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
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Dr. Daniela Tirsch
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
    Telefon: +49 30 67055-488
    Fax: +49 30 67055-402
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
    Kontaktieren
  • Ulrich Köhler
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
    Telefon: +49 30 67055-215
    Fax: +49 30 67055-303
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
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  • Prof. Dr. Ralf Jaumann
    Freie Universität Berlin
    Institut für Geologische Wissenschaften
    Planetologie und Fernerkundung
    Telefon: +49-172-2355864
    Malteserstr. 74-100
    12249 Berlin
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