Areologi

Grunnleggende sammensetning

Mars er en terrestrisk planet, hvilket betyr at den på samme måte som jorden er et steinete legeme og består av silikater (mineraler som inneholder silisium og oksygen), metaller og andre elementer som typisk utgjør bergarter. Som jorden er også Mars en differensiert planet. Det betyr at den har en sentral planetkjerne av metallisk jern og nikkel omgitt av en mindre tett mantel av silikater og en skorpe. Planetens karakteristiske røde farge kommer av oksidasjon av jern på overflaten.
Mye av det vi vet om den grunnleggende sammensetningen av Mars kommer fra banesonder og landingsfartøy. (se utforskning av Mars for liste). De fleste av disse romfartøyene har med spektrometere og andre instrumenter for å måle sammensetningen av Mars, enten ved fjernanalyse fra bane eller in situ-analyse på overflaten. Vi har også mange aktuelle eksempler fra Mars i form av meteoritter som har funnet veien til jorden. Marsmeteoritter (ofte kalt SNC for Shergottites, Nakhlites og Chassignites – gruppen av de første meteorittene som viste seg å stamme fra Mars) gir data om den kjemiske sammensetningen av Mars' skorpe og indre som ellers ikke ville være tilgjengelig uten et oppdrag med formål å bringe prøver tilbake til jorden.
Basert på dette datagrunnlaget tror forskere at foruten silikon og jern er magnesium, aluminium, kalsium og kalium de hyppigst forekommende kjemiske grunnstoffene i marsskorpen. Disse elementene er viktige komponenter i de mineralene magmatiske bergarter består av. Grunnstoffene titan, krom, mangan, svovel, fosfor, natrium og klor er sjeldnere, men er fremdeles viktige komponenter i mange tilhørende mineraler som bergarter og sekundære mineraler (forvitringsprodukter) i støv og jordsmonnet (regolitten). Hydrogen finnes som vannholdig is (H₂O) og i hydraliserte mineraler. Karbon oppstår som karbondioksid (CO₂) i atmosfæren og noen ganger som tørris ved polene. En ukjent mengde karbon finnes også lagret i karbonater. Molekylær nitrogen (N₂) utgjør opptil 2,7 % av atmosfæren. Så langt vi vet er organiske forbindelser fraværende, med unntak av spor av metan som er oppdaget i atmosfæren.
Den grunnleggende sammensetningen av Mars skiller seg fra jorden på en rekke vesentlige områder. Først og fremst viser analyser av marsmeteoritter at planetens mantel er omtrent dobbelt så rik på jern som jordens mantel, deretter er dens kjerne mer rik på svovel. For det tredje er marsmantelen rikere på kalium og fosfor enn jordens og for det fjerde inneholder marsskorpen en høyere prosentandel av flyktige elementer som svovel og klor enn det jordskorpen gjør. Mange av disse konklusjonene støttes av in situ-analysene av bergarter og jordsmonnet på marsoverflaten.

Global fysiografi

Det meste av nåværende kunnskap om geologien på Mars kommer fra studier av landformer og frie formasjoner (terreng) på bilder tatt av romsonder i bane rundt planeten. Mars har en rekke distinkte, store overflateformasjoner som indikerer hvilke typer geologiske prosesser som har funnet sted på planeten over tid. Dette avsnittet introduserer flere av de større fysiografiske regionene på Mars. Sammen illustrerer disse regionene hvordan geologiske prosesser som involverer vulkanisme, tektonikk, vann, is og kosmisk nedslag har formet planeten i en global skala.

Hemisfærisk dikotomi

Den nordlige og sørlige halvkulen på Mars er påfallende forkjellgi fra hverandre i topografi og fysiografi, og dikotomien er en fundamental global geologisk formasjon på planeten. Enkelt sagt er den nordlige delen av planen en enorm topografisk forsenkning. Rundt en tredjedel av planetens overflate (for det meste på den nordlige halkulen) ligger 3–6 km lavere i høyde enn de sørlige to tredjedelene. Dette er en førsteordens friformasjon på linje med høydeforskjellene mellom jordens kontinenter og havbassenger. Dikotomien uttrykkes også på to ande måter; som en forskjell i tettheten av nedslagskratre og skorpetykkelsen mellom de to halvkulene. Halvkulen sør for dikotomigrensen (ofte kalt de sørlige høylandene) er svært kraterbelagt og gamle, karakterisert av robuste overflater som daterer seg tilbake til peridoen med tungt bombardement. Som motsetning har lavlandene nord for dikotomigrensen få kratre og er svært jevn og flat. Der finnes det også andre formasjoner som indikerer at omfattende fornyelse av overflaten har funnet sted etter at det sørlige høylandet ble dannet. Den tredje distinkte forskjellen mellom de to halvkulene er tykkelsen på jordskorpen. Topografiske og geofysiske gravitasjonsdata indikerer at skorpen i de sørlige høylandene har en maksimal tykkelse på ca. 58 km mens skorpen i de nordlige lavlandene har når opp mot 32 km i tykkelse. Den dikotomiske grensens breddegrader varierer og avhenger av hvilket av de tre fysiske uttrykkene for dikotomi som blir vurdert.
Opprinnelsen og alderen til den hemisfæriske dikotomien er fremdeles debattert. Hypoteser om opprinnelsen faller generelt inn i to kategorier: 1) dikotomien oppstod ved et mega-nedlslag eller en rekke store nedslag tidlig i planetens historie (ekskogene teorier) eller 2) dikotomien oppstod som følge av fortynning av skorpen på den nordlige halvkulen på grunn av mantelkonveksjon, omveltning eller andre kjemiske og termiske prosesser i planetens indre (endogene teorier). En endogen modell foreslår en tidlig hendelse der platetektonikk ga en tynnere skorpe i nord, tilsvarende det som skjer ved spredning av plategrenser på jorden. Uavhengig av opprinnelsen ser dikotomien på Mars ut til å være svært gammel. Laserhøydemåler og data fra radarsonarer fra banesonder har identifisert en rekke formasjoner med bassengstørrelser som tidligere var skjult i visuelle bilder. Disse kvasisirkulære forsenkningene er sannsynligvis forfalte nedslagskratre fra perioden med tunge bombardement som nå er dekket av et finere lag med avleiringer. Studier av disse forsenkningene antyder at de underliggende lagene på den nordlige halvkulen er minst like gamle som den eldste eksponerte overflaten på i de sørlige høylandene. Alderen på dikotomien gir teoriene om dens opprinnelse betydelige begrensninger.

Vulkanske provinser

En massiv vulkantektonisk provins, kjent som Tharsisregionen eller Tharsisforhøyningen, deler seg fra dikotomigrensen på Mars' vestlige halvkule. Denne enorme, forhøyede strukturen er tusenvis av kilometer i diameter og dekker opptil 25 % av planetens overflate. Tharsis ligger i gjennomsnitt 7–10 km over datum («havnivået» på Mars) og inneholder de største høydene på planeten og de største kjente vulkanene i solsystemet. Tre enorme vulkaner, Ascraeus Mons, Pavonis Mons og Arsia Mons (samlet kjent som Tharsis Montes), ligger på linje nordøst-sørvest langs toppen av denne forhøyningen. Den brede Alba Mons (tidligere Alba Patera) opptar den nordlige delen av regionen. Den store skjoldvulkanen Olympus Mons ligger utenfor hovedforhøyningen ved den vestlige grensen av provinsen. Tharsis enorme massivitet har ført til enorm spenning i planetens litosfære. Som et resultat stråler enorme brudd (grabener og riftdaler) utover fra Tharsis og strekker seg halvveis rundt planeten.
Et mindre vulkansk senter ligger flere tusen kilometer vest for Tharsis, i Elysium. Vulkankomplekset i Elysium er ca. 2 000 km i diameter og består av tre hovedvulkaner, Elysium Mons, Hecates Tholus og Albor Tholus. Gruppen med vulkaner antas å være noe annerledes enn Tharsis Montes ved at utviklingen av de tidligere involverte både lavaer og pyroklaster.

Store nedslagsbasseng

Flere enorme, sirkulære nedslagsbasseng finnes på Mars. De største er Hellas Planitia som ligger på den sørlige halvkulen, sentrert rundt 64°E 40°S. Den sentrale delen av bassenget er ca. 1 800 km i diameter og omgitt av en bred og tungt erodert ringstruktur preget av tette kuperte og uregelmessige fjell (fjellmassiver) som sannsynligvis er oppløftet og forskjøvet skorpe skorpe fra før bassengene ble dannet (se Anseris Mons for eksempel).
De to andre store nedslagssturkturene på planeten er Argyre og Isidis-bassengene. Som Hellas ligger Argyre (800 km i diameter) i de sørlige høylandene og er omgitt av en bred ring av fjell.

Dalsystemer ved ekvator

Nær ekvator på den vestlige halvkulen ligger et enormt system av dype, sammenkoblede daler og grøfter som sammen er kjent som Valles Marineris. Dalsystemet strekker seg ca. 4 000 km østover fra Tharsis, nesten en fjerdedel av planetens omkrets. Hvis Valles Marineris var plassert på jorden ville den strekke seg over hele bredden av Nord-Amerika. Enkelte steder er dalene opptil 300–km brede og 10 km dype. Valles Marineris har en svært ulik opprinnelse enn sitt mindre såkalte motstykke på jorden, Grand Canyon. Grand Canyon er hovedsakelig et produkt av erosjon fra vann. Dalene ved ekvator på Mars ble hovedsakelig dannet av forkastninger og der derfor mer lik den østafrikanske riftdalen. Dalene representerer overflatens uttrykk for en kraftig utvidet spenning i marsskorpen, sannsynligvis på grunn av lasten fra Tharsis-forhøyningen.

Kaosterreng og utstrømningskanaler

Terrenget i den østlige enden av Valles Marineris ligner et tett virvar av lave, avrundede åser som synes å ha blitt dannet av kollapsen av overflaten i de høyereliggende områdene og skapte grusfylte groper. Disse områdene, kalt kaotisk terreng, markerer øverste del av enorme utstrømningskanaler som oppstår i full størrelse fra det kaotiske terrenget og tømmes nordover til Chryse Planitia. Tilstedeværelsen av strømlinjede øyer og andre geomorfologiske formasjoner indikerer at kanalene sannsynligvis ble danne av en katastrofiske frigjøringer av vann fra akviferer eller smeltingen av overflateis. Kanalene, som inkluderer Ares, Shalbatana, Simud og Tiu Valles, er enorme etter terrestriske standarder og flommen som skapte dem tilsvarende enorm. For eksempel, toppen av utslippet som var nødvendig for å skjære ut den 28 km brede Ares Vallis anslås å ha vært 500 millioner kubikkfot per sekund, over ti tusen ganger det gjennomsnittlige utslippet fra Mississippi.

Polkalotter

Iskalottene ved polene er velkjente teleskopformasjoner, først identifisert av Christiaan Huygens i 1672. Siden 1960-årene har man vist at at de sesongmessige kalottene (de som kan sees vokse og minke sesongmessig i teleskoper) er sammensatt av karbondioksidis (CO₂) som kondenserer ut av atmosfæren når temperaturen faller til 148 K, frysepunktet for CO₂, i løpet av den polare vintertiden. I nord forsvinner CO₂-isen fullstendig (den sublimerer) om sommeren og etterlater seg et gjenværende lokk av vannholdig is (H₂O). Ved sydpolen blir en liten del av CO₂-isen værende om sommeren.
Begge de gjenværende iskappene ligger over tykke lagdelte avsetninger av etterlatt is og støv. I nord danner avsetningslaget et 3 km høyt platå, kalt Planum Boreum. Dette platået har en diameter på 1 000 km. Et tilsvarende kilometertykt platå, kalt Planum Australe, ligger i sør. Begge planumene blir noen ganger omtalt som de «polkalottene», men den permanente isen (sett som de hvite overflatene med høy  albedo  på bilder) dannes kun som en relativt tynn kappe på toppen av avsetningslagene. Avsetningslagene stammer sannsynligvis fra vekslende sykluser med avsetninger fra støv og is forårsaket av klimaendringer relatert til variasjoner i planetens baneparametre over tid (se Milanković-syklusene. Avkastningslagene ved polene er noen av de yngste geologiske enhetene på Mars.

Geologisk historie

Mye av planetens historie kan tydes ved å se på overfalten og spørre hva kom først og hva som kom deretter. For eksempel er en lavastrøm som sprer seg ut og fyller et stort nedslagskrater klart yngre enn krateret, og et lite krater på toppen av den samme lavastrømmen er yngre enn både lavaen og det store krateret.