Helle Kaolinit-Gesteine verändern die Geschichte des Mars

Ein einstiger Marssee, ein allein arbeitender Roboter und einige ungewöhnlich helle Steine stellen die bisherige Geschichte des Mars infrage.

Neue Untersuchungen von beinahe weißen Gesteinen, die der Rover Perseverance im Jezero-Krater entdeckt hat, deuten darauf hin, dass der Rote Planet vor mehr als 3 Milliarden Jahren ein warmes, feuchtes Klima besaß, das tropischen Regionen der Erde erstaunlich ähnlich war.

Helle Gesteine in einer roten Welt

Seit 2021 erkundet Perseverance den Jezero-Krater, ein ehemaliges Seebecken mit einem Durchmesser von rund 45 Kilometern. Zwischen dunklen Felsblöcken und rötlichem Staub fiel dem Forschungsteam etwas Ungewöhnliches auf: Kleine, sehr helle, fast weiße Gesteinsfragmente liegen über das Gelände verstreut.

Diese „schwebenden Gesteine“ – lose Steine ohne erkennbare Verbindung zum örtlichen Untergrund – erregten aus einem bestimmten Grund Aufmerksamkeit: Sie enthalten viel Kaolinit. Diese Tonmineralart ist in tropischen Böden der Erde verbreitet, wurde auf dem Mars bislang jedoch nur selten direkt nachgewiesen.

„Das Vorkommen von Kaolinit in Jezero weist auf eine intensive chemische Verwitterung hin, bei der über lange Zeit flüssiges Wasser an der Marsoberfläche zirkulierte.“

Geräte an Bord des Rovers, darunter SuperCam und Mastcam-Z, erkannten die typische Infrarotsignatur von an Aluminium gebundenen Hydroxylgruppen. Damit war die tonige Beschaffenheit der hellen Gesteine bestätigt. Vereinfacht gesagt: Ihre Chemie entspricht stark durch reichlichen Regen ausgewaschenen Böden.

Was Kaolinit über das „tropische“ Marsklima verrät

Auf der Erde entsteht Kaolinit nicht zufällig. Das Mineral bildet sich, wenn Gestein über Millionen von Jahren in einem warmen, feuchten Umfeld dauerhaftem Regen ausgesetzt ist. Dabei wird der Boden gewissermaßen ausgewaschen: Zahlreiche Elemente werden entfernt, während ein weißer, aluminiumreicher Ton zurückbleibt.

Die Forschenden stellten den Jezero-Gesteinen zwei gut untersuchte irdische Vergleichsbeispiele gegenüber: einem Paläoboden aus dem Eozän nahe San Diego sowie einem mehr als 2 Milliarden Jahre alten Boden von Hekpoort in Südafrika. Sowohl die Infrarotspektren als auch die chemische Zusammensetzung wiesen auffallende Übereinstimmungen auf.

Mehrere Werte stützen die Annahme starker Niederschläge auf dem Mars:

• Titandioxid-Gehalte (TiO₂) von rund 1,4% in bestimmten Proben, ein für durch intensive Niederschläge stark ausgewaschene Böden typischer Wert.
• Ein äußerst niedriger Gesamteisengehalt, der darauf hindeutet, dass Wasser das Element abtransportierte und in andere Gebiete verlagerte.
• Kein chemisches Muster, das für hydrothermale Systeme typisch wäre, welche eine andere Elementkombination aufweisen müssten.

Verwitterungsmodelle zeigen, dass ein Klima, das einen solchen Boden hervorbringen konnte, über Hunderttausende oder Millionen Jahre jährliche Niederschläge von mehr als 1.000 Millimetern auf vulkanischem oder sedimentärem Gelände erfordert hätte.

„Dieses Bild spricht für einen aktiven Wasserkreislauf auf dem frühen Mars: Verdunstung, Wolkenbildung, wiederkehrender Regen und stabile Seen an der Oberfläche.“

Woher stammen diese weißen Gesteine?

Während ihre Zusammensetzung inzwischen recht gut eingegrenzt ist, bleibt die geologische Herkunft dieser Gesteine für die Wissenschaft rätselhaft. Die Fragmente liegen verstreut, ohne dass in ihrer Nähe ein eindeutiger Aufschluss sichtbar wäre. Bislang fand Perseverance keine durchgehende Kaolinit-Schicht in situ.

Daher verfolgt das Team zwei zentrale Erklärungen:

Transport durch urzeitliche Flüsse

Nach dem ersten Szenario könnten Flüsse, die den Jezero-See speisten – etwa Neretva Vallis –, kaolinitreiche Gesteine aus höher gelegenen Regionen abgetragen und die Blöcke in den Krater transportiert haben. Orbitalaufnahmen zeigen aluminiumhaltige Tone in fossilisierten Flussschlingen, was diese Annahme unterstützt.

Auswurf durch Meteoriteneinschläge

Das zweite Szenario bezieht Meteoriteneinschläge ein. Ein großer Einschlag könnte kaolinitische Gesteine in weiter entfernten Gebieten freigelegt und Bruchstücke in den Jezero-Krater geschleudert haben, wo sie sich wie Splitter über die Oberfläche verteilten.

Messungen des Spektrometers CRISM an Bord des Mars Reconnaissance Orbiter identifizierten mögliche Kaolinit-Zonen südwestlich von Jezero, weniger als 2 Kilometer von der Route des Rovers entfernt. Weitere potenzielle Vorkommen liegen in weiter entfernten Regionen wie Nili Planum, wo aluminiumreiche Tonschichten über magnesiumreichen Tonen lagern.

„Sollten diese Gebiete tatsächlich große Kaolinit-Lagerstätten darstellen, könnte der Mars eine Phase chemischer Verwitterung auf kontinentaler Skala durchlaufen haben.“

Die Bedeutung des Fundes für die Wassergeschichte des Mars

Kaolinit bewahrt nicht nur die chemische Erinnerung an Wasser, sondern speichert es auch unmittelbar in seiner Struktur. Ein Teil des Wassers ist als Hydroxyl gebunden, ein weiterer Teil liegt als Moleküle in den Zwischenräumen des Tons vor.

Einige Proben, darunter der Chignik getaufte Stein, zeigen außerdem ein Hydratationsband bei ungefähr 1,9 Mikrometern. Diese Signatur spricht dafür, dass das Material vermutlich nie auf mehr als rund 450 °C erhitzt wurde – jene Temperatur, bei der Kaolinit sein Strukturwasser verliert.

Das wirft eine weiterreichende Frage auf: Wie viel des einstigen Marswassers könnte in Tonmineralen beinahe dauerhaft eingeschlossen worden sein?

• Falls große Teile des Planeten eine „Kaolinisierung“ durchliefen, könnte ein bedeutender Anteil des ursprünglichen atmosphärischen Wassers im Untergrund gebunden worden sein.
• Da der Mars keine aktive Plattentektonik besitzt, wird dieses Wasser im Unterschied zur Erde kaum wieder an die Oberfläche zurückgeführt.

Dieser Vorgang könnte erklären helfen, weshalb ein Planet mit früheren Seen, Flüssen und Regenfällen heute kalt, trocken und von einer dünnen Atmosphäre geprägt ist.

Tropischer Mars und verlorene Bewohnbarkeit

In ihrer Gesamtheit zeichnen die Daten das Bild eines jungen Mars mit gemäßigt warmem Klima, häufigen Niederschlägen und stark veränderten Böden – Bedingungen, die mit mikrobiologischem Leben vereinbar wären.

Umgebungen mit moderatem pH-Wert, zirkulierendem Wasser und gelöstem Sauerstoff schaffen günstige Nischen für Mikroorganismen. In tropischen Böden der Erde ist Kaolinit häufig mit Ökosystemen verbunden, die reich an organischem Material sind, obwohl der Ton selbst nur wenige metallische Nährstoffe enthält.

„Wenn der Mars eine ‚fast tropische‘ Phase hatte, könnte Jezero eine der lebensfreundlichsten Epochen dokumentieren, die es auf dem Planeten je gab.“

Bis jetzt wurden in diesen hellen Gesteinen keine komplexen organischen Verbindungen bestätigt nachgewiesen. Ihr wissenschaftliches Potenzial bleibt jedoch groß. Marsproben mit Kaolinit, die künftige Probenrückführungsmissionen in Labore auf der Erde bringen könnten, würden detaillierte Messungen von Isotopen, Wassergehalt und möglichen Biomarkern ermöglichen.

Begriffe und Konzepte zum Verständnis der Entdeckung

Zur besseren Vorstellung lässt sich an feuchte Tropengebiete der Erde denken: Ständiger Regen greift dort vulkanisches Gestein an und erzeugt mächtige, rötliche oder helle Böden, die fast keine metallischen Nährstoffe enthalten. Etwas Vergleichbares scheint vor Milliarden von Jahren in Teilen des Mars stattgefunden zu haben – allerdings im planetaren Maßstab.

Auch für künftige bemannte Missionen werfen kaolinitische Gesteine praktische Fragen auf. Solche Lagerstätten könnten:

• Wasser enthalten, das sich durch kontrollierte Erwärmung freisetzen lässt.
• Tone für örtlich hergestellte Baumaterialien liefern.
• Regionen anzeigen, in denen das frühere Klima milder war und in denen die Suche nach Lebensspuren besonders interessant ist.

Andererseits sind stark ausgewaschene Böden meist arm an wichtigen Metallmineralen. Das könnte die Nutzung örtlicher Ressourcen für bestimmte Formen des Marsbergbaus einschränken. Dadurch entsteht eine Situation, in der mineralwasserreiche Gebiete nicht zwangsläufig zugleich die besten Metallquellen sind.