14. Mai 2020
Mission Mars Express

Auf­wöl­bung, Deh­nung und Stress auf dem Mars: Horst- und Gra­ben-Land­schaft in der Re­gi­on Tem­pe Ter­ra

Draufsicht auf die "Horst-und-Graben-Landschaft" in Ascuris Planum
Drauf­sicht auf die "Horst-und-Gra­ben-Land­schaft" in As­cu­ris Pla­num
Bild 1/5, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Draufsicht auf die "Horst-und-Graben-Landschaft" in Ascuris Planum

Wie im geo­lo­gi­schen Lehr­buch sind in die­sem et­wa 200 mal 80 Ki­lo­me­ter großen Aus­schnitt von As­cu­ris Pla­num par­al­lel ver­lau­fen­de Spu­ren tek­to­ni­scher Deh­nungs­kräf­te zu se­hen, die als "Horst-und-Gra­ben-Struk­tur" be­zeich­net wer­den. Wird ei­ne star­re, sprö­de Ge­steins­krus­te ge­dehnt, bei­spiels­wei­se weil der Un­ter­grund an­ge­ho­ben wird, ge­rät die dar­über lie­gen­de Ober­flä­che un­ter Span­nung. Steigt die Deh­nungs­span­nung über ei­nen Grenz­wert, kommt es zu ei­nem Auf­bre­chen der Krus­te ent­lang mehr oder we­ni­ger steil ein­fal­len­der Bruch­flä­chen: Das Er­geb­nis ist ei­ne "Stö­rungs­zo­ne". Dehnt sich die Krus­te wei­ter, rut­schen große Ge­steins­blö­cke ent­lang der Bruch­flä­chen meh­re­re hun­dert Me­ter, manch­mal auch ein- bis zwei­tau­send Me­ter in die Tie­fe: Ein tek­to­ni­scher Gra­ben ent­steht. Die zu bei­den Sei­ten ste­hen ge­blie­be­nen Blö­cke über­ra­gen nun die Land­schaft und bil­den die da­zu­ge­hö­ri­gen Hors­te.
Perspektivischer Blick auf Horste und Gräben in Ascuris Planum
Per­spek­ti­vi­scher Blick auf Hors­te und Grä­ben in As­cu­ris Pla­num
Bild 2/5, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Perspektivischer Blick auf Horste und Gräben in Ascuris Planum

Tek­to­ni­sche Kräf­te ha­ben ein cha­rak­te­ris­ti­sches Mus­ter par­al­lel ver­lau­fen­der, li­nea­rer Bruch­struk­tu­ren in As­cu­ris Pla­num er­zeugt, dem nörd­lichs­ten Teil der Re­gi­on Tem­pe Ter­ra im Nord­os­ten der Thar­sis-Auf­wöl­bung. Durch Deh­nung der Krus­te als Fol­ge von auf­stei­gen­den Mag­ma­b­la­sen sack­ten Krus­ten­blö­cke ent­lang von Bruch­flä­chen in die Tie­fe und bil­de­ten tek­to­ni­sche Grä­ben. Da­zwi­schen blie­ben so­ge­nann­te "Hors­te" als er­ha­be­ne Krus­ten­blö­cke ste­hen. Die Grä­ben sind zum Teil von schutt­be­deck­ten Glet­schern ver­füllt, die in die­sen Brei­ten­gra­den cha­rak­te­ris­tisch für al­le stei­le­ren Hän­ge sind. Das Aus­wurf­ma­te­ri­al ei­nes klei­nen Kra­ters (Bild­mit­te) ragt wie ein Po­dest aus der um­lie­gen­den Land­schaft em­por. Sol­che Kra­ter­ty­pen ent­ste­hen im­mer dann, wenn das Aus­wurf­ma­te­ri­al deut­lich wi­der­stands­fä­hi­ger ge­gen­über Ero­si­ons­pro­zes­sen ist als das Ober­flä­chen­ge­stein. Es bil­det ei­ne ero­si­ons­be­stän­di­ge La­ge, die nach der Ab­tra­gung des um­lie­gen­den Ma­te­ri­als ein Pla­teau um den Kra­ter ent­ste­hen lässt.
Topographische Bildkarte der tektonischen Strukturen in Ascuris Planum
To­po­gra­phi­sche Bild­kar­te der tek­to­ni­schen Struk­tu­ren in As­cu­ris Pla­num
Bild 3/5, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Topographische Bildkarte der tektonischen Strukturen in Ascuris Planum

Aus den Bild­strei­fen von der Mar­so­ber­flä­che, die das Ka­me­ra­sys­tem HR­SC auf Mars Ex­press aus ver­schie­de­nen Win­keln auf­ge­nom­men hat, be­rech­nen Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler des DLR und der Frei­en Uni­ver­si­tät Ber­lin di­gi­ta­le Ge­län­de­mo­del­le. Da­bei kann je­dem Bild­punkt ei­ne Hö­hen­in­for­ma­ti­on zu­ge­ord­net wer­den. Die Farb­ko­die­rung des di­gi­ta­len Ge­län­de­mo­dells (Le­gen­de oben rechts) gibt Aus­kunft über die Hö­hen­un­ter­schie­de in As­cu­ris Pla­num, dem nörd­lichs­ten Aus­läu­fer der Re­gi­on Tem­pe Ter­ra. Die Farb­ko­die­rung des Ge­län­de­mo­dells lässt da­bei plas­tisch die "Horst-und-Gra­ben-Struk­tur" her­vor­tre­ten, die das Er­geb­nis von tek­to­ni­schen Deh­nungs­pro­zes­sen ist. Da­bei sack­ten ent­lang von stei­len, fast senk­rech­ten Bruch­flä­chen Krus­ten­blö­cke um meh­re­re hun­dert Me­ter ab und zwi­schen den ste­hen­ge­blie­be­nen Hors­ten bil­de­ten sich Grä­ben. Ei­ni­ge klei­ne­re Gra­ben­brü­che, die das vor­herr­schen­de Span­nungs­re­gime schräg schnei­den, zei­gen, dass sich die Wir­kungs­rich­tung der Kräf­te im Un­ter­grund än­der­te.
3D-Ansicht von Ascuris Planum in der Region Tempe Terra
3D-An­sicht von As­cu­ris Pla­num in der Re­gi­on Tem­pe Ter­ra
Bild 4/5, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

3D-Ansicht von Ascuris Planum in der Region Tempe Terra

Aus dem senk­recht auf die Mar­so­ber­flä­che ge­rich­te­ten Na­dir­ka­nal des vom DLR be­trie­be­nen Ka­me­ra­sys­tems HR­SC auf der ESA-Son­de Mars Ex­press und ei­nem der vier schräg bli­cken­den Ste­reo­kanä­len las­sen sich so­ge­nann­te Ana­gly­phen­bil­der er­zeu­gen. Sie er­mög­li­chen bei der Ver­wen­dung ei­ner Rot-Blau- oder Rot-Grün-Bril­le ei­ne drei­di­men­sio­na­le An­sicht der Land­schaft. Nor­den liegt im Bild rechts. Da­bei sprin­gen die Hö­hen­un­ter­schie­de in die­ser als "Horst-und-Gra­ben-Struk­tur" be­zeich­ne­ten Land­schaft plas­tisch ins Au­ge. Die Hö­hen­un­ter­schie­de be­tra­gen meh­re­re hun­dert Me­ter bis fast ei­nen Ki­lo­me­ter. Die Grä­ben sind das Er­geb­nis ab­sa­cken­der Krus­ten­blö­cke in­fol­ge ei­ner Deh­nung der Mar­s­krus­te. Die zwi­schen den Grä­ben ste­hen ge­blie­be­nen Ge­län­de­blö­cke wer­den als Hors­te be­zeich­net.
Die von tektonischen Kräften geprägte Region Tempe Terra
Die von tek­to­ni­schen Kräf­ten ge­präg­te Re­gi­on Tem­pe Ter­ra
Bild 5/5, Credit: NASA/JPL (MOLA); FU Berlin

Die von tektonischen Kräften geprägte Region Tempe Terra

Tem­pe Ter­ra ist ein stark von tek­to­ni­schen Kräf­ten ge­präg­tes Ge­biet nord­öst­lich der großen Vul­k­an­re­gi­on Thar­sis auf dem Mars. Wäh­rend der Auf­wöl­bung und der Be­las­tung der Li­tho­sphä­re durch vul­ka­ni­sche und plu­to­ni­sche Ge­stei­ne über meh­re­re Mil­li­ar­den Jah­re kam es zu mas­si­ven Deh­nungs­span­nun­gen in der Mar­s­krus­te, die große Re­gio­nen in so­ge­nann­te "Horst-und-Gra­ben-Land­schaf­ten" ver­wan­del­ten. Die Ober­flä­che ist von zahl­rei­chen tek­to­ni­schen Deh­nungs­struk­tu­ren, Schild­vul­ka­nen, er­starr­ten La­va­strö­men und gla­zia­len Struk­tu­ren ge­prägt. Die in Bil­dern der Ka­me­ra HR­SC an Bord der ESA-Son­de Mars Ex­press im Sep­tem­ber 2019 wäh­rend Or­bit 19.913 auf­ge­nom­me­nen Bruch­struk­tu­ren (klei­nes Recht­eck) stel­len die süd­west­li­chen Aus­läu­fer der über tau­send Ki­lo­me­ter lan­gen Grä­ben von Tem­pe Fossae dar, die in ih­rer Ent­ste­hung mit dem ke­nia­ni­schen Gre­at Rift Val­ley auf der Er­de, ei­nem Teil des Ost­afri­ka­ni­schen Gra­bens, ver­gli­chen wer­den kön­nen.
  • Auf den Aufnahmen der Mars-Kamera HRSC, die vom DLR betrieben wird, sind die Spuren gewaltiger tektonische Kräfte, die auf die Oberfläche wirkten, sichtbar.
  • Das abgebildete Gebiet befindet sich nordöstlich der großen Vulkanregion Tharsis, eine magmatische Aufwölbung von etwa fünf Kilometern Höhe. Während ihrer Entstehung kam es zu massiven Dehnungsspannungen in der Marskruste. Diese Spannungen verwandelten große Regionen in Horst-und-Graben-Landschaften.
  • Die hier gezeigten Bruchstrukturen sind Ausläufer der über tausend Kilometer langen Gräben von Tempe Fossae, die in ihrer Entstehung mit dem kenianischen Great Rift Valley verglichen werden können.

Die Bilder der Mars-Kamera HRSC (High Resolution Stereo Camera) zeigen eine tektonisch stark deformierte Mars-Landschaft nördlich von Labeatis Fossae in der Region Tempe Terra. Hier werden die gewaltigen Kräfte sichtbar, die einst von unten auf die Marskruste durch den Aufstieg großer Magmablasen einwirkten. Diese stemmten sie nach oben und führten zu vulkanischer und tektonischer Aktivität. Die Stereokamera HRSC (High Resolution Stereo Camera) kartiert seit 2004 im Rahmen der ESA-Mission Mars Express den Roten Planeten. Sie wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und wird von dort betrieben.

Das abgebildete Gebiet befindet sich nordöstlich der großen Vulkanregion Tharsis, wo es viele weitere solcher geologischen Strukturen gibt. Die Tharsis-Region hat einen Durchmesser von mehreren tausend Kilometern und ist damit beinahe so groß wie Europa. Tharsis ist eine magmatische Aufwölbung von etwa fünf Kilometern Höhe, die im Laufe von mehreren Milliarden Jahren entstanden ist. Während der allmählichen Aufwölbung und der Belastung der Lithosphäre durch die vulkanischen und plutonischen Gesteine kam es zu massiven Dehnungsspannungen in der Marskruste. Diese Spannungen verwandelten große Regionen in Horst-und-Graben-Landschaften.

Tempe Terra ist das am weitesten nördlich gelegene Hochlandgebiet auf dem Mars. Die Landschaft ist geprägt von zahlreichen tektonischen Dehnungsstrukturen, Schildvulkanen und erstarrten Lavaströmen. Die hier gezeigten Bruchstrukturen stellen die südwestlichen Ausläufer der über tausend Kilometer langen Gräben von Tempe Fossae dar, die in ihrer Entstehung mit dem kenianischen Great Rift Valley auf der Erde, einem Teil des Ostafrikanischen Grabens, verglichen werden können.

Wie entstehen Horst-und-Graben-Strukturen?

Die auf den HRSC-Bildern zu sehende Region zeigt wie im Lehrbuch eine sogenannte Horst-und-Graben-Tektonik. Wird eine starre, spröde Gesteinskruste gedehnt, beispielsweise weil der Untergrund angehoben wird, gerät die darüber liegende Oberfläche unter Spannung. Steigt die Dehnungsspannung über die für das Gestein "erträglichen" Grenzwerte, kommt es zu einem Aufbrechen der Kruste entlang mehr oder weniger steil einfallender Bruchflächen: Eine "Störungszone" entsteht. Dehnt sich die Kruste weiter, rutschen große Gesteinsblöcke entlang der Bruchflächen mehrere hundert Meter, stellenweise auch ein- bis zweitausend Meter in die Tiefe: Über viele Millionen Jahre entsteht so ein tektonischer Graben. Die zu beiden Seiten stehen gebliebenen Blöcke überragen nun die Landschaft und bilden die dazu gehörigen Horste. Das Wortpaar „Horst und Graben“ hat seinen Ursprung im frühen, mittelalterlichen Bergmannsdeutsch und wurde nach dem Etablieren der Geologie als "Erdwissenschaft" in deren Sprachgebrauch übernommen. Es wird in diesem Wortlaut auch in anderen Sprachen verwendet.

Ein Wechsel im "Stress-Regime"

Bei Tempe Terra handelt es sich um einen Teil der Marskruste, der über einen sehr langen Zeitraum der Marsgeschichte unter hoher tektonischer Spannung gestanden haben muss. Die meist parallelen Gräben haben einen Verlauf von Nordosten nach Südwesten. Allerdings gibt es auch Gräben, die diese Hauptrichtung schneiden. Dies weist auf eine Veränderung in der Orientierung des Spannungsfelds hin. Vor allem im Süden (links in den Bildern 1, 3 und 4) verlaufen einige Brüche nahezu rechtwinklig zur vorherrschenden Hauptausrichtung der Störungen.

Vielfältige Landschaft

Im nördlichen Teil (rechts in den Bildern 1, 3 und 4) zeigt die Landschaft ein deutlich sanfteres Profil. Die Gräben sind zum Teil von schuttbedeckten Gletschern verfüllt, die in diesen Breitengraden charakteristisch für alle steileren Hänge sind. Oben im Bild sind sogenannte Runzelrücken (engl. "wrinkle ridges") zu erkennen. Diese entstanden in der Region Tempe Terra durch Kompressionsspannungen und sind als konzentrischer Ring um ganz Tharsis herum ausgeprägt. Aber auch Abtragungsprozesse haben diesen nördlichen Teil der Region geprägt: Das Auswurfmaterial eines kleinen Kraters (oben rechts in der perspektivischen Ansicht und rechte Bildhälfte von Bild 1) ragt wie ein Podest aus der umliegenden Landschaft empor. Solche Kratertypen entstehen immer dann, wenn das Auswurfmaterial deutlich widerstandsfähiger gegenüber Erosionsprozessen ist als das Oberflächengestein. Es bildet eine erosionsbeständige Lage, die nach der Abtragung des umliegenden Materials ein Plateau um den Krater entstehen lässt.

Alle Bilder in hoher Auflösung und weitere Bilder der HRSC finden Sie in der Mars Express-Bildergalerie auf flickr.

  • Bildverarbeitung
    Die Aufnahmen mit der HRSC (High Resolution Stereo Camera) entstanden am 30. September 2019 während Orbit 19.913 von Mars Express. Die Bildauflösung beträgt etwa 15 Meter pro Bildpunkt (Pixel). Die Bildmitte liegt bei etwa 279 Grad östlicher Länge und 36 Grad nördlicher Breite. Die Farbaufsicht wurde aus dem senkrecht auf die Marsoberfläche gerichteten Nadirkanal und den Farbkanälen der HRSC erstellt. Die perspektivische Schrägansicht wurde aus den Geländemodelldaten, den Nadir- und den Farbkanälen der HRSC berechnet. Das Anaglyphenbild, das bei Betrachtung mit einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der Landschaft vermittelt, wurde aus dem Nadirkanal und den Stereokanälen abgeleitet. Die in Regenbogenfarben kodierte Aufsicht beruht auf einem digitalen Geländemodell (DTM) der Region, von dem sich die Topographie der Landschaft ableiten lässt. Der Referenzkörper für das HRSC-DTM ist eine Äquipotentialfläche des Mars (Areoid). Die Kamera HRSC wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und wird von dort betrieben. Die systematische Prozessierung der Kameradaten erfolgte am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. Mitarbeiter der Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin erstellten daraus die hier gezeigten Bildprodukte.

  • Das HRSC-Experiment auf Mars Express
    Die High Resolution Stereo Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Das Wissenschaftsteam unter Leitung des Principal Investigators (PI) Prof. Dr. Ralf Jaumann besteht aus 50 Co-Investigatoren, die aus 35 Institutionen und 11 Nationen stammen. Die Kamera wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben.
Kontakt
  • Elke Heinemann
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-2867
    Fax: +49 2203 601-3249
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  • Dr. Daniela Tirsch
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
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  • Ulrich Köhler
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  • Prof. Dr. Ralf Jaumann
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    Telefon: +49-172-2355864
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