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水星の地質学は、水星の表面、地殻、内部を科学的に研究する学問です。水星の組成、構造、歴史、そして惑星を形作る物理的プロセスを重視します。地球の地質学の分野に類似しています。惑星科学では、地質学という用語は、惑星や衛星の固体部分の研究を意味する最も広い意味で使用されます。この用語には、地球物理学、地球化学、鉱物学、測地学、地図作成学の側面が含まれます。[ 1 ]
歴史的に、水星は太陽系の地球型惑星の中で最も理解されていない惑星でした。これは主に、水星が太陽に非常に近いため、宇宙船で到達することが技術的に難しく、地球からの観測も困難であることに起因しています。数十年間、水星に関する地質学的情報の主な情報源は、 1974年から1975年にかけてマリナー10号探査機が水星を3回フライバイした際に撮影した2,700枚の画像でした。これらの画像は惑星表面の約45%をカバーしていましたが、太陽高度が高いため表面形態や地形の決定が難しく、詳細な地質学的調査には適さないものが多くありました。[ 2 ]この情報不足は、2008年から2015年にかけて水星表面、宇宙環境、地球化学、測距（ MESSENGER ）探査機が惑星全体をカバーして291,000枚以上の画像[ 3 ]と豊富なその他の科学データを収集したことで大幅に改善されました。欧州宇宙機関（ESA）のベピコロンボ探査機は、2026年に水星周回軌道に投入される予定で、水星の地質に関する未解決の多くの疑問を解明するのに役立つと期待されている。
水星の表面は、衝突クレーター、玄武岩、滑らかな平原が大部分を占めており、その多くは洪水火山活動の結果で、いくつかの点で月の海に似ています。 [ 4 ] [ 5 ]また、局所的には火砕堆積物もあります。[ 6 ]その他の注目すべき特徴としては、マグマによって削られた谷の源と思われる噴気孔、崩壊したマグマ溜まりの結果と考えられている「窪地」と呼ばれる不規則な形状の窪みがしばしば集まっていること、[ 7 ]衝上断層を示す崖、極のクレーター内の鉱物堆積物（おそらく氷）などがあります。水星は長い間地質学的に不活発であると考えられてきましたが、新しい証拠は、まだある程度の活動がある可能性を示唆しています。[ 8 ] [ 9 ]
水星の密度は、体積の約60%（半径の75%）を占める鉄に富む固体核の存在を示唆している。[ 10 ]水星の磁気赤道は、惑星半径の約20%だけ北にずれており、これは全惑星の中で最大の比率である。[ 11 ]このずれは、核の周囲に1つ以上の鉄に富む溶融層が存在し、地球と同様のダイナモ効果を生み出していることを示唆している。さらに、磁気双極子のずれにより、太陽風による表面風化が不均一になり、より多くの表面粒子が南の外気圏に打ち上げられ、北に運ばれて堆積する可能性がある。科学者たちは、そのようなことが起こっているかどうかを判断するためにテレメトリーデータを収集している。[ 11 ]
地球から水星に到達するには、水星が地球よりもはるかに太陽に近い軌道を周回しているため、重大な技術的課題が伴います。地球から打ち上げられた水星行きの宇宙船は、太陽の重力ポテンシャル井戸に9100万キロメートル進入しなければなりません。[ 12 ]地球の軌道速度30 km/sから出発して、宇宙船が水星の近くを通過するホーマン遷移軌道に入るために必要な速度 変化（Δv ）は、他の惑星探査ミッションと比較して大きくなっています。太陽のポテンシャル井戸を下ることで解放された位置エネルギーは運動エネルギーに変わり、水星を急速に通過する以外のことをするには、さらに大きなΔvが必要になります。安全に着陸したり、安定した軌道に入ったりするためには、宇宙船は完全にロケットモーターに頼らなければなりません。なぜなら、水星には大気がほとんどないからです。水星への直接旅行には、太陽系から完全に脱出するために必要なロケット燃料よりも多くの燃料が必要です。その結果、これまでに水星を訪れた宇宙探査機は、マリナー10号、メッセンジャー、ベピコロンボの3機のみとなっている。
さらに、水星近傍の宇宙環境は過酷であり、強烈な太陽放射と高温という二重の危険が宇宙船に迫る。
歴史的に見て、2つ目の障害は、水星の自転周期が58地球日と遅いため、宇宙船のフライバイでは片側の半球しか観測できないことでした。 [ 13 ]残念ながら、マリナー10号探査機は1974年と1975年に水星を3回通過しましたが、毎回同じ領域を観測しました。これは、マリナー10号の公転周期がほぼ正確に3恒星水星日であり、接近のたびに惑星の同じ面が照らされていたためです。その結果、惑星表面の45%未満しかマッピングされませんでした。
水星は常に太陽に近いため、地球からの観測は困難です。これにはいくつかの影響があります。
地球、月、火星と同様に、水星の地質史もいくつかの時代に分けられます。古いものから新しいものへと順に、前トルストヤ時代、トルストヤ時代、カロリアン時代、マンスリアン時代、カイペリアン時代です。これらの年代は相対年代測定のみに基づいています。[ 14 ]
水星が太陽系の他の天体とともに46億年前に形成された後、小惑星や彗星による激しい衝突が続きました。最後の激しい衝突期である後期重爆撃期は約38億年前に終焉を迎えました。カロリス盆地を形成したような一部の地域や山塊は、惑星内部からのマグマ噴火によって満たされました。これにより、月の海に似た滑らかなクレーター間平原が形成されました。その後、惑星が冷えて収縮するにつれて、表面に亀裂が生じ、尾根が形成され始めました。これらの表面の亀裂や尾根は、クレーターやより滑らかな平原などの他の地形の上に見られることから、より新しいものであることが明確に分かります。水星の火山活動期は、惑星のマントルが十分に収縮し、それ以上の溶岩が表面に噴出することができなくなったときに終わりを迎えました。これはおそらく、水星の最初の7億年から8億年の間に起こったと考えられます。
それ以降、地表における主なプロセスは断続的な衝突であった。
時間単位：百万年
水星の表面は全体的に月の表面に似ており、広大な海のような平原や、月の高地に似たクレーターだらけの地形があり、局所的には火砕堆積物の蓄積によって形成されています。[ 6 ]
水星は月に比べて岩石が少なく、水星には月の約30分の1の岩石しか見つかっていない。この希少性の説明としては、水星の岩石の寿命が月の岩石の寿命（約1億年）よりも短いことが挙げられる。[ 15 ]
水星で発見された岩塊は、直径数百メートル以上の新しい衝突クレーターに関連している。 [ 16 ]
水星のクレーターは、直径が小さな椀型のクレーターから、数百キロメートルに及ぶ多重リングの衝突盆地まで様々です。比較的新しい放射状のクレーターから、高度に劣化したクレーターの残骸まで、あらゆる劣化状態が見られます。水星のクレーターは月のクレーターとは微妙に異なり、噴出物の広がりがはるかに小さいのですが、これは水星の表面重力が月の2.5倍強いことによるものです。[ 14 ]
既知の最大のクレーターは、直径 1,550 km の巨大なカロリス盆地 です。[ 17 ]マリナー探査機が撮影していない半球の低解像度の地球観測から、スキナカス盆地と暫定的に名付けられた同規模の盆地が想定されていましたが、対応する地形のMESSENGER画像では観測されていません。カロリス盆地を形成した衝突は非常に強力で、その影響は地球規模で見られます。この衝突は溶岩噴火を引き起こし、衝突クレーターの 周囲に高さ 2 kmを超える同心円状のリングを残しました。カロリス盆地の対蹠点には、時折「奇妙な地形」と呼ばれる、珍しい丘陵と溝のある地形の広大な地域があります。この地形単位の起源に関する有力な仮説は、衝突時に発生した衝撃波が惑星を一周し、盆地の対蹠点 (180 度離れた場所) で収束したときに、高い応力が表面を破砕することができたというものです。[ 18 ]あまり支持されていない考え方としては、この地形は、この盆地の対蹠点における噴出物の収束の結果として形成されたというものがある。さらに、カロリス盆地の形成は、盆地の周囲に同心円状の浅い窪地を生み出し、それが後に滑らかな平原で埋められたようである（下記参照）。
その他の注目すべき盆地としては 、幅400kmの多重リング構造のトルストイ盆地があり、その縁から最大500kmまで噴出物が広がり 、底面は滑らかな平原物質で満たされている。ベートーベン盆地も同様の大きさの噴出物が広がり、 直径625kmの縁がある。[ 14 ]これらは元々マリナー10号 によって撮影されたものである。後にMESSENGERによって撮影されたもう1つの大きな盆地はレンブラント盆地で、カロリス盆地に次いで2番目に大きい盆地である。
月と同様に、水星の新しいクレーターには、目立つ明るい光条が見られます。これらは噴出した破片によって形成され、周囲の古い地形よりも宇宙風化作用が少ないため、比較的新しい状態を保っている間は明るく見える傾向があります。
水星の衝突クレーターの中には、底面に円形ではない不規則な形の窪みやピットがあるものがある。このようなクレーターはピット底クレーターと呼ばれ、MESSENGERチームのメンバーは、このようなピットは地下のマグマ溜まりの崩壊によって形成されたと示唆している。この示唆が正しければ、ピットは水星で火山活動が行われている証拠となる。[ 9 ]ピットクレーターは縁がなく、しばしば不規則な形をしており、側面が急峻で、関連する噴出物や溶岩流は見られないが、通常は独特の色をしている。例えば、プラクシテレスのピットはオレンジ色をしている。[ 19 ]浅いマグマ活動の証拠と考えられているピットクレーターは、地下のマグマが他の場所に流れ出し、天井部分が支えられなくなり、崩壊してピットが形成されたときに形成された可能性がある。これらの特徴を示す主要なクレーターには、ベケット、ジブラン、レルモントフ、ピカソ、ナヴォイなどがある。[ 20 ]これらの、より明るく赤い堆積物を伴う窪みは、爆発的な火山活動によって引き起こされた火砕堆積物である可能性があると示唆された。[ 6 ]
水星には地質学的に異なる2つの平原ユニットが存在する。[ 14 ] [ 21 ]
カロリス盆地の底は、地質学的に特徴的な平坦な平原で覆われており、ほぼ多角形のパターンで尾根や断層によって分断されている。これらが衝突によって誘発された火山溶岩なのか、それとも大きな衝突溶融物なのかは明らかではない。[ 14 ]
水星の表面の珍しい特徴の一つは、平原を縦横に走る多数の圧縮褶曲である。惑星内部が冷えるにつれて収縮し、表面が変形し始めたと考えられている。褶曲はクレーターやより滑らかな平原などの他の地形の上に見られることから、比較的新しいものであることがわかる。[ 22 ]水星の表面は、太陽によって引き起こされる大きな潮汐隆起によってもたわんでいる。水星の太陽の潮汐は、地球の月の潮汐よりも約17%強い。[ 23 ]
水星のファキュラは、不規則な窪みを囲む明るい領域です。これらは一般的に火砕流によるものと解釈されています。[ 24 ] 水星のファキュラはすべて、異なる言語で蛇を意味する言葉を使って命名されています。
クレーター以外の地表地形には、以下の名称が付けられています。
水星の最初のレーダー観測は、プエルトリコのアレシボとアメリカ合衆国カリフォルニア州のゴールドストーンにある電波望遠鏡によって行われ、ニューメキシコ州にある米国国立電波天文台の超大型電波望遠鏡群（VLA）施設が協力した。ゴールドストーンにあるNASA深宇宙ネットワークサイトから送信された電波は、8.51GHzで460kWの出力レベルであった。VLAのマルチアンテナアレイで受信された信号は、水星の北極からの偏光解消波によるレーダー反射点（レーダー光度）を検出した。
アレシボ電波望遠鏡を用いて、惑星表面のレーダーマップが作成された。この調査は、15 kmの解像度を可能にする420 kWのUHF帯（2.4 GHz）電波を用いて実施された 。この研究は、高反射率および偏光解消領域の存在を確認しただけでなく、多数の新たな領域（合計20個）を発見し、極域の調査にも成功した。水星表面の大部分を構成するケイ酸塩岩は光度に対して正反対の効果を持つため、これらの高光度レベルは表面の氷が原因である可能性が示唆されている。
太陽に近いにもかかわらず、水星には表面に氷が存在する可能性がある。極付近の気温は常に氷点下であり、極平原では気温が-106 ℃を超えることはない。水星の高緯度にあるクレーター（地球からのレーダー調査でも発見されている）は、氷を直射日光から遮るのに十分な深さがある可能性がある。太陽光が届かないクレーター内部では、気温は-171 ℃まで下がる。[ 25 ]
宇宙空間の真空への昇華にもかかわらず、永久影領域の温度は非常に低いため、この昇華は十分にゆっくりと進行し、堆積した氷を数十億年にわたって保存できる可能性がある。
南極では、高い反射率を示す広範囲の領域が朝夢府クレーターの位置と一致しており、他にも反射領域を含む小さなクレーターがいくつか確認されている。北極では、朝夢府クレーターよりも小さいクレーターが多数存在し、同様の反射特性を示している。
水星で観測されるレーダー反射の強度は、純粋な氷の場合に比べて小さい。これは、クレーター表面を完全に覆っていない粉末状の堆積物、あるいは薄い表面層など、他の原因による可能性がある。しかし、水星に氷が存在するという証拠は決定的なものではない。この異常な反射特性は、金属硫酸塩やその他の高反射性物質の堆積物の存在による可能性もある。
水星だけが永久影に覆われたクレーターを持つわけではありません。地球の月の南極には大きなクレーター（エイトケン）があり、氷の存在を示す可能性のある兆候がいくつか見つかっています（ただし、その解釈については議論があります）。天文学者たちは、水星と月の氷はどちらも外部の起源、主に衝突した彗星に由来すると考えています。これらの彗星は大量の、あるいは大部分が氷で構成されていることが知られています。したがって、隕石の衝突によって永久影のクレーターに水が堆積し、熱を効率的に伝導する大気がないことと水星の自転軸の向きが安定していることから、水は何十億年も温められないままになる可能性があると考えられます。
2020年3月に報告された研究に基づくと、水星の一部は居住可能であった可能性があり、おそらく原始的な微生物ではあるものの、生命体がその惑星に存在していた可能性があるという科学的根拠があるかもしれない。[ 26 ] [ 27 ]
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