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Chevrel, Magdalena Oryaelle (2013): Rheology of Martian lava flows: an experimental approach. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Chevrel_Magdalena_Oryaelle.pdf

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Abstract

In recent years, high-resolution topographic images from Mars’ surface as well as mineralogical and chemical data, have rapidly become more accessible. Martian volcanic landforms are characterized by giant low slope shield volcanoes, abundant lava flood plains and long lava flows. In-situ rock analysis and remote sensing spectroscopy reveal mainly basaltic compositions with particularly high iron concentrations, distinct from terrestrial basalts. As yet, very little is known about the rheological properties of such iron-rich Martian magmas that are essential to understand magmatic processes. Understanding the chemical and physical contributions to lava rheology is fundamental to provide constraints on magma ascent and lava flow emplacement that shaped the volcanic landforms on Mars. This study provides an experimental investigation of the rheological properties of Martian lavas and discusses the diversity of compositions in terms of lava viscosity / flow morphology relationship. The effect of iron, and its redox state on silicate melt viscosity is experimentally investigated and the viscosities of five synthetic silicate liquids having compositions representative of the diversity of Martian volcanic rocks were measured under controlled ambient oxygen fugacity. The results highlight the low viscosity of the iron-rich Martian melts that is consistent with viscosity values derived from morphological observations. A solidified lava flow on Earth was studied by combining analyses of remote sensing images (as commonly done on Mars), as well as experimental investigations of the rheological properties of the sampled rocks, in order to describe the viscous behavior of lava as emplacement, cooling, and crystallization occur. We show that a cooling-limited basaltic flow seemingly stop flowing when it reaches a critical viscosity value that is function of crystals content and shapes. As a result, the lava apparent viscosity appears to be largely influenced by the details of the crystallization sequence and is not uniquely and simply related to the bulk chemical composition of the erupted material. Variation of the chemical evolution of Martian primary mantle melts through the volcanic history is not large to produce an significant shift of the viscosity range that could be observed them from their morphologies. Low apparent viscosities inferred from lava flow morphology on Mars may in turn be attributed to lavas with primary mantle melt composition crystallizing high proportion of olivine and possibly forming spinifex textures. Higher viscosity values derived from the morphology are compatible with mildly alkaline or trachybasalts and do not necessarily imply the occurrence of silica-rich lavas.

Abstract

Über die letzten Jahre sind hochauflösende topographische Bilder der Oberfläche des Mars, sowie chemische und mineralogische Daten der Marsgesteine zunehmend verfüg- bar geworden. Die vulkanischen Formationen des Mars beinhalten gigantische Schild- vulkane flacher Ausprägung, grosse Flutbasaltebenen und weitfliessende Lavaströme. In- situ Analysen der Mars Gesteine und “Remote Sensing Spectroscopy“ zeigen grösstenteils basaltische Zusammensetzungen, jedoch mit besonders hohem Eisengehalt, der Mars- gesteine von terrestrischen Proben unterscheidet. Bis dato sind die rheologischen Eigen- schaften dieser eisen-reichen Mars Magmen wenig erforscht. Das Verständnis der physiko- chemischen Parameter, die die Lava Rheologie beeinflussen, ist jedoch fundamental, um Magmaaufstieg und die Ablagerung von Lavaströmen auf dem Mars zu verstehen. In dieser Studie wurden die rheologischen Eigenschaften marsianischer Laven experi- mentell untersucht und die Variabilität der natürlich vorkommenden Zusammensetzungen in Beziehung zu Lava-Viskosität und Lava-Morphologie gesetzt. Der Effekt von Eisen und seines Redox Zustandes auf die Viskosität von Silikatschmelzen wurde experimentell untersucht. Unter kontrollierten Sauerstofffugazitäten wurden die Viskositäten von fünf synthetischen Silikatschmelzen untersucht, deren Zusammensetzun- gen repräsentativ für die Spannbreite der Zusammensetzungen der vulkanischen Gesteine des Mars ist. Die niedrige Viskosität der eisenreichen, marsähnlichen Schmelzen ist kon- sistent mit den Viskositätswerten, die durch morphologische Analysen bestimmt wurden. Als terrestrisches Analog wurde ein erkalteter Lavastrom mit Hilfe von fernerkundlichen Bildern, die in der gleichen Weise für Mars angewendet werden, sowie Messungen der Rheologie an Gesteinsproben dieser Lava untersucht, um Änderungen in der Viskosität während der Ablagerung, des Abkühlens und der Kristallisation zu charakterisieren. Laut unserer Ergebnisse wird ein durch Abkühlen limitierter basaltischer Lavastrom aufgrund von erhöhtem Kristallgehalt und als Funktion von Kristallhabitus gestoppt. Die appar- ente Viskosität scheint daher grösstenteils von der Kinetik der Kristallisatiosnsequenz beeinflusst und weniger von der Gesamtzusammensetzung des eruptierten Materials. Als Folge hätte die Variabilität in der Zusammensetzung der primären, marsianischen Man- telschmelzen über die vulkanische Historie keinen signifikanten Effekt auf die apparente Viskosität, die durch Lava-Morphologie-Analysen bestimmt wird. Niedrige apparente Viskositäten aus diesen Morphologie-Analysen erklären sich dadurch hauptsächlich als Folge von primären Mantelschmelzen, die einen hohen Anteil von Olivin kristallisieren und möglicherweise Spinifex Texturen ausbilden. Wenn Morphologieanalysen höhere Viskositäten ausgeben ist dies kompatibel mit schwach alkalinen Basalten oder Trachy- basalten, bedeutet jedoch nicht notwendigerweise das Vorkommen felsischer Laven.

Abstract

Ces dernières années, des nouvelles données satellites de la surface de Mars de haute résolution (topographiques ainsi que minéralogiques et chimiques), sont devenues accessi- bles à la communauté scientifique. Sur Mars, les paysages volcaniques sont caractérisés par des volcans boucliers géants à pentes faibles, des plaines de lave et des longues coulées de lave. L’analyse des roches in situ et par spectroscopie orbitale révèlent que la composition des roches est essentiellement basaltique contenant une quantité de Fer particulièrement élevée, clairement distincte des basaltes terrestres. À ce jour, les propriétés rhéologiques des magmas martiens riches en Fer, qui sont essentielles pour comprendre les processus magmatiques, n’ont pas été étudiées en détails. Définir comment la teneur en Fer con- trôle la rhéologie des laves est fondamental pour comprendre l’ascension des magmas et interpréter la mise en place des coulées de lave qui façonnent les paysages volcaniques sur Mars. Cette thèse fournit une étude expérimentale des propriétés rhéologiques des laves martiennes et discute de la diversité des compositions en termes de relation entre viscosité et morphologie des coulées. L’effet du Fer et son état d’oxydo-réduction sur la viscosité des liquides silicatés sont étudiés expérimentalement et les viscosités de cinq laves ayant des compositions représen- tatives de la diversité des roches volcaniques martiennes ont été mesurées en fonction de la température. Les résultats mettent en évidence la faible viscosité de ces liquides martiens riches en fer, ce qui est compatible avec la viscosité déduite des observations morphologiques. Afin de décrire le comportement visqueux d’une coulée de lave pendant sa mise en place (refroidissement et cristallisation), une coulée terrestre a été étudiée, en combinant l’analyse des images de télédétection (comme on le fait sur Mars) et l’étude expérimentale des propriétés rhéologiques des roches échantillonnées. Nous montrons que la forme des coulées basaltiques qui ont cessé d’avancer à cause de leur refroidissement, atteignent une limite rhéologique qui dépend des détails de la séquence de cristallisation et de la forme des cristaux. Leur viscosité apparente n’est pas uniquement et simplement liée à la composition chimique de la lave. Ainsi, l’évolution chimique des liquides pri- maires issus de la fonte partielle du manteau martien à travers l’histoire volcanique de Mars n’a pas d’effet significatif sur la viscosité apparente déterminée par la morphologie des coulées. Les faibles viscosités apparentes déduites de la morphologie des laves sur Mars peuvent être attribuées à des compositions de liquides primaires qui cristallisent des olivines en forte proportion et pouvant former une texture spinifex. Les viscosité plus élevées dérivées de la morphologie sont elles compatibles avec des basaltes légèrement alcalins ou trachytique et n’impliquent pas nécessairement la présence de laves riches en silice de type andésitique.