Major Aspects of the Chronostratigraphy and Geologic Evolutionary History of Mars : Wesentliche Aspekte der Chronostratigraphie und geologischen Entwicklungsgeschichte des Mars

• Main Author: Werner, Stephanie C.
• Format: Thesis
• Language: unknown
• Published: Freie Universität Berlin 2006
• Subjects: Mars; crater statistics; geological history; 500 Naturwissenschaften und Mathematik550 Geowissenschaften, Geologie550 Geowissenschaften; Gusev; North Pole; Olympus; Valles; Venus
• Online Access: https://dx.doi.org/10.17169/refubium-15705; https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/11507

Title, Preface and Acknowledgements Contents 1. Extended Abstract V 2. Deutsche Zusammenfassung IX 3. Introduction and Motivation 1 I. Introduction to the Background Theory and Open Scientific Issues 5 4. The Base of Our Knowledge - The Moon, Earth and Venus 7 4.1. Geologic Evolution of the Moon 8 4.2. The Chronostratigraphy of the Moon 9 5 The Adaptation from the Moon to Mars 15 5.1. The Reference System, Moon: Cratering Record 15 5.2. The Reference System, Moon: Impactor Flux 15 5.3. The Mars-Moon Cratering Rate Ratio Flux 16 6. Martian Global Geology 19 6.1. What Do Martian Meteorites Tell Us About Mars 20 6.2. The Viking-based Stratigraphic System of Mars 22 6.3. Towards A New Time-Stratigraphy 26 6.4. The Geophysical Mars after Mars Global Surveyor 28 7. Cratering on Mars 31 7.1. Cratering Mechanics 31 7.2. Crater Modeling 33 7.3. Impact Crater Morphologies 33 7.4. Crater Morphologies: Indicators of Sub-Surface Water 34 II. Application and Improvement of the Age Dating Techniques, Secondary Cratering, and the Martian Crater Size-Frequency Distribution 41 8. Age Dating Techniques 45 8.1. Cumulative Crater Size-Frequency Distribution 45 8.2. Cumulative Cratering Rate 46 8.3. Relative and Absolute Ages 46 8.3.1. Errors in the Relative and Absolute Ages 46 9. Absolute Ages in Resurfaced Units - Refinement of the Method 49 9.1. How Do Crater Counts Reveal Resurfacing? 50 10. Secondary Cratering 55 10.1. Remote Secondary Cratering: The Zunil Case 56 10.1.1. Characteristics of the Zunil secondary strewn field 58 10.1.2. Reasoning for a steep primary crater size distribution branch 60 10.2. Gedankenexperiment: Secondary Cratering 60 10.2.1. Construction of a hypothetical total crater distribution 62 10.3. Hypothetical Secondary-Crater Contribution 65 10.4. Small-crater production on Mars observed by MGS 67 10.5. Conclusion 68 11 The Observed Martian Crater Production Function 69 III. Re-Assessment of the Martian Stratigraphy 73 12. Athabasca Valles: A Case Study 77 12.1. Implications for the Martian Crater Size-Frequency Distribution and Age Determination 79 13. Martian Cratering and Implications for the Chronostratigraphy 81 13.1. Martian Impact Basin Ages 82 13.2. Gusev Crater - The MER Spirit Landing Site 85 14. Northern Lowlands, Highland-Lowland Dichotomy, and Fluvial Activity 89 14.1. Northern Lowland Stratigraphy 90 14.1.1. The Geology of the Chryse Region (Zone 1) 90 14.1.2. The Chronostratigraphy of the Chryse Region 91 14.1.3. The Geology of the Utopia Basin and its Vicinity (Zone 2) 93 14.1.4. The Zone-2 Chronostratigraphy 95 14.1.5. The Elysium Volcanic Province and Amazonis Planitia (Zone 3) - Geology and Chrono-Stratigraphy 96 14.1.6. Between Alba Patera and the North Pole (Zone 4) - Geology and Chrono- Stratigraphy 97 14.1.7. The Viking-Based Chronostratigraphy of the Northern Lowlands, Summary 98 14.2. The Highland-Lowland Dichotomy Boundary between 30°W and 270°W 100 14.2.1. Geology 101 14.2.2. Chronostratigraphy 103 14.3. Giant Polygonal Trough Units in the Northern Lowlands 105 14.3.1. Geology 106 14.3.2. Crater Morphologies 108 14.4. The Medusae Fossae Formation 111 14.5. Outflow Channels: Mangala, Kasei, and Ares Valles 113 14.6. Implications of the Evolutionary History of the Highland-Lowland Boundary, and the Northern Lowlands 117 15. Volcanic Activity on Mars 121 15.1. The Tharsis Volcanic Province 124 15.1.1. Alba Patera 124 15.1.2. The Tharsis Montes 125 15.1.3. Olympus Mons 127 15.1.4. The Tholi and Paterae on Tharsis 130 15.2. The Elysium Volcanic Province 132 15.3. Highland Paterae 135 15.4. Volcanic Plains 137 15.5. The Volcanic Constructs - Discussion of Results 138 16. Fluvial, Glacial and Volcanic Interaction 141 IV. The Evolutionary History of Mars 145 17. Stratigraphic Type Areas Re-Visited 149 17.1. Ages of Martian Basins and the Noachian Epoch 149 17.2. The Hesperian Epoch 150 17.3. The Amazonian Epoch 152 18. Results, Prospects, and Applications 153 A. Northern Lowlands - Crater Size-Frequency Distributions and Images I A.1. Kasei Valles - Images and Crater Size-Frequency Distributions XV B. Volcanism on Mars - Crater Size-Frequency Distributions and Images XVII C. Fluvial, Glacial, and Volcanic Interaction XXXVII References LXIII : This thesis was conducted in the framework of the German Research Foundation's priority program "Mars and the Terrestrial Planets". The aim was to improve and/or verify the existing chronostratigraphic system of Mars and to understand globally the geologic evolutionary history of Mars focusing on the volcanic, fluvial, and possible glacial processes. This implies the photogeologic analysis of all available types of Martian imagery in order to cover the diversity of Martian landforms in time and space. Therefore, crater frequencies are determined for appropriate geologically mapped units and absolute ages derived. The lunar crater production function and the chronology model was confirmed for the Martian case, e.g. the theoretical crater production function was proven over the entire (50 meters to 500 kilometers). Any deviation from the confirmed Martian standard crater production function indicate resurfacing events. In such cases the method of age determination has been improved. The influence of secondary cratering on a measurement is at most 10 percent. Type areas of the Martian epochs (Noachian, Hesperian and Amazonian) such as Noachis Terra, Hesperia Planum, northern lowland regions, Amazonis and Elysium Planitia, have been examined, to understanding the role of water during the Martian geologic evolution. The younger fluvial erosion is closely related to volcanic activity and occurred in episodes over the last 2 billion years. Extensive measurements in volcanic units allowed for the interpretation of the evolutionary history of Martian volcanic activity. An interplay of volcanic processes with ancient and more recent fluvial and glacial activity is confirmed. Globally, the volcanic activity started very early in the Martian evolution. Most of the volcanoes achieved their present dimensions at least until 3.5 Ga ago. Later volcanic resurfacing indicates a weakening of the volcanic activity after the construct-forming period. Another major finding is that the volcanic activity on Mars continued until very recently (e.g. 2 Ma at the flanks of Olympus Mons), and is more wide--spread than believed earlier. The crystallization ages of basaltic Martian meteorites (about 180 Ma, 450 Ma and 1.3 Ga) confirm this finding. The enigmatic Medusae Fossae formation could be dated for the first time indicating that explosive volcanic eruption occurred even as recently as 1.6 Ga ago. By understanding the evolutionary history of Martian volcanic constructs, the formation time of large impact basins, as well as the evolution of the northern lowlands and the dichotomy boundary, essential time--markers have been gathered in this work, and a coherent view on the global geological evolution of Mars is derived from these ages. Providing that the time--frame outlined in this study is correct, the timing for the thermodynamical evolution of Mars can be assessed. This study revealed that the youngest epoch, the Amazonian, is reflected in a variety of landforms, and includes an absolute time span of three-quarters of the geological record of Mars. This implies that the Amazonian--Hesperian time --stratigraphic boundaries have to be revisited. : Diese Arbeit ist im Rahmen des DFG--Schwerpunktprogramms "Mars und die terrestrischen Planeten" durchgeführt worden. Ziel ist das existierende chronostratigraphische System für den Mars zu prüfen und die globale Entwicklungsgeschichte des Mars zu beschreiben. Schwerpunkt ist dabei die altersmäßige Erfassung der vulkanischen, fluviatilen und möglicher glazialer Prozesse. Dies impliziert eine photogeologische Analyse der für den Mars verfügbaren Bilddaten, um die vielfältigen Landschaftsformen des Mars in zeitlicher und räumlicher Verteilung einzuordnen. Hierzu werden Kraterhäufigkeiten auf den entsprechend geologisch kartierten Einheiten bestimmt und absoluten Altern zugeordnet. Es konnte die lunare Kraterproduktionsverteilung und das Chronologiemodell auch für den Mars bestätigt werden, indem z.B. die theoretische Kraterproduktionsverteilung über den gesamten Kraterdurchmesserbereich (von 50 Meter bis 500 Kilometer) belegt wurde. Abweichungen von dieser bestätigten Mars-Standard- Kraterproduktionsverteilung deuten auf Oberflächen verändernde Prozesse hin. Für solche Fälle ist eine verbesserte Altersbestimmungsprozedur entwickelt worden. Der Einfluss von Sekundärkrater auf eine Messung liegt bei höchstens 10 Prozent. Typregionen der geologischen Epochen des Mars (Noachium, Hesperium und Amazonium), die nördliche Hemisphäre einnehmenden Tiefländer und Ausflusstäler, sowie an der Dichotomiegrenze zwischen Hoch-- und Tiefland liegende Gebiete wurden untersucht, um die Rolle des Wasser in der frühen Phase der Marsentwicklung besser zu verstehen. Jüngere fluviatile Erosion ist eng mit vulkanischer Aktivität verknüpft, und ist episodisch auftretend über die letzten 2 Milliarden Jahre zu beobachten. Umfangreiche Messungen in vulkanischen Einheiten erlauben es, deren Entwicklungsgeschichte sehr genau zu interpretieren, und bestätigen ein Wechselspiel zwischen vulkanischen Prozessen und frühen als auch rezenterer fluviatiler und glazialer Aktivität. Global startete der Marsvulkanismus in dessen Frühphase, so dass die meisten Vulkane ihre endgültige Größe vor etwa 3,5 Ga erreichten. Aus der nachfolgenden vulkanischen Oberflächenüberprägung ist eine Abschwächung der vulkanischen Aktivität nach der Aufbauphase abzuleiten. Ein weiterer wichtiger Befund ist, dass die vulkanische Aktivität auf dem Mars bis in jüngste Zeit anhält (z. B. 2 Ma an den Flanken des Olympus Mons), und der junge Vulkanismus großflächiger ist als zuvor angenommen. Die Kristallisationsalter der basaltischen Marsmeteoriten (etwa 180 Ma, 450 Ma und 1,3 Ga) stützen dies. Erstmalig konnte die Medusae Fossae Formation datiert werden, dies deutet darauf hin, dass explosiver Vulkanismus noch etwa vor 1,6 Ga aufgetreten sein könnte. Aus der Entwicklungsgeschichte der Marsvulkane, der Entstehungszeit der großen Einschlagsbecken und der Entwicklung der nördlichen Tiefebenen und der Dichotomiegrenze sind in dieser Dissertation erstmal die wesentlichen Zeitmarken bestimmt worden, um eine kohärente Darstellung der globalen Entwicklungsgeschichte für den Mars aus diesen Altern abzuleiten. Hiermit ist die zeitliche Abfolge der thermodynamischen Entwicklung vom Mars gegeben. Diese Studie zeigte auch, dass während der jüngsten Epoche, dem Amazonium, vielfältige Landschaftsformen hervorgebracht wurden, sie aber in der geologischen Einordnung des Mars drei Viertel der absoluten Zeitspanne einnimmt. Das heißt, eine Überprüfung der chronostratigraphischen Grenze zwischen dem Hesperium und Amazonium ist nötig.