потім охолоджується; він кристалізується і утворює олівін. Ці дамби можуть також пояснити скупчення лави, що спостерігається на вершині схилів. Деякі димоходи могли виникнути у верхній частині стін, де поширювалася лава.
Такі дамби часто можна побачити на Землі, але рідко у таких великих розмірах. Їх орієнтація, паралельна каньйону, передбачає зв'язок з регіональною тектонікою, відповідальною за формування більшості ландшафтів Валлес Марінеріс, а також самого каньйону. Період формування дамб невідомий, але магма могла проникнути в розломи, створені одночасно з каньйоном. За словами Джеффрі Ендрюс-Ханни, з Колорадської школи шахт, розширення магми в дамбах дозволило відокремити блоки літосфери. Це сприяло б обваленню центрального блоку, що утворює дно каньйону. Дайки містять також інформацію про примітивний склад мантії планети, звідки походить магма.
Прояв тектоніки
Тектоніка, значною мірою відповідальна за відкриття каньйону, виражається також наявністю інших споруд. Noctis Labyrinthus, західна частина долини Валле-Марінеріс, являє собою складний набір западин, закритих або з'єднаних вузькими коридорами, іноді частково заповненими осадовими відкладеннями або вулканічним матеріалом. Краї цих западин слідують або в напрямі схід-захід розломів грабену Валле-Марінеріс, або напрямку системи розломів, орієнтованих на північ-південь, видимих на північ від Лабіринту Ноктіса. Походження цих западин досі обговорюється. Це було б пов'язано із силами розширення літосфери та нагріванням верхньої кори магмою. Останнє явище могло б призвести до танення льоду, що міститься в перших кілометрах кори. Вода могла б просочитися глибоко вздовж розломів розширення, в результаті чого гірські породи руйнувалися. Таким чином ми отримали б цю морфологію замкнутих або слабко пов'язаних западин.
Грунт у формі води
Але ці свідчення підтверджують, що вулканізм і тектоніка зіграли велику роль у формуванні Валлеса Марінеріса. Однак вода також сформувала його пейзажі. Наприклад, стіни каньйону іноді покриті трикутними алювіальними конусами, які беруть початок у живильних долинах вище за течією, на плоскогір’ях. Ця фізіономія відрізняє їх від зсувів. Шишки утворені з маси матеріалів, що транспортуються водою до підніжжя рельєфів.
У гирлі Долини Марінеріс, у його східному кінці, є тераси: рівні, східчасті ділянки, заглиблені в стіни завдяки стійкій річковій діяльності.
Однак стіни каньйону - не єдині свідки проходження води. Вода неодноразово стікала, розмивалась, ліпила та відкладала матеріали всередину каньйону. Дно шасмат, розташованих на схід, таких як Капрі Часма і Ганг Часма, відрізняється від дна інших шасмат, оскільки воно покрите безліччю пагорбів і кутових блоків, шириною в кілька кілометрів, утворюючи грубу топографію, яку називають хаосом або хаотичного фону.
Хаотичні регіони часті далі на схід від Валлес-Марінеріс, в регіоні Маргаріфер-Терра, де вони спостерігаються в поєднанні з руйнуючимися каналами, перекопаними бурхливою водою. Таким чином, хаотичні кургани, що покривають дно східної частини каньйону, були створені під час коротких та інтенсивних потоків води, над і під поверхнею, під час відкриття долини Валле-Марінеріс. Ці хвилі води могли б бути результатом танення льоду під поверхнею, пов’язаного чи ні з вулканізмом. Можливо, це призвело до дестабілізації надр, внаслідок чого земля зруйнувалася і сформувала міцні форми рельєфу.
Стратифіковані відклади - найзагадковіші утворення в регіоні. Земля майже всіх хасмат, включаючи хаотичне дно, вкрита цими шаруватими відкладами, товщиною в кілька кілометрів, з рівним верхом і міцним альбедо. Їх походження невідомо, але ці відклади можуть бути пов'язані з осадженням в озерному середовищі, зміною залишків матеріалів, що складають стіни каньйонів, утворенням підльодовикових вулканічних структур або накопиченням еолових відкладень або вулканічних. Омега-спектрометр на борту Mars Express показав, що ці матеріали багаті сульфатами. Гігантський обсяг родовищ робить Валле Марінеріс найбільшим резервуаром сульфатів на поверхні планети. Наявність сульфатів передбачає дію рідкої води на або після утворення цих відкладень.
Найбільше сульфатне водосховище на Марсі
Вік цих відкладень погано визначений, але було показано, що утворення сульфатів відбувається після відкриття каньйону та встановлення хаотичного дна, яке спочатку було вкрите осадами. Гідрологічна активність на цьому не зупиняється, оскільки шаруваті відкладення розмиваються, утворюючи насипи, що виявляють хаотичні дні.
Хоча значну частину цієї ерозії можна віднести до вітру, який залишає на рельєфах хребти і який накопичує найдрібніші частинки в западинах, часто у вигляді дюн, певні характерні морфології можуть відповідати лише водної ерозії. Це випадок з гігантськими смугами Схід-Захід Капрі Часми. Ці позначки течії сягають приблизно 500 кілометрів у довжину та 40 кілометрів у ширину і закінчуються біля терас, висічених у стінах у східному гирлі каньйону.
Дослідження родовищ показує, що на планеті відбулися зміни умов навколишнього середовища 3,5 мільярда років тому, коли каньйон відкрився, що призводить до еволюції типів осадових відкладень. Присутність сульфатів у стратифікованих відкладах, під час гесперіанського, відображає зміну при кислому рН, тоді як глини, виявлені в лавах ноакійських грунтів, утворюються при нейтральному рН.
Однак ця зміна в хімії поверхні, здається, не пов'язана з раптовими змінами клімату, оскільки рідка вода могла б бути в достатку в регіоні по всій гесперській. Можливо, більш поглиблене дослідження Валлеса Марінеріса виявить причини цих екологічних змін.
Зонд mro дозволив більш детальні спостереження за Валлесом Марінерісом та пояснив геологічну історію району, хоча хронологія подій, що сформували ландшафти каньйону, ще не повністю встановлена.
Таким чином, у перші «віки» червоної планети утворилася б первісна кора, а глинистий шар утворився б під впливом води. Потім настали часи геологічних потрясінь, з виверженнями вулканів та відкриттям каньйону. Нарешті, водна ерозія виліпила б стіни та грунт Валлеса Марінеріса.