Evaporites in Juventae Chasma – Mars Leaching experiments and geochemical modeling Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades in den Naturwissenschaften Eingereicht am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin vorgelegt von Dipl. Geol. Muna Al-Samir Berlin, 2015 I Erstgutachter: Prof. Dr. Alessandro Airo Freie Universität Berlin Fachbereich Geowissenschaften Fachrichtung Tektonik und Sedimentologie Gutachter: Prof. Dr. Ralf Jaumann Freie Universität Berlin Fachbereich Geowissenschaften Fachrichtung Planetengeologie und Fernerkundung und Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt DLR e.V. Institut für Planetenforschung, Abteilung Planetengeologie Gutachter: Prof. Dr. Ekkehard Holzbecher German University of Technology in Oman Faculty of Science Department of Applied GeoSciences Tag der Disputation: 27. November 2015 II Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Verwendung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel erstellt zu haben. Muna Al-Samir III Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des von der Helmholtz-Gemeinschaft geförderten Projektes “Planetary Evolution and Life” am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof und am Institut für Geologische Wissenschaften (Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung) der Freien Universität Berlin angefertigt. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Ralf Jaumann für die fachliche Betreuung über die Dauer der Dissertation. Ebenso danke ich vor allem Herrn Prof. Dr. Ekkehard Holzbecher, der als zweiter Gutachter tätig war, für seine hilfreichen Anmerkungen im Bereich der geochemischen Modellierungen. Des Weiteren möchte ich mich recht herzlich bei all denjenigen bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Allen voran bei Herrn Dr. Andreas Winkler und Prof. Dr. Stephan van Gasselt, die stets eine offene Tür und ein offenes Ohr für meine Fragen hatten und ohne die diese Arbeit nicht so hätte entstehen können. Danke auch an Frau Dr. Janice Bishop, die mir mit ihrer eigenen wissenschaftlichen Arbeit erst das Fundament für meine wissenschaftlichen Untersuchungen bereitete, für ihre Unterstützung, Inspiration und Beratung. Ich danke auch ausdrücklich Herrn Dr. Lorenz Wendt und Herrn Dipl. Geol. Sami Nabhan, die mir während zahlreicher Diskussionen aufgrund ihrer fachlichen Kompetenz Anregungen geben konnten. Auch möchte ich mich bei Herrn Dr. Thomas Kneissl für seine Hilfe mit ArcGis bedanken, sowie bei meinen Zimmergenossen und Freunden Dipl. Geol. Wilhelm Zuschneid und Dr. Patrick McGuire für ihre Geduld. Großer Dank gilt auch meinem Partner Dipl. Geol. Christoph Groß, der mich stets liebevoll und unterstützend während der Jahre begleitet hat, wie im Übrigen auch meiner Familie, namentlich meiner Schwester Maha Dürr und meinem Neffen Louis, die mich schon seit Beginn meines Studiums stets zu motivieren wussten. Mein Dank gilt auch den Mitarbeitern des Museums für Naturkunde Berlin (Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung), namentlich Herrn Dr. Jörg Fritz und Herrn Dr. Ansgar Greshake für die Bereitstellung von Gesteins- und Mineralproben, sowie Herrn Dr. Rudolf Naumann vom Helmholtz-Zentrum Potsdam für die Analytik, als auch Herrn Stefan Ralew, von dem ich die Mars-Meteoritprobe Tissint bezog. Mein Dank geht auch an Herrn Dipl. Geol. Til Singhal von der Fugro Consult GmbH, Frau Dr. Musiol, Frau Dipl. Geogr. Heike Balthasar und Herrn Dipl. Geol. Moritz Liesegang und meinem lieben Kollegen und Freund Dipl. Geol. Cord Fenk. Zuletzt möchte ich noch dem HRSC-Team für die Bereitstellung der von mir genutzten Bilddaten ausdrücklich danken. V Abstract A new hypothesis of the formation and deposition of monohydrated and polyhydrated sulfates in Juventae Chasma as a result of evaporation processes was developed and tested in this thesis. Juventae Chasma, Mars, is an approximately 7 km deep basin located in close vicinity of Valles Marineris. It stretches for ~190 km east-west and ~270 km north-south and exhibits several light- toned interior layered deposits (ILD’s). These deposits form four large and distinctive light-toned mounds referred to as mound A, B, C, and D, from south to north. The deposits, with thicknesses up to several kilometers, consist dominantly of Mg-, Fe-rich monohydrated sulfates at the base partly overlain by polyhydrated sulfates. Therefore, it is reasonable to assume that the precipitation was a result of evaporation processes related to chemical reactions of sulfate solutions with martian rocks. In order to produce Mg, Na, K, Ca, Fe, and Al ion containing sulfate solutions as postulated for evaporation processes in Juventae Chasma the composition of ten Mars analog rock and mineral samples and the martian meteorite Tissint were mineralogically and geochemically examined. Subsequently, the samples were leached with pH 1.3 and pH 3 sulfuric acid solutions in order to simulate rock/fluid interactions similar to the martian crust which was altered by sulfur acidified waters. The resulting fluids were then analyzed and numerically evaporated at 25°C, 75°C, and between 100-200°C by using the Geochemist’s WorkbenchTM software. The results showed sulfate precipitations similar to those observed in Juventae Chasma and, for the first time, enabled the development of a paleolacustrine model of the Juventae basin including the evolution of the Maja Valles outflow system. The results indicate that sulfuric acid solutions were in contact with olivine minerals or olivine-bearing rocks such as komatiites or dunites on the surface of Mars at the time of the late Noachian/early Hesperian boundary. Simulated hydrothermal conditions were developed to explain the characteristic lithostratigraphy of polyhydrated sulfate precipitation above monohydrated sulfates in lake water large enough to fill Juventae Chasma and to form Maja Valles. The presence of a fracture system at the base of mound B, found during preparation of this study, supports this assumption. In summary, results from laboratory experiments and geochemical modeling were combined with image analyses at Juventae Chasma to create a geochemical scenario that explains the presence of the observed geological and mineralogical features in Juventae Chasma. VII Zusammenfassung Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde eine neue Hypothese für die, auf Evaporationsprozessen basierende Entstehung und Ablagerung von monohydrierten und polyhydrierten Sulfaten im Juventae Chasma, Mars, entwickelt und getestet. Juventae Chasma ist ein, in enger Nachbarschaft zu Valles Marineris liegendes, etwa 7 km tiefes Becken. Es erstreckt sich mit ca. 190 km in Ost-West Richtung und mit etwa 270 km in Nord-Süd Richtung und offenbart mehrere geschichtete Ablagerungen (light-toned interior layered deposits/ILD’s). Diese Ablagerungen formen vier charakteristische, große Berge mit hoher Albedo, die von Süd nach Nord als Mound A, B, C und D bezeichnet werden. Die Ablagerungen, mit Mächtigkeiten von mehreren Kilometern, bestehen an ihrer Basis hauptsächlich aus magnesium-und eisenreichen monohydrierten Sulfaten, die zum Teil mit polyhydrierten Sulfaten überdeckt sind. Aufgrund dessen ist die Annahme naheliegend, dass die Präzipitation als Ursache von Evaporationsprozessen in Verbindung mit chemischen Reaktionen von sulfathaltigen Lösungen mit dem Umgebungsgestein stattfand. Um Mg-Na-K-Ca-Fe- und Al-haltige Sulfat-reiche Lösungen wie sie für die Evaporationsprozesse in Juventae Chasma postuliert werden herzustellen, wurden zehn Mars-analoge Gesteins- und Mineralproben, sowie Proben des Mars-Meteoriten Tissint mineralogisch und geochemisch untersucht. Anschließend wurden die Proben in einer pH 1,3 und pH 3 Schwefelsäure angelöst, um so Gesteins-Fluid Wechselwirkungen ähnlich der Alteration von Marskruste durch schwefelsaure Wässer zu simulieren. Die daraus resultierenden Fluide wurden danach analysiert und bei 25°C, 75°C und zwischen 100-200°C mittels des Computerprogramms Geochemist’s WorkbenchTM numerische evaporiert. Die Resultate zeigten Sulfatablagerungen, die denen im Juventae Chasma ähnlich sind, und ermöglichten zum ersten Mal die Entwicklung eines paläolakustrinen Modells, einschließlich der Entstehung des Maja Valles Abflusssystems. Die Resultate zeigen, dass schwefelsaure Lösungen im Kontakt mit Olivin-Mineralen oder Olivin-haltigen Gesteinen, wie z.B. Komatiiten oder Duniten auf der Marsoberfläche zur Zeit des späten Noachium/frühen Hesperium in Kontakt standen. Um die charakteristische Lithostratigraphie von präzipitierten, polyhydrierten Sulfaten oberhalb der monohydrierten Sulfate zu erklären, mussten hydrothermale Bedingungen geherrscht haben. Es zeigte sich, dass die dafür nötige Wassermenge groß genug war um Juventae Chasma zu füllen und Maja Valles zu formen. Die Anwesenheit eines Kluftsystems am Fuß des Mound B, das im Rahmen der Anfertigung dieser Arbeit entdeckt wurde, unterstützt die Annahme hydrothermaler Bedingungen. Insgesamt wurden die Resultate der Laborexperimente und der geochemischen Modellierungen mit den Bildanalysen von Juventae Chasma in Zusammenhang gebracht, um ein geochemisches Szenario zu entwerfen, das die Anwesenheit der geologischen und mineralogischen Besonderheiten im Juventae Chasma erklärt. IX Contents 1 Introduction 1 1.1 Motivation and scope .....................................................................................................................................1 1.2 The geology and mineralogy of Juventae Chasma in context with Valles Marineris ...........2