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Grabenbrüche - Valles Marineris

Ein Superlativ der Marsoberfläche ist ein riesiges, rund 1/5 des Marsumfangs einnehmendes Canyon-System, für das es kein vergleichbares Objekt im Sonnensystem mehr gibt. Allein schon die Zahlen sind beeindruckend: Ost-West-Ausdehnung 4000 – 4500 km, maximale Breite ~400 km, Tiefe bis zu 10 km. Im Vergleich dazu ist der berühmte Grand Canyon in Arizona/USA mit einer Längenausdehnung von 450 km und einer Breite von ~30 km nur ein kleiner unbedeutender Riß in der Erdoberfläche, der gerade einmal eine Tiefe von 1.7 km erreicht. Auf die Erde übertragen würde der Mars-Canyon immerhin von der Westküste Nordamerikas bis fast zur Ostküste reichen.

Bei dieser Talstruktur handelt es sich nach allgemeiner Auffassung um einen riesigen Grabenbruch (vergleichbar mit dem Ostafrikanischen Riftsystem auf der Erde), dessen Entstehung im Zusammenhang mit der Tharsis-Aufwölbung zu sehen ist. Er verläuft weitgehend parallel zum Marsäquator und besteht aus einem System von Gräben und Depressionen unterschiedlicher Größe. Benannt wurde er nach der amerikanischen Marssonde Mariner 9. Zwar war diese Struktur als „canali“ bereits auf alten Marskarten auszumachen. Was sich dahinter verbirgt, war aber im Zeitalter der teleskopischen Erforschung des Mars noch weitgehend strittig. Visuell ist sie unter idealen Sichtbedingungen lediglich als eine unauffällige dunklere Albedostruktur wahrzunehmen. Erst die Aufnahmen von Mariner 9 aus dem Jahre 1971 zeigte diese riesige Bruchstruktur in ihrer ganzen Ausdehnung, weshalb sie auch von der IAU mit dem Namen „Valles Marineris“, also „Mariner Täler“, bedacht wurde.

Topographie der Mariner-Täler

Die Mariner-Täler beginnen im westlichen Tharsis-Hochland in einem in viele Täler chaotisch zerissenen Landstrich, dem „Labyrint der Nacht“ (Noctis Labyrinthus). Im zentralen Teil bilden die steil abfallenden Täler eine netzwerkartige Struktur, zwischen denen große und kleinere Platten zu erkennen sind und die alle ungefähr die gleiche Höhe (zwischen 7.5 und 8 km) besitzen. In diesen zentralen, labyrintartigen Teil streichen, von Norden kommend, eine Vielzahl von einzelnen Tälern hinein (Noctis Fossae), die sich vernetzen und eine in der Tendenz nach Süden weisenden Bogen bilden, der einen Teil von Syria Planum umschließt. In Richtung Osten werden die Talweiten größer und man erkennt eine große, innen mit chaotisch stehengebliebenen Gesteinsblöcken übersäte Depression, die anschließend in die ersten beiden parallelen Haupttäler des Valles Marineris, Tithonium Chasma (nördlich) und Ius Chasma (südlich), übergeht.

Im mittleren Teil des Valles Marineris bilden drei große Tal-strukturen eine in ihrem Zentralteil verbundene und dort ca. 600 km breite Depression: Ophir Chasma, Candor Chasma und in Fortsetzung des Ius Chasma, Melas Chasma. Geologisch ist dieser Bereich des Valleys besonders durch das Vorkommen von mächtigen Schichten von Ablagerungen auffällig, die immerhin im westlichen Teil von Candor Chasma eine Mächtigkeit von ~6 km erreichen. Im westlich anschließenden, mit der Tendenz nach Norden verlaufenden Juventae Chasma, konnte auf Aufnahmen der Sonde Mars Express sogar eindeutig sulfatreiche Ablage-rungen (wahrscheinlich Gips) entdeckt werden, für deren Entstehung flüssiges Wasser zwingend erforderlich ist. Sie sind damit ein wichtiges Zeugnis aus einer Zeit, als das Klima auf dem Mars noch feucht und warm war.

Etwas aus dem Rahmen fällt Hebes Chasma, welches sich nordwestlich von Ophir Chasma befindet und mit ihrer nördlichen Seite direkt an den Marsäquator grenzt. Die maximale Ausdehnung beträgt 320 km in Ost-West-Richtung, 130 km in Nord-Süd-Richtung und die Tiefe erreicht einen Wert von ~8 km. Im Zentrum dieses Chasmas (für „tiefe Erdspalte“) ist eine tafelbergartige Erhebung zu erkennen, die mit 7 km fast wieder die Höhe der umgebenden Hochfläche des Lunae Planum erreicht. Die gesamte Talstruktur ist vollständig von Steilhängen umgeben, so daß nicht einmal eine direkte Verbindung zum nordwestlich gelegenen Echus Chasma besteht. Man spricht in solch einem Fall von einer „abflußlosen“ Depression.

Von der ovalen Depression Melas Chasma ausgehend setzt sich der östliche Hauptteil des Valles Marineris in Form des fast 1000 km langen Coprates Chasma fort. Es ist zwischen 60 und 100 km breit und erreicht eine Tiefe von 8 bis 9 km. Nördlich wird sie durch die Ebene Ophir Planum und südlich vom Thaumasia-Hochland begrenzt. Morphologisch außergewöhnlich ist eine südlich zum Graben parallel verlaufende Struktur aus zahlreichen, z.T. kettenartig verbundenen Gruben, die einen Durchmesser von bis zu 22 km und eine Tiefe von 5 km erreichen. In ihren östlichen Ausläufer bilden sie sogar mehrere parallel angeordnete Risse unterschiedlicher Ausprägung, Diese Struktur hat den Namen Coprates Catena („catena“ – lateinisch für „Kette“) erhalten. Es ist ziemlich sicher, daß man es hier mit tektonischen Dehnungsstrukturen zu tun hat, bei denen Teile der oberen Marskruste zwischen dem aufgebrochenen Hochland entlang der tief reichenden Dehnungsbrüche eingesunken sind.

Am Ende des Coprates Chasma schließen sich weitere, leicht nach Nordost verlaufende und nicht ganz so auffällige Chasmata an: Eos Chasma, Capri Chasma und als nördliches „Seitental“ Gangis Chasma. Sie sind bedeutend flacher als die Täler im Zentralteil des Valles und erscheinen auch in ihrer Begrenzung viel irregulärer. In der Tendenz öffnen sie sich in Richtung des Chryse-Beckens, wobei das Terrain chaotischer wird und sich darüber hinaus immer mehr Strukturen ehemals fluviatiler oder glazialer Aktivität (Ausflußtäler) bemerkbar machen.

Eine Reise durch das Tal der Superlative …

Der hochauflösenden Stereokamera HRSC der ESA-Sonde Mars Expreß verdanken wir einige großartige 3D-Panoramaansichten von Teilen dieses Grabensystems, welche einen visuellen Einblick in die komplexe Geologie dieser atemberaubenden Landschaft ermöglichen. Sie sollen deshalb im Folgenden verwendet werden, um schlaglichtartig einige repräsentative oder anderweitig interessante Teile des Valles näher vorzustellen, bevor die Theorien zu dessen Entstehung näher behandelt werden.

Topographische Einheiten des Valles Marineris-Grabenbruchsystems. Sie verlaufen parallel zum Marsäquator und erreichen je nach Abgrenzung eine Länge zwischen 4000 und 4500 km, d.h. rund 1/5 des Marsumfangs.

Noctis Labyrinthus

Dem „Labyrint der Nacht“ sieht man es schon an, daß es als Ergebnis der Tharsis-Aufwölbung entstanden ist. Dabei bildeten sich durch horizontalen Streß Risse in der Marskruste, in deren Bereich Teile absackten und andere Teile in Form von größeren Blöcken stehenblieben. So entstand ein labyrintartiges Netzwerk in Form von bis zu 5 km tiefen Gräben, welche die stehengebliebenen Platten der ursprünglichen Oberfläche begrenzen.

Kartendarstellung von Noctis Labyrinthus. Die Täler, die von Norden einstreichen, bilden die Noctis Fossae. Im Süden umschließt das „Labyrinth“ den nördlichen Teil von Syria Planum. Quelle NASA

80x85 km großer Ausschnitt von Noctis Labyrinthus. Quelle ESA, DLR

Überhöht dargestellte perspektivische Ansicht des in der vorherigen Abbildung dargestellten Tals mit mehreren Kilometern hohen Steilhängen. Quelle ESA, DLR, Neukum

Der höchste Punkt von Noctis Labyrinthus (ca. 9 km) liegt ungefähr in der Mitte des Labyrinths. Das entspricht auch in etwa dem Konvergenzpunkt vieler Risse und Talstrukturen, wobei die meisten ungefähr radial zur Tharsis-Aufwölbung verlaufen. Im Westteil ist eine auffällige Krümmung zu beobachten, die dazu führt, daß das nahezu kreisförmige Syria Planum von West über Nord und Ost von dieser mosaikartigen Grabenstruktur halbseitig begrenzt wird.

Tithonium und Ius Chasma

Der östliche Teil des Noctis Labyrinthus verbreitert sich zu einer größeren Depression, von der ausgehend die ersten beiden großen Hauptgräben des Valles Marineris, Tithonium und Ius Chasma, ihren Anfang nehmen.

Tithonium Chasma, der nördliche und schmalere der beiden Gräben, endet quasi abflußlos in einer Reihe von kleineren Depressionen oder Einbrüchen, den Tithonia Catanae. Ius Chasma verbreitert sich dagegen, je weiter nach Osten man sich bewegt, wobei ein schmaler Bergrücken z.T. etwas asymmetrisch zur Mitte stehengeblieben ist. Tendenziell nimmt die Tiefe des Grabens von 0 Meter auf -3000 Meter über eine Entfernung von rund 900 km zu (bezogen auf die Normal Null-Line des Mars), bis er sich in das Melas Chasma verbreitert. Dort erreicht er eine maximale Breite von 110 km. Auf der Südseite des Grabens erkennt man eine große Anzahl von tiefen Seitentälern, die sich canyonartig bis zu 100 km in die Ebene des Sinai Planum erstrecken.

Tithonium und Ius Chasma sind Grabenbrüche, die durch horizontale Ausdehnung der Lithosphäre entstehen, wenn Teile der Oberfläche entlang von Brüchen kollabieren. Quelle NASA

Entstehung von Grabenbrüchen durch Zugkräfte, die den Gesteinszusammenhang überschreiten. Quelle NASA, MOLA

Im Eingansbereich dieser beiden Täler wurden am Boden der Canyons Schichten dunkler Gesteine entdeckt, die man als Interior Layered Deposits bezeichnet und deren Natur noch weitgehend unbekannt ist. Man vermutet, daß sie vulkanischen Ursprungs sind. Auch sind sie offensichtlich durch erosive Prozesse beeinflußt, bei denen insbesondere auch glaziale Aktivitäten eine Rolle gespielt haben.

Typisch für die Randbereiche der Brüche, die in diesem Teil des Valleys bis zu 5 km abfallen, sind mächtige Hangrutschungen, die ganz wesentlich deren Morphologie bestimmen. Sie bilden am Talgrund riesige Schuttfächer mit einer chaotisch erscheinenden Oberfläche, die an manchen Stellen sogar mit dünenartigen Strukturen überprägt sind. Diese Hangrutschungen führen im Laufe der Zeit zu einer Verbreiterung der Talstrukturen.

Westlicher „Eingang“ in Tithonium (oben) und Ius Chasma, aufgenommen mit der HRSC-Kamera von Mars Express. Quelle ESA, Neukum

Mittlerer und östlicher Teil des Tithonium- und Ius Chasmas, aufgenom¬men mit der HiRISE-Kamera (High Resolution Imaging Science Experiment) des Mars Reconnaissance Orbiters. Quelle NASA, HiRISE Team

Ophir-, Candor- Melas- und Hebes-Chasma

Der mittlere Teil des Talsystems wird durch drei riesige Depressionen gebildet, die in Nord-Süd-Richtung miteinander verbunden sind und in dieser Richtung eine Ausdehnung von ~600 km erreichen. Dazu kommt noch Hebes Chasma, die eine eigene Entität bildet und keine Verbindungen zu anderen Einbruchstrukturen besitzt. Wäre sie mit Wasser gefüllt, würde man von einer abflußlosen Depression sprechen, die in ihrer Mitte eine große langgezogene flache Insel besitzt. Sie befindet sich nordwestlich von Ophir Chasma und hat eine Längenausdehnung von ~320 km und eine Breite von ~130 km. In ihrer zu den Haupttälern parallel verlaufenden Verlängerung erkennt man auf den Satellitenaufnahmen eine Reihe kleinerer, z.T. miteinander verbundener Einbruchstrukturen, welche den Namen Ganges Catena erhalten haben.

Melas Chasma stellt eine nach Süden erosiv in zwei Einbuchtungen erweiterte Struktur des Hauptgrabens dar, der sich nach Osten als Coprates Chasma noch fast 1000 km fortsetzt. Hier erreicht der Grabenbruch auch mit über 10 km seine größte Tiefe.

Ophir und Candor Chasma, die sich nur in ihrer Längenausdehnung stark unterscheiden, haben in etwa ein rechteckiges Aussehen. Sie sind durch einen Durchbruch miteinander verbunden. Ein Teil der Schuttmassen, die sich durch erosive Vorgänge in Form von Bergstürzen und Hangabbrüchen von den Talrändern gelöst haben, findet man in deren Inneren. Einige Teile von „geschichteten Formationen“ sind aber auch in Form von einzelnen Tafelbergen stehengeblieben, was man besonders gut im westlichen Candor Chasma erkennen kann.

Eine detaillierte Untersuchung der Abbruchkanten und der Oberfläche der Talböden führte zur Entdeckung von geschichteten Sedimenten, die im westlichen Candor Chasma eine Mächtigkeit von ca. 6 km erreichen. Ob diese Sedimente überwiegend vulkanischen, äolischen oder fluvatilen Ursprungs sind, kann mit letzter Sicherheit noch nicht gesagt werden. Die oberen Gesteinsschichten scheinen jedenfalls aus vielen Lagen sogenannter Plateaubasalte zu bestehen, da sie ein anderes Erosionsverhalten zeigen als die darunterliegenden Schichten, die auch mehr zu Hangrutschungen neigen. Auch findet man im Talgrund der Chasmen tafelbergähnliche Formationen von dunkleren Ge-steinen, die sich z.B. im Candor Chasma ~1.2 km über deren Boden erheben. Sie gehören zu den Interior Layered Deposits, die man auch an anderen Stellen des Valles gefunden hat. Eine spektral-chemische Analyse mit dem OMEGA (Visible and Infrared Mineralogical Mapping Spectrometer) – Instrument auf Mars-Express zeigt, daß die dort anstehenden Gesteinsschichten offensichtlich reich an polyhydratisierten Sulfaten (CaSO4•2H2O) sowie Kieserit (Mg[SO4]•H2O) sind (Hauber et.al. 2006). Es könnte sich dabei um durch Grundwasser chemisch veränderte Lagen ehemaliger pyroklastischer Ablagerungen handeln, die aus einer frühen Phase des Tharsis-Vulkanismus stammen. Das ist auch deshalb nicht unwahrscheinlich, da sich ab dem Zentralteil des Valles Marineris geologische Hinweise auf die ehemalige Präsenz von Wasser in flüssiger und fester Form häufen. Auf jeden Fall hat Wasser bei der Ausprägung der Täler des Valles Marineris einmal eine gewisse Rolle gespielt.

Mittelteil des Valles Marineris mit von Norden nach Süden Ophir-, Candor- und Melas Chasma. Links oberhalb von Ophir Chasma befindet sich das „abflußlose“ Hebes Chasma mit ihrer „langgezogenen Insel“ im Zentrum.

Abbruchkante im Bereich des Candor Chasmas, aufgenommen mit der hochauflösenden Stereo-Kamera HRSC auf Mars Express. Die steilen Wände, die das Chasma begrenzen, erreichen eine Höhe von ca. 8500 m. Quelle ESA, Neukum

Ausgedehnte sedimentative Strukturen wurden zuerst von MGS im westlichen Bereich des Candor Chasmas entdeckt und haben nicht nur unter den Planetologen eine gewisse Aufmerksamkeit hervorgerufen. Immerhin glaubt man hier direkte Hinweise auf eine Sedimentation in einem größeren stehenden Gewässer gefunden zu haben. Man erkennt auf der Aufnahme mehrere, sehr gleichmäßige plattenartige Schichten, die jeweils ungefähr 10 m dick sind und die an ihren Rändern deutlich Stufen bilden. Ihre Oberflächen sind weitgehend glatt und auch fest, was man daran erkennt, daß sie der Erosion einen gewissen Widerstand entgegen setzen. Sie zeugen von periodischen Prozessen der Ablagerung feinen Materials und deren Verfestigung, wie man es auch bei irdischen Gesteinsfolgen, z.B. sehr eindrucksvoll im Grand Canyon, sehen kann.

Ausschnitt aus Ophir Chasma mit vielen unterschiedlichen und nicht immer leicht zu interpretierenden Geländeformen. Die Breite des Ausschnitts beträgt etwa 300 km. Quelle ESA, Neukum

Detail aus einer Region im westlichen Candor Chasma, welches deutlich geschichtete Sedimente zeigt, die erosiv (vielleicht durch Wind) herausgearbeitet sind. Man geht davon aus, daß sie sich in einem ehemaligen flachen See abgelagert haben. Bildgröße 1.5x2.9 km. Quelle NASA, MGS

Die Frage ist, ob die Sedimente erst nach der Grabenbruchbildung (als in den Gräben flache Seen ähnlich denen der Ostafrikanischen Gräben auf der Erde bestanden) oder bereits davor abgelagert wurden. Einige Geologen vermuten, daß die Sedimentation bereits lange vor der Grabenbruchbildung in einem Meteoritenkrater stattgefunden hat, der damals einen flachen See beherbergte. Später wurde er durch vulkanisches Material abgedeckt und erst die Grabenbruchbildung im Zuge der Tharsis-Aufwölbung hat diese Schichten lokal am Grabenboden wieder aufgeschlossen.

Gegenwärtig werden insbesondere auf Grundlage der hoch-auflösenden Aufnahmen von Mars Express (HRSC) und Mars Reconnaissance Orbiter (HiRISE) verschiedene geologische Formationen, die als Sedimente interpretiert werden, im Bereich des Valles näher untersucht. Ziel ist die Entwicklung eines konsistenten Modells ihrer Entstehung. Das einmal stehende Gewässer existiert haben müssen, wird durch eine Vielzahl von Indizien nahegelegt. Im Bereich Ophir und Candor Chasma ist deren gemeinsame Trennlinie offenbar mit Sedimentfolgen überlagert, was zeigt, daß sie jünger sein muß als der Durchbruch selbst (LUCCHITTA et.al. 1992). Auch zeigen diese Sedimente ein anderes erosives und optisches Verhalten als das Material der Canyonwände. Auch das gilt als ein Indiz dafür, daß es wahrscheinlich erst eine zeitlang nach der Grabenbildung abgelagert worden ist.

Die ehemalige Existenz von 2000 bis 3000 m tiefen Grabenseen wird auch durch die noch zu behandelnden Ausflußkanäle, die sich beginnend in dem chaotischen Terrain von Capri und Eos Chasma in die nördlichen Chryse-Region (Chryse Planitia) erstrecken, nahegelegt. Und nicht zuletzt soll noch auf die bereits erwähnte Entdeckung sulfatreichen Materials hingewiesen werden, für deren Entstehung man dann keine komplizierten Theorien wie z.B. über die Existenz von zirkulierendem Grundwasser, heranziehen muß. Es handelt sich dann einfach um, wie auf der Erde, gewöhnliche Evaporite. Nur leider ist auch diese Erklärung nicht ganz stimmig, denn man hat bei einigen der sulfatreichen Sedimente eine Schrägschichtung (z.B. in Hebes Chasma, HAUBER et. al. 2006) festgestellt, die immerhin 22° erreicht. Das spricht gegen einer Ablagerung in einem See, insofern sich die Schichtneigung nicht anderweitig erklären läßt.

Die Hypothese, daß es in den Haupttälern des Valles Marineris in ferner Vergangenheit einmal Seen gegeben hat (für Juventae Chasma gilt das als erwiesen, da sich dessen Inhalt teilweise nach Norden entleert und dabei nicht anders interpretierbare Spuren in Form des Maja Vallis hinterlassen hat), wirft viele interessante, aber auch schwierige Fragen auf. Diese Fragen betreffen die frühe Entwicklung des Grabenbruchsystems (die einzelnen Chasmen mußten bis in eine Höhe von ~3000 m noch abflußlos und auch noch nicht verbunden sein), die Frage, woher das Wasser stammt, welches die Seen gefüllt hat (Regenwasser in einer warmen Klimaperiode, Aufschmelzen von mächtigen Eisdepositionen auf der Oberfläche durch aufsteigende Magmen (MISHENA et. al. 2003), durch Aufschmelzung unterirdischer Eiseinlagerungen bei der Grabenbildung) und natürlich die Frage der zeitlichen Einordnung.

Nächstes Mal: Inventae Chasma, Coprates Chasma, Eos- und Capri Chasma ...