[论文解读] Evolution of major sedimentary mounds on Mars

Edwin S. Kite, J. Sneed+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2017

Planetary Science and ExplorationPhysics and Astronomy参考文献 49被引用 18

一句话总结

本研究提出了一项包含超过300个火星沉积垄层倾向的新数据库，表明这些特征是通过风力驱动的垄状地层堆积形成，而非构造或均衡过程所致。通过结合火星混沌地轴倾角与地形影响的风蚀作用的景观演化模型，作者证明了千米级不整合面由地轴倾角变化引起，支持在超过10⁸年的沉积期间存在间歇性液态水地表径流。

ABSTRACT

We present a new database of $>$300 layer-orientations from sedimentary mounds on Mars. These layer orientations, together with draped landslides, and draping of rocks over differentially-eroded paleo-domes, indicate that for the stratigraphically-uppermost $\sim$1 km, the mounds formed by the accretion of draping strata in a mound-shape. The layer-orientation data further suggest that layers lower down in the stratigraphy also formed by the accretion of draping strata in a mound-shape. The data are consistent with terrain-influenced wind erosion, but inconsistent with tilting by flexure, differential compaction over basement, or viscoelastic rebound. We use a simple landscape evolution model to show how the erosion and deposition of mound strata can be modulated by shifts in obliquity. The model is driven by multi-Gyr calculations of Mars' chaotic obliquity and a parameterization of terrain-influenced wind erosion that is derived from mesoscale modeling. Our results suggest that mound-spanning unconformities with kilometers of relief emerge as the result of chaotic obliquity shifts. Our results support the interpretation that Mars' rocks record intermittent liquid-water runoff during a $>$10$^8$-yr interval of sedimentary rock emplacement.

研究动机与目标

• 理解火星主要沉积垄的形成机制，特别是风力与气候驱动过程的作用。
• 将弯曲、压密及粘弹性回弹等竞争性假说与观测到的地层倾向及地貌形态进行对比检验。
• 研究长期气候变化（特别是混沌地轴倾角）如何影响火星的沉积与侵蚀模式。
• 利用景观演化框架，模拟具有千米级起伏的垄状不整合面的形成过程。
• 将火星沉积垄中的地层特征与长时间尺度上的间歇性液态水地表径流联系起来。

提出的方法

• 从高分辨率轨道影像中汇编超过300个地层倾向测量值，以评估沉积几何形态与变形情况。
• 整合覆盖差异侵蚀古穹隆的披盖滑坡与岩石披覆，推断古地貌演化过程。
• 开发一种基于中尺度大气模拟的地形影响风蚀参数化景观演化模型。
• 利用火星混沌地轴倾角的多吉年模拟驱动模型，模拟长期的沉积与侵蚀动力学。
• 应用参数化风蚀模型，重现观测到的不整合面发育与地层结构。
• 将模型输出与观测到的地层关系及不整合面几何形态进行对比，以验证机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种过程最能解释火星沉积垄中观测到的垄状地层结构？
• RQ2 观测到的地层倾向在多大程度上支持风力驱动的堆积，而非构造倾斜或均衡反弹？
• RQ3 火星地轴倾角的变化在多大程度上影响了沉积垄中大规模不整合面的形成？
• RQ4 由地轴倾角与风蚀驱动的景观演化模型能否重现观测到的千米级起伏的不整合面？
• RQ5 地层关系暗示了火星上液态水活动的存在与持续时间如何？

主要发现

• 地层倾向数据强烈支持地层通过风力驱动的披盖作用形成垄状堆积，而非构造倾斜或均衡反弹。
• 数据与涉及地壳弯曲、差异压密或粘弹性回弹的模型不一致。
• 由混沌地轴倾角与地形影响风蚀驱动的模型模拟成功重现了具有最高达数公里起伏的垄状不整合面。
• 这些不整合面的形成与长达超过10⁸年的长期气候变化（特别是地轴倾角周期）密切相关。
• 地层记录支持在沉积岩堆积期间存在间歇性液态水地表径流，表明长期存在水文活动。
• 野外观测与模拟结果的结合，为火星气候驱动的、间歇性沉积历史提供了有力证据。