Тектоника Марса - Tectonics of Mars

Топографическая карта Марса, показывающая границу нагорья и низменности, отмеченную желтым, и возвышение Фарсиды, обведенное красным (USGS, 2014).[1]

Словно земной шар, коровые свойства и структура поверхности Марс считаются эволюционировавшими с течением времени; другими словами, как на Земле, тектонические процессы сформировали планету. Однако и то, как произошло это изменение, и свойства планеты. литосфера сильно отличаются по сравнению с Землей. Сегодня считается, что Марс в основном тектонически неактивен. Однако данные наблюдений и их интерпретация предполагают, что в геологической истории Марса этого не было.

В масштабе всей планеты два крупных физиографический особенности очевидны на поверхности. Первый заключается в том, что северное полушарие планеты намного ниже южного, и совсем недавно было восстановлено поверхность, что также подразумевает, что толщина коры под поверхностью явно бимодальна. Эта функция называется "полушарная дихотомия ". Второй - это Фарсида подъем, массивный вулканический провинция, на которую в прошлом Марса оказали сильное тектоническое влияние как в региональном, так и в глобальном масштабе. Исходя из этого, поверхность Марса часто делят на три основных физико-географические провинции, каждый с разными геологический и тектонические характеристики: северные равнины, южные нагорья и плато Фарсида. Большое количество тектонических исследований Марса направлено на объяснение процессов, которые привели к разделению планеты на эти три провинции, и того, как возникли их различные характеристики. Гипотезы, предлагаемые для объяснения того, как могли произойти два основных тектонических события, обычно делятся на эндогенный (исходящий от самой планеты) и экзогенный (чуждые планете, например, удар метеорита) процессы.[2] Это различие встречается во всех исследованиях тектоники Марса.

В общем, на Марсе нет однозначных доказательств того, что земной стиль тектоника плит сформировал его поверхность.[3] Однако в некоторых местах магнитные аномалии в коре Марса, которые имеют линейную форму и переменную полярность, были обнаружены орбитальными спутниками. Некоторые авторы утверждали, что они имеют происхождение с похожими полосами, обнаруженными на Земле. морское дно, которые были объяснены постепенным образованием новой корки при распространении срединно-океанические хребты.[4] Другие авторы утверждали, что крупномасштабные сдвиг зоны разломов могут быть идентифицированы на поверхности Марса (например, в Valles Marineris желоб), что можно сравнить с ограничением плиты преобразовать разломы на Земле, например Сан-Андреас и Мертвое море неисправности. Эти наблюдения дают некоторое указание на то, что по крайней мере некоторые части Марса могли подвергаться тектонике плит глубоко в своем геологическом прошлом.[5]

Физико-географические провинции

Южное нагорье

Южное нагорье сильно покрытый кратерами и отделены от северных равнин границей глобальной дихотомии.[4] Сильные магнитные полосы с переменной полярностью проходят примерно на восток-запад в южном полушарии, концентрично с южным полюсом.[6] Эти магнитные аномалии обнаружены в горных породах, датируемых первыми 500 миллионами лет в истории Марса, что указывает на то, что собственное магнитное поле перестало бы существовать до того, как Ноахиан. Магнитные аномалии на Марсе имеют ширину 200 км, что примерно в десять раз шире, чем на Земле.[6]

Северные равнины

Северные равнины на несколько километров ниже по высоте, чем южные нагорья, и имеют гораздо меньшую плотность кратеров, что указывает на более молодой возраст поверхности. Однако считается, что нижележащая кора имеет тот же возраст, что и корка южного нагорья. В отличие от южного высокогорья, магнитные аномалии на северных равнинах редкие и слабые.[2]

Плато Фарсида

Геологическая карта региона вокруг плато Фарсида. Особенности растяжения и сжатия - например, грабены и морщины - нанесены на карту и видны на изображении. (USGS, 2014).[1]

В Фарсида плато, которое находится на границе нагорья и низменности, представляет собой возвышенность, покрывающую примерно четверть планеты. На Фарсисе возвышается самый большой щитовые вулканы известен в солнечной системе. Olympus Mons высотой 24 км и диаметром почти 600 км. Прилегающий Фарсис Монтес состоит из Аскрей, Павонис, и Арсия. Альба Монс, в северной части плато Фарсида, имеет диаметр 1500 км и возвышается на 6 км над окружающими равнинами. В сравнении, Мауна-Лоа имеет ширину 120 км и возвышается на 9 км над уровнем моря.[4]

Нагрузка Фарсиды имела как региональные, так и глобальные влияния.[2] Дополнительные функции, исходящие от Tharsis, включают: грабен несколько километров шириной и сотни метров глубиной, а также огромные желоба и перекаты шириной до 600 км и глубиной до нескольких километров. Эти грабены и трещины ограничены крутыми склонами. нормальные неисправности, и может увеличиваться на расстояние до 4000 км. Их рельеф указывает на то, что они допускают небольшие удлинения, порядка 100 м или меньше. Утверждалось, что эти грабены являются поверхностными выражениями спущенных подповерхностных слоев. дамбы.[7]

По периметру Фарсиды находятся так называемые морщинки.[2] Это структуры сжатия, состоящие из линейных асимметричных хребтов, которые могут достигать десятков километров в ширину и сотен километров в длину. Многие аспекты этих хребтов, по-видимому, согласуются с наземными особенностями сжатия, которые включают складчатость поверхности, лежащую на слепые разломы тяги на глубине.[8] Считается, что морщинистые выступы допускают небольшие сокращения, порядка 100 м или меньше. Более крупные гребни и уступы также были обнаружены на Марсе. Эти объекты могут быть высотой в несколько километров (в отличие от высотой в сотни метров морщинистых хребтов) и, как считается, представляют собой крупные надвиговые разломы литосферного масштаба.[9] Коэффициенты смещения для них в десять раз больше, чем для гребней морщин, при этом сокращение составляет от сотен метров до километров.

Примерно половина пространственных структур Марса сформировалась во время Ноя и с тех пор изменилась очень мало, что указывает на то, что тектоническая активность достигла пика на ранней стадии и со временем уменьшалась. Считается, что образование гребней из морщин как вокруг Фарсиды, так и в восточном полушарии достигло своего пика. Гесперианский, вероятно, из-за глобального сжатия, связанного с похолоданием планеты.[2]

Дихотомия полушария

Гипсометрия

Гистограмма толщины земной коры в зависимости от площади на Марсе, адаптированная из Neumann et al., 2004. Дихотомия полушарий отчетливо видна на двух пиках данных.[10]

Сила тяжести и топография данные показывают, что толщина земной коры на Марсе разделена на два основных пика с модальной толщиной 32 км и 58 км в северном и южном полушариях, соответственно.[10] В региональном масштабе наиболее толстая кора связана с плато Фарсис, где мощность коры на некоторых участках превышает 80 км, а наиболее тонкая кора - с ударными бассейнами. Главная ударные бассейны вместе составляют небольшой пик гистограммы от 5 до 20 км.

Происхождение полушарной дихотомии, отделяющей северные равнины от южных высокогорья, является предметом многочисленных споров. Важные наблюдения, которые следует принять во внимание при рассмотрении его происхождения, включают следующее: (1) северные равнины и южные возвышенности имеют разную толщину, (2) кора, лежащая под северными равнинами, по существу имеет тот же возраст, что и кора южных высокогорья, и 3) северные равнины, в отличие от южных высокогорья, содержат редкие и слабые магнитные аномалии. Как будет показано ниже, гипотезы формирования дихотомии в основном можно разделить на эндогенные и экзогенные процессы.[2]

Эндогенное происхождение

Возможное тектоническое объяснение плит северных низменностей. Бореальная плита показана желтым цветом. Траншеи показаны зубчатыми линиями, гребни - двойными линиями, а трансформированные разломы - одиночными линиями, модифицированными из Sleep, 1994.[11]

Эндогенные гипотезы включают возможность очень ранней тектонической фазы плит на Марсе.[11] Такой сценарий предполагает, что кора Северного полушария представляет собой реликтовую океаническую плиту. В предпочтительной реконструкции центр распространения простирался к северу от Терра Киммерия между Daedalia Planum и Исидис Планития. По мере распространения, Бореальная плита прорвалась в плиту Ацидалия с южным падением и погружением под Аравия Терра, и плита Улисс с погружением на восток под Tempe Terra и Фарсис Монтес. Согласно этой реконструкции, северные равнины были образованы одним спрединговым хребтом, а Фарсис Монтес квалифицируется как островная дуга.[4] Однако последующие исследования этой модели показывают общее отсутствие доказательств тектонизма и вулканизма в районах, где такая активность была первоначально предсказана.[12]

Другой эндогенный процесс, используемый для объяснения дихотомии полушарий, - процесс первичной коры. фракционирование.[13] Этот процесс был бы связан с образованием марсианской основной, которая произошла сразу после планетарной аккреции. Тем не менее, столь раннее происхождение полушарной дихотомии ставится под сомнение тем фактом, что на северных равнинах были обнаружены только незначительные магнитные аномалии.[2]

Модель происхождения мантийного плюма для дихотомии полушария. Мантийная конвекция одиночного плюма порождает новую кору в южном полушарии с чередующимися полосами нормального и обратного остаточного магнетизма, по данным Vita-Finzi & Fortes, 2013.[4]

Одиночный шлейф мантийная конвекция также использовался для объяснения дихотомии полушарий. Этот процесс вызвал бы существенное плавление и образование коры выше одного подъема. мантийный шлейф в южном полушарии, в результате чего корка утолщается. Было также высказано предположение, что образование высоковязкого слоя расплава под утолщенной корой в южном полушарии могло привести к вращению литосферы. Это могло привести к миграции вулканически активных областей к границе дихотомии и последующему размещению и формированию плато Фарсида. Гипотеза единственного шлейфа также используется для объяснения наличия магнитных аномалий в южном полушарии и их отсутствия в северном полушарии.[14]

Экзогенное происхождение

Экзогенные гипотезы предполагают одно или несколько крупных воздействий, ответственных за понижение северных равнин. Хотя было предложено происхождение множественного удара,[15] это потребовало бы невероятной преимущественной бомбардировки северного полушария.[2] Также маловероятно, что множественные столкновения могли бы привести к удалению выбросов из северного полушария и равномерному разделению земной коры до относительно постоянной глубины 3 км.

Картирование северных равнин и границы дихотомии показывает, что дихотомия земной коры имеет эллиптическую форму.[16] Это говорит о том, что формирование северных равнин было вызвано одиночным косым мегаударом. Эта гипотеза согласуется с численными моделями столкновений в диапазоне 30-60 °, которые, как показано, образуют бассейны с эллиптическими границами, подобные структуре, обнаруженной на Марсе.[2] Размагничивание в результате высокой температуры, связанной с таким ударом, также может служить объяснением очевидного отсутствия магнитных аномалий на северных равнинах. Это также объясняет более молодой возраст поверхности северных равнин, что определяется значительно меньшей плотностью кратеров. В целом эта гипотеза выглядит лучше, чем другие предложенные.

Тектонические последствия магнитных аномалий

Карта распределения магнитных аномалий земной коры на Марсе, любезно предоставлена НАСА, 2005.

Южное нагорье Марса демонстрирует зоны интенсивного намагниченность земной коры. В магнитные аномалии слабы или отсутствуют вблизи крупных ударных бассейнов, северных равнин и вулканических регионов, что указывает на то, что намагниченность в этих областях была стерта термическими явлениями. Присутствие магнитных аномалий на Марсе предполагает, что планета сохраняла собственное магнитное поле на ранних этапах своей истории.[2] Аномалии имеют линейную форму и переменную полярность, что некоторые авторы интерпретируют как последовательность инверсий и процесс, похожий на растекание морского дна.[4] Полосы в десять раз шире, чем на Земле, что указывает на более быстрое распространение или более медленную скорость обращения. Хотя центр распространения не был идентифицирован, карта магнитных аномалий на Марсе показывает, что эти линии концентричны к южному полюсу.

Происхождение мантийного плюма

Процесс, похожий на распространение морского дна, был предложен для объяснения наличия концентрических полос вокруг южного полюса Марса. Это процесс, когда один большой мантийный шлейф поднимается в одном полушарии и опускается вниз в противоположном полушарии. В таком процессе образовавшаяся новая кора будет располагаться в виде концентрических кругов, распространяющихся в радиальном направлении от единственной точки апвеллинга, что соответствует картине, наблюдаемой на Марсе. Этот процесс также использовался для объяснения дихотомии марсианского полушария.[14]

Происхождение вторжения в дамбу

Альтернативная гипотеза утверждает, что магнитные аномалии на Марсе являются результатом последовательных дамба интрузии из-за растяжения литосферы. По мере того, как каждая плотина остывает, она приобретает термоостаточную намагниченность от магнитного поля планеты. Последовательные дайки будут намагничиваться в одном и том же направлении, пока магнитное поле не изменит свою полярность на противоположную, в результате чего последующие вторжения будут регистрировать противоположное направление. Эти периодические развороты потребуют, чтобы вторжения дамб с течением времени мигрировали.[17]

Нарастание террейнов

Другое исследование предполагает процесс конвергенции земной коры вместо генерации, утверждая, что магнитные линии на Марсе сформировались в край сходящейся пластины через столкновение и срастание террейнов. Эта гипотеза предполагает, что магнитные линии на Марсе аналогичны полосчатым магнитным аномалиям в Североамериканские Кордильеры на земле. Эти земные аномалии имеют такую ​​же геометрию и размеры, что и обнаруженные на Марсе, шириной 100–200 км.[18]

Тектонические последствия Valles Marineris

Спутниковые снимки системы желоба Валлес Маринерис, показывающие интерпретируемую крупномасштабную систему сдвиговых разломов, проходящую по всей ее длине.[5] Относительное движение разлома частично объясняется смещением края старого ударного бассейна. Изображение изменено с НАСА / Научная группа MOLA.

Недавние исследования утверждают, что нашли первые убедительные доказательства существования тектонической границы плит на Марсе.[5] Открытие относится к крупномасштабным (> 2000 км в длину и> 150 км в смещении) и довольно узких (<50 км в ширину) сдвиг зона разлома в Valles Marineris система желобов, именуемая зоной разлома Юс-Мелас-Копратес (рис. 7). Система желобов Valles Marineris, длина которой составляет более 4000 км, ширина 600 км и глубина до 7 км, если бы она была расположена на Земле, простиралась бы на всю территорию Северной Америки.[4]

Исследование указывает на то, что зона разлома Юс-Мелас-Копратес представляет собой транстенсиональную систему левого сдвига, аналогичную системе разлома Юс-Мелас-Копратес. Зона разлома Мертвого моря на земле.[5] Величина смещения зоны разлома оценивается в 150–160 км, на что указывает смещенная кромка старого ударного бассейна. Если нормализовать величину сдвига к площади поверхности планеты, зона разлома Юс-Мелас-Копратес имеет значение смещения, значительно превышающее величину смещения разлома Мертвого моря и немного больше, чем у разлома Мертвого моря. Сан-Андреас вина. Отсутствие значительной деформации по обе стороны от зоны разлома Юс-Мелас-Копратес на расстоянии 500 км предполагает, что области, ограниченные разломом, ведут себя как жесткие блоки. Это свидетельство, по сути, указывает на наличие большой системы сдвигов на границе плит, в наземных терминах известной как преобразовать вину.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Tanaka, K. L .; Скиннер, Дж. А .; Dohm, J.M .; Ирвин III, Р.П .; Кольб, Э. Дж .; Fortezzo, C.M .; Platz, T .; Майкл, Г. Г .; Заяц, Т. М. (2014). «Геологическая карта Марса». Карта научных исследований. USGS. Дои:10.3133 / sim3292.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j Голомбек, М. П .; Филлипс, Р. Дж. (2010). «Тектоника Марса». В Watters, T. R .; Шульц, Р. А. (ред.). Планетарная тектоника. С. 183–232. Дои:10.1017 / CBO9780511691645.006. ISBN  9780511691645.
  3. ^ Карр, Майкл Х. (2006). Поверхность Марса. Кембриджская серия по планетологии. 6. Издательство Кембриджского университета. п. 16. ISBN  0-521-87201-4.
  4. ^ а б c d е ж грамм Vita-Finzi, C .; Фортес, А. Д. (2013). Планетарная геология: введение (2-е изд.). Эдинбург: Dunedin Academic Press.
  5. ^ а б c d е Инь, А. (2012). «Структурный анализ зоны разлома Valles Marineris: возможное свидетельство крупномасштабного сдвигового разлома на Марсе». Литосфера. 4 (4): 286–330. Bibcode:2012Lsphe ... 4..286л. Дои:10.1130 / L192.1.
  6. ^ а б Коннерни, Дж. Э .; Acuña, M. H .; Василевский, П. Дж .; Ness, N. F .; Reme, H .; Mazelle, C .; Vignes, D .; Lin, R.P .; Mitchell, D. L .; Клотье, П. А. (1999). «Магнитные линии в древней коре Марса». Наука. 284 (5415): 794–798. Bibcode:1999Sci ... 284..794C. Дои:10.1126 / наука.284.5415.794. PMID  10221909.
  7. ^ Wilson, L .; Глава III, Дж. У. (2002). «Системы Фарсис-Радиальный Грабен как поверхностное проявление комплексов интрузий, связанных с плюмовыми породами: модели и последствия» (PDF). Журнал геофизических исследований: планеты. 107 (E8): 5057–5080. Bibcode:2002JGRE..107.5057W. Дои:10.1029 / 2001JE001593.
  8. ^ Шульц, Р. А. (2000). «Локализация нарушений проскальзывания и обратного надвига в плоскости подстилки над слепыми надвигами: ключи к морщинистой структуре гребня». Журнал геофизических исследований: планеты. 105 (E5): 12035–12052. Bibcode:2000JGR ... 10512035S. Дои:10.1029 / 1999JE001212.
  9. ^ Tanaka, K. L .; Шульц, Р. А. (1994). "Износ литосферных масштабов и надвиговые структуры на Марсе: возвышение Копратов и пояс хребта Южная Фарсида". Журнал геофизических исследований: планеты. 99 (E4): 8371–8385. Bibcode:1994JGR .... 99.8371S. Дои:10.1029 / 94JE00277.
  10. ^ а б Neumann, G.A .; Zuber, M. T .; Wieczorek, M. A .; McGovern, P.J .; Lemoine, F. G .; Смит, Д. Э. (2004). «Структура земной коры Марса по гравитации и топографии» (PDF). Журнал геофизических исследований: планеты. 109 (E8): E08002 – E08017. Bibcode:2004JGRE..109.8002N. Дои:10.1029 / 2004JE002262.
  11. ^ а б Сон, Н. Х. (1994). «Марсианская тектоника плит» (PDF). Журнал геофизических исследований: планеты. 99 (E3): 5639–5655. Bibcode:1994JGR .... 99.5639S. Дои:10.1029 / 94JE00216.
  12. ^ Pruis, M. J .; Танака, К. Л. (1995). «Марсианские северные равнины возникли не в результате тектоники плит» (PDF). Лунно-планетарный институт: 1147–1148.
  13. ^ Холлидей, А.; Ли, Дер-Чуэн (1997). «Формирование ядра на Марсе и дифференцированные астероиды». Наука. 388 (6645): 854–857. Дои:10.1038/42206. HDL:2027.42/62720. S2CID  205030294.
  14. ^ а б Citron, R.J .; Чжун, С. Дж. (2012). "Ограничения на формирование дихотомии марсианской коры от остаточного магнетизма земной коры". Физика Земли и планетных недр. 212: 55–63. Bibcode:2012ПЭПИ..212 ... 55С. Дои:10.1016 / j.pepi.2012.09.008.
  15. ^ Frey, H .; Шульц, Р. А. (1988). «Большие ударные бассейны и происхождение мегаударов для дихотомии земной коры на Марсе». Письма о геофизических исследованиях. 15 (3): 229–232. Bibcode:1988GeoRL..15..229F. Дои:10.1029 / GL015i003p00229.
  16. ^ Andrews-Hanna, J.C .; Banerdt, W.B .; Зубер, М. (2008). «Бассейн Бореалис и происхождение дихотомии марсианской коры». Природа. 453 (7199): 1212–1215. Bibcode:2008 Натур.453.1212A. Дои:10.1038 / природа07011. PMID  18580944. S2CID  1981671.
  17. ^ Ниммо, Ф. (2000). «Вторжение дамбы как возможная причина линейных марсианских магнитных аномалий». Геология. 28 (5): 391–394. Дои:10.1130 / 0091-7613 (2000) 028 <0391: DIAAPC> 2.3.CO; 2.
  18. ^ Fairén, A .; Ruiz, J .; Ангита, Ф. (2002). «Происхождение линейных магнитных аномалий на Марсе через аккрецию террейнов: последствия для времени динамо». Икар. 160 (1): 220–223. Bibcode:2002Icar..160..220F. Дои:10.1006 / icar.2002.6942.