Mars mantel kan vara mer komplicerad än man tidigare trott. I en ny studie publicerad idag i den Nature-anslutna tidskriften Vetenskapliga rapporter , forskare vid LSU dokumenterar geokemiska förändringar över tid i lavaflödena av Elysium, en stor vulkanprovins på Mars.

LSU Geologi och Geofysik forskare David Susko ledde studien med kollegor vid LSU inklusive hans rådgivare Suniti Karunatillake, University of Rahuna i Sri Lanka, SETI-institutet, Georgia Institute of Technology, NASA Ames, och Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Frankrike.

De fann att den ovanliga kemin av lavaflöden runt Elysium är förenlig med primära magmatiska processer, till exempel en heterogen mantel under Mars yta eller vikten av det överliggande vulkanberget som gör att olika lager av manteln smälter vid olika temperaturer när de stiger till ytan med tiden.

Elysium är ett gigantiskt vulkaniskt komplex på Mars, den näst största efter Olympic Mons. För skala, det stiger till dubbelt så högt som jordens Mount Everest, eller cirka 16 kilometer. Geologiskt sett, dock, Elysium är mer som jordens Tibesti-berg i Tchad, i synnerhet Emi Koussi, än Everest. Denna jämförelse är baserad på bilder av regionen från Mars Orbiter Camera, eller MOC, ombord på Mars Global Surveyor, eller MGS, Uppdrag.

Elysium är också unikt bland vulkaner på mars. Det är isolerat i planetens norra lågland, medan de flesta andra vulkankomplex på Mars samlas i det gamla södra höglandet. Elysium har också fläckar av lavaflöden som är anmärkningsvärt unga för en planet som ofta anses geologiskt tyst.

"De flesta av de vulkaniska egenskaperna vi tittar på på Mars är i intervallet 3-4 miljarder år gamla, ", sa Susko. "Det finns några fläckar av lavaflöden på Elysium som vi uppskattar vara 3-4 miljoner år gamla, alltså tre storleksordningar yngre. I geologiska tidsskalor, 3 miljoner år sedan är som igår."

Faktiskt, Elysiums vulkaner skulle hypotetiskt fortfarande kunna få ett utbrott, Susko sa, även om ytterligare forskning behövs för att bekräfta detta. "Åtminstone, vi kan ännu inte utesluta aktiva vulkaner på Mars, ", sa Susko. "Vilket är väldigt spännande."

Suskos arbete i synnerhet avslöjar att sammansättningen av vulkaner på Mars kan utvecklas under deras eruptiva historia. I tidigare forskning ledd av Karunatillake, biträdande professor vid LSU:s institution för geologi och geofysik, forskare vid LSU:s Planetary Science Lab, eller PSL, fann att särskilda regioner av Elysium och den omgivande grunda underytan av Mars är geokemiskt avvikande, konstigt även i förhållande till andra vulkaniska regioner på Mars. De är utarmade på de radioaktiva grundämnena torium och kalium. Elysium är en av endast två magmatiska provinser på Mars där forskare har hittat så låga nivåer av dessa grundämnen hittills.

"Eftersom torium och kalium är radioaktiva, de är några av de mest pålitliga geokemiska signaturerna som vi har på Mars, ", sa Susko. "De agerar som fyrar som sänder ut sina egna gammafotoner. Dessa element kopplar också ofta ihop i vulkaniska miljöer på jorden."

I deras nya tidning, Susko och kollegor började pussla ihop Elysiums geologiska historia, en expansiv vulkanisk region på Mars som kännetecknas av märklig kemi. De försökte avslöja varför några av Elysiums lavaflöden är så geokemiskt ovanliga, eller varför de har så låga nivåer av torium och kalium. Är det för att som andra forskare har misstänkt, glaciärer som ligger i denna region för länge sedan förändrade ytkemin genom vattenhaltiga processer? Eller beror det på att dessa lavaströmmar uppstod från andra delar av Mars mantel än andra vulkanutbrott på Mars?

Kanske har manteln förändrats med tiden, vilket innebär att nyare vulkanutbrottsflöden skiljer sig kemiskt från äldre. Om så är fallet, Susko skulle kunna använda Elysiums geokemiska egenskaper för att studera hur Mars bulkmantel har utvecklats över geologisk tid, med viktiga insikter för framtida uppdrag till Mars. Att förstå den evolutionära historien om Mars mantel kan hjälpa forskare att få en bättre förståelse för vilka typer av värdefulla malmer och andra material som kan hittas i skorpan, samt om vulkaniska faror oväntat kan hota mänskliga uppdrag till Mars inom en snar framtid. Mars mantel har sannolikt en helt annan historia än jordens mantel eftersom plattektoniken på jorden är frånvarande på Mars så vitt forskarna vet. Historien om den röda planetens stora inre förblir också ett mysterium.

Susko och kollegor vid LSU analyserade geokemiska och ytmorfologiska data från Elysium med hjälp av instrument ombord på NASA:s Mars Odyssey Orbiter (2001) och Mars Reconnaissance Orbiter (2006). De var tvungna att redogöra för dammet som täcker Mars yta i efterdyningarna av starka dammstormar, för att se till att den grunda kemin under ytan faktiskt reflekterade Elysiums magmatiska material och inte det överliggande dammet.

Genom kraterräkning, forskarna fann skillnader i ålder mellan de nordvästra och sydöstra regionerna av Elysium - cirka 850 miljoner års skillnad. De fann också att de yngre sydöstra regionerna skiljer sig geokemiskt från de äldre regionerna, och att dessa skillnader i själva verket relaterar till magmatiska processer, inte sekundära processer som interaktionen av vatten eller is med ytan av Elysium tidigare.

"Vi fastställde att även om det kan ha funnits vatten i det här området tidigare, de geokemiska egenskaperna i toppmetern i hela denna vulkaniska provins tyder på magmatiska processer, ", sade Susko. "Vi tror att nivåerna av torium och kalium här var utarmade över tiden på grund av vulkanutbrott över miljarder år. De radioaktiva grundämnena var de första som gick i de tidiga utbrotten. Vi ser förändringar i mantelkemin över tid."

"Långlivade vulkaniska system med växlande magmasammansättningar är vanliga på jorden, men en ny historia på Mars, sa James Wray, studie medförfattare och docent vid School of Earth and Atmospheric Sciences vid Georgia Tech.

Wray ledde en studie från 2013 som visade bevis för magmautveckling vid en annan vulkan på mars, Syrtis Major, i form av ovanliga mineraler. Men sådana mineraler kan ha sitt ursprung på Mars yta, och är endast synliga på sällsynta dammfria vulkaner.

"På Elysium ser vi verkligen hur kemin i bulk förändras över tiden, med en teknik som potentiellt kan låsa upp den magmatiska historien för många fler regioner över Mars, " han sa.

Susko spekulerar att själva vikten av Elysiums lavaströmmar, som utgör en vulkanprovins sex gånger högre och nästan fyra gånger bredare än dess morfologiska syster på jorden, Emi Koussi, har fått olika djup av Mars mantel att smälta vid olika temperaturer. I olika regioner av Elysium, lavaströmmar kan ha kommit från olika delar av manteln. Att se kemiska skillnader i olika regioner av Elysium, Susko och kollegor drog slutsatsen att Mars mantel kan vara heterogen, med olika sammansättningar inom olika områden, eller att den kan vara stratifierad under Elysium.

Övergripande, Suskos fynd tyder på att Mars är en mycket mer geologiskt komplex kropp än vad man ursprungligen trodde, kanske på grund av olika belastningseffekter på manteln orsakade av vikten av jättevulkaner.

"Det är mer jordliknande än månliknande, " Sa Susko. "Månen är skuren och torr. Det saknar ofta de sekundära mineraler som förekommer på jorden på grund av väderpåverkan och interaktioner mellan magmatiskt vatten. I årtionden, det var också så vi föreställde oss Mars, som en livlös sten, full av kratrar med ett antal långa inaktiva vulkaner. Vi hade en mycket enkel bild av den röda planeten. Men ju mer vi tittar på Mars, desto mindre månlikt blir det. Vi upptäcker mer variation i bergarter och geokemiska sammansättningar, som sett över Curiosity Rovers travers i Gale Crater, och mer potential för livskraftigt resursutnyttjande och kapacitet att upprätthålla en mänsklig befolkning på Mars. Det är mycket lättare att överleva på en komplex planetkropp som bär mineralprodukter från komplex geologi än på en enklare kropp som månen eller asteroider."

Susko planerar att fortsätta att klargöra de geologiska processer som orsakar den märkliga kemin som finns runt Elysium. I framtiden, han kommer att studera dessa kemiska anomalier genom beräkningssimuleringar, att avgöra om återskapandet av trycken i Mars mantel orsakade av vikten av jättevulkaner kan påverka mantelsmältningen för att ge den typ av kemi som observeras inom Elysium.