火星の球状粒子

火星の球状体（ヘマタイト球状体、ブルーベリー、火星のブルーベリーとも呼ばれる）は、鉄酸化物（灰色のヘマタイト、α-Fe ₂ O _{3 ）を豊富に含む小さな球状体（ほぼ球形の小石）であり、}メリディアニ平原（火星の広大な平原）で非常に大量に 発見されています。

これらの球状物は、NASA の火星探査ローバー オポチュニティがメリディアニ平原に着陸した火星の日に発見されました (2004 年 1 月 24 日、NASA のミッション コントロール ビルで)。それらは灰色ですが、火星のいたるところに見られる赤さび色と比べると青みがかって見えます。また、イーグル クレーターで最初に発見された球状物は直径 3 ～ 6 mm であったため、オポチュニティチームはすぐにそれらを「ブルーベリー」と呼びました。

火星のブルーベリーは、埋め込まれているか、または緩んでいるかのいずれかです。つまり、火星のブルーベリーは、メリディアニ平原の大きな堆積物の中に埋め込まれているか、堆積物の露頭に直接横たわっているか、メリディアニ堆積物の上に広がる表土の上に横たわっている緩いブルーベリーです。^{[1] [2]}これらの球状体のサイズは、メリディアニ平原の場所と標高によって異なります。^{[3] [4] [5]}

火星のブルーベリーは鉄酸化物ヘマタイトを豊富に含んでいますが、この鉄酸化物がどの程度豊富に含まれているかを判断するのは困難です。^{[6] [7] [8] [9] [10] [4] [11]}（詳細は下記）。ブルーベリーの形成には水性化学反応が必要であり、メリディアニ平原と2つの地質時代にわたる酸性で塩分を含んだ液体の水の流れが関与していました。^{[12] [9] [13] [14] [15] [16]}

火星探査機マーズ・グローバル・サーベイヤーに搭載された熱放射分光計（ TES）は、子午線洞内で結晶性の灰色ヘマタイト（α-Fe ₂ O ₃）を初めて検出しました。^[17]この発見は、火星の過去の水に関連する鉱物の地図を作成するためのより広範な取り組みの一環でした。

1997年から2002年にかけて、マーズ・グローバル・サーベイヤーのTESは火星全体の表面ヘマタイト濃度の地図を作成しました。^[18]図1aはTESの低解像度のヘマタイト全球地図です。ヘマタイト濃度の高い地域をカバーする大きなスポットが1つだけあります。この緑、黄、赤のスポットは、図1aの中央で赤道と本初子午線にまたがっています。ヘマタイト濃度の高い地域の高解像度の地図は図1bに示されています。

1990年代、NASAの職員は火星の「より速く、より良く、より安く」探査するための枠組みを描き出そうとした。この文脈で、「水戦略」は1995年から1996年にかけて概説された。^[19] 1990年代半ばのNASAの優先目標は、衛星調査を使用して地表水の証拠を収集し、ロボット探査車を地表に着陸させて水と生命の兆候の詳細な現地証拠を収集することだった。^[19]

2000年代初頭、図1bのヘマタイト地図と、この地域が平坦で着陸が比較的容易であるという確認（マーズ・グローバル・サーベイヤーによる地形図作成による）は、メリディアニ平原をNASAの2台の大型火星探査ローバー（MER）であるオポチュニティとスピリットの着陸地点の1つに選ぶ決定的な証拠となった 。^{[20] [21] NASAが}オポチュニティ の着陸地点を選ぶ際に図1bのヘマタイト地図を決定的にしたのは、 NASAが過去にこの地域に大量の液体の水が流れていたことの代理証拠として、高濃度のヘマタイトを使用していたためである（ヘマタイトは地質学的環境で液体の水がある場合にのみ形成される）。2003年、この高濃度ヘマタイト地域は火星生命の兆候の探索を開始する優先度の高い場所であった。^{[20] [22]}

図1bの赤鉄鉱地図は、19世紀の火星地図製作者によってSinus Meridianiと呼ばれたより広い地域の一部をカバーしています。2004年、次のMER Opportunityミッションの上級科学者は 、図1bの赤鉄鉱の多い地域（おおよそ）にMeridiani Planumという新しい地名を導入しました。 ^[23]

NASAの探査車オポチュニティは、2004年1月24日（太平洋標準時）にメリディアニ平原のイーグル・クレーターへの「ホールインワン」着陸に成功した。 ^{[24]火星の最初のソル（火星の日）に、探査車はすぐに}イーグル・クレーター内のいたるところに散らばっている無数の小さな（直径4～6mm）球状体を発見した。

図2は、第1ソルにおけるオポチュニティのパンカム（パノラマカメラ）からの画像のサムネイルです。（実際の画像は非常に大きく、7838 x 2915ピクセルです）。パンカムチームのリーダーであるジム・ベルは、この画像についてすぐに次のように書いています。「科学者たちは、クレーター全体に散在する岩の露頭の多さや、粗い灰色の粒子と細かい赤みがかった粒子が混ざったように見えるクレーターの土壌に興味をそそられています。」^[25]図3は、図2の詳細で、灰色の球状体をより明確に示しています（クリックして拡大）。

実験により、灰色の球状物質には灰色のヘマタイトが豊富に含まれていることがすぐに判明した。^{[6] [7] [8] [26] [1] [9]}これらの実験には「ベリーボウル」実験も含まれていた（詳細は後述）。

「ブルーベリー」という呼び名は、オポチュニティの元科学チームによって灰色の赤鉄鉱の球状体に対して付けられたもので、これは分析された「自然色RGB画像」の中で、これらの球状体がその下にある赤錆びた土に比べて青みがかって見えることから名付けられた。^{[26] [4]}

ブルーベリーは、メリディアニ平原の堆積物の大きな塊に埋め込まれているか、堆積物の露頭に直接横たわっているか、メリディアニ堆積物の上に広がる表土の上に横たわっている。^{[1] [2]}ゆるいブルーベリーと土壌は、下層の堆積物から浸食されている。^[27]現在埋め込まれているブルーベリーとゆるいブルーベリーはどちらも、メリディアニ平原の堆積物の中で「続成作用」、つまり水と岩石の相互作用によって堆積物を変化させるプロセスによって形成された。^{[9] [16]}続成作用は、埋め込まれたブルーベリーを形成しただけでなく、元々の堆積物の大きな塊も変化させた。したがって、ブルーベリーの形成は（大まかに）3段階のプロセスであった。

• 堆積物の原体の形成。
• 元の堆積物が続成的に変化して、今日の堆積物と埋め込まれたブルーベリーが生成されます。
• 堆積物の上層が浸食されて表土と緩んだブルーベリーが形成されます。

これらの広範なステップのそれぞれには、次のサブセクションで説明する複数のサブステップ プロセスが含まれます。

メリディアニの特徴的な堆積物が形成される前、約37億年以上前の湿潤ノア期（聖書のノアにちなんで名付けられた）には、液体の水が存在し、川の水路を形成するのに十分な量があり、大量の玄武岩質シルトを現在のメリディアニ地域に運び、堆積させました。 ^{[30] [31] [32]乾燥した川の谷は、}マーズオデッセイが軌道上で撮影した熱慣性画像で簡単に確認でき、図4に再現されています（クリックすると高解像度になります）。^[28]図4に見られる川の谷は、メリディアニの大規模な堆積物層に流れ込むと突然終わっています。

ノアキアン後期/ヘスペリアン前期から35億年前頃にかけて、ノアキアン前期に堆積した層状の堆積物が変質した。^[16]この変質には、おそらく火山起源の硫黄含有量の高い物質の大幅な追加堆積が含まれていたと思われる。^[15]この変化には、酸性で塩分の多い水性地球化学、および水位の上昇と下降が確実に含まれていた。証拠となる特徴には、交差層状の堆積物、空洞の存在、堆積層を横切る埋め込まれたヘマタイト球状体、さらに大量の硫酸マグネシウムと、ジャロサイトや塩化物などの硫酸塩を多く含む他の鉱物の存在がある。^{[9] [15] [13] [14] [33] [34]}ジャロサイトの形成には、pH 3未満の水性酸性条件が必要である。^{[13] [14]}

図 5 と 6 は、権威ある論文に掲載された堆積岩マトリックスの顕微鏡画像のクローズアップです。^[9]図 5 は、堆積露頭の 4 つの物理的構成要素を示しています。(i) 玄武岩質砂粒子を多く含む堆積層、(ii) 埋め込まれたヘマタイト球状体、(iii) 細粒で硫酸塩を多く含むセメント (露頭のほとんどの部分)、(iv) 空洞 (これは、たとえば水和硫酸塩の結晶の鋳型であると考えられています)。^[9]図 6 は、図 5 に似た堆積露頭表面の画像です。ただし、この表面はOpportunityの Rock Abrasion Tool で研磨されました。このような研磨により、(a) 堆積層は非常に柔らかく、切断しやすいこと、(b) ヘマタイト球状体の内部構造が均一であることが示されました。^{[9] [2] [4] [35]}

今日の堆積物への続成作用（すなわち、水と岩石の相互作用による変化）は、この地域の水の流れに大きな変化を伴った。河川からの流入は減少し、堆積物中の支配的な水の動きは、帯水層レベルの上昇と下降に伴って垂直になった。^{[9] [15]} 少なくとも1つの火星全球水文学モデルは、メリディアニ平原における水の流れの歴史的変化を説明している。^[36]このモデルは、メリディアニの水の流れの変化を火山性タルシス地域の活動に結び付けている。帯水層の垂直な流れにより、帯水層レベルの上昇と下降に伴って（プラヤ）湖が繰り返し形成され消滅したと考えられている。^{[9] [37] [13] [14] （ユタ州の}グレートソルトレイク周辺の乾燥した地域はプラヤである。）

マクレナンと彼の学生たちは、メリディアニ堆積物のような環境下でヘマタイトを生成する地球化学モデルを構築した。^{[13] [14] [38] [39]}

ヘマタイトは、鉱物が溶液から出てきたときに凝集して球状になった。 ^{[9] [35] [40] [41]} ヘマタイトの球状化のプロセスは、おそらく堆積岩マトリックスを通じたヘマタイトの拡散によって起こった。^[35]

帯水層レベルの上昇と下降の時期は終わり、それ以降メリディアニ平原には水が流れなくなった。^{[16] [42]}ただし、これがいつ起こったのかはよくわかっていない。推定では約35億年前^[16]、約30億年前^[42]となっている。平原に残っている水は岩石に閉じ込められた水だけである。^[15]

以前の時代の水流による侵食は、この乾燥した時代よりもはるかに速かった。^[42] しかし、侵食は止まらなかった。他のはるかに遅い侵食プロセスが継続し、平原の変化の主な要因となった。この遅い変化は、隕石の衝突、風、重力によって引き起こされた。約30億年というつかみどころのない時代の間に、隕石の衝突と風が砂質の表土と緩い赤鉄鉱の球状体を形成し、これらを現在私たちが目にする層状の土壌ベッドフォームに分類した。^{[27] [42] [43] [44]}

隕石、重力、風によるプロセスは次のように機能します。

• 数十億年の間に、隕石の衝突によって平原に多くのクレーターが形成されました。
• 約30億年の間に、平均して平原全体を一度覆うのに十分な数の小さなクレーター（直径5〜30メートル）が形成されました。^[45]しかし、それぞれの小さなクレーターは約2500万年かそれ以下で劣化して消滅し、現在では平原の面積の約0.7％しか小さなクレーターで覆われていません。^{[42] [45]}
• 隕石が衝突するたびに、クレーターの縁に大量の堆積物の塊が、またクレーターの周囲に噴出物として生成されます。
• 初期の堆積ブロックのほとんどは、周囲の物質より（数センチメートル以上）突出しており、跳躍砂（つまり、風で運ばれ跳ねる砂）にさらされています。
• メリディアニ堆積物マトリックスは柔らかく、侵食されやすい。^{[9] [15]}火星の他の地域（グセフクレーターなど）よりも約30〜300倍速く侵食されます。^{[27] [42]}（ただし、この乾燥した侵食は水の流れによる侵食よりもはるかに遅いです。）
• 跳躍する砂は、突出した岩塊内の堆積物マトリックスの柔らかく侵食されやすい部分を侵食します。
• これらのブロックは完全に侵食されるか、滑らかになって跳躍砂の中に突き出なくなるまで侵食されます。
• このブロックの侵食により塵粒子が生成され、埋め込まれた球状体が緩い球状体になります。
• 塵の粒子は平原から吹き飛ばされ、地球全体の塵の一部になります。
• 硫酸塩は優先的に塵となり、風によって平原から運ばれます。
• より大きな玄武岩砂粒子、球状破片、および赤鉄鉱球状破片は平野上にそのまま残っています。
• 風、重力、サイズによる選別により、玄武岩質砂、球状岩片、球状岩から土壌層が形成されました。
• 重力と風の力で、元々の（小さな）クレーターの穴は徐々に（侵食された縁石やその他の局所的な侵食物質で）埋められ、平原は再び平坦な状態に戻ります。

フィル・クリステンセンは、オポチュニティが着陸した直後の2004年にこれらのプロセスを概説しました。^[8]その後、より詳細な研究によってそれらが確認され、クリステンセンの概要に詳細が追加されました。^{[27] [42] [43] [45]}

当初、オポチュニティのメスバウアー分光計は、これらの球状体の鉄鉱物成分は主にヘマタイトであると判定するデータを取得しました。^{[6] [10]しかし、メスバウアー分光計は、鉄を含ま}ないこれらの球状体の鉱物成分に関する情報を提供しませんでした。

「ベリー ボウル」実験では、わずか数センチ離れた 2 つのサンプル ターゲットのアルファ粒子 X 線分光計(APXS) の読み取りを行いました。1 つのサンプル ターゲットには分光計の視野 (FOV) 内に球状体がありません (0 個または 1 個)。もう 1 つのサンプル ターゲットには、FOV 内に約 25 個の球状体があります。図 8 は、隣接する「ベリー ボウル」サンプル ターゲットを示しています。APXS の結果では、球状体が 0 個または 1 個のターゲットに比べて、球状体が約 25 個のターゲットには鉄が著しく多く含まれていることが示されました。この実験や同様の実験に基づいて、いくつかの未審査の会議要旨では (ここでは意図的に引用していませんが) 球状体の構成は主にヘマタイトであると主張しており、いくつかの発表論文ではこれらの会議の主張を引用しています。ただし、注意すべき理由があります。機器は、サンプル ターゲットから混合信号を検出しました。この信号には、球状体だけでなく、ほこりや岩石 (「ベリー ボウル」実験)、またはほこりや土壌 (他の組成データ コレクション) からの信号も含まれていました。2006 年に、Morris ら^[10]は、ほこりや土壌の信号から球状体組成信号を取り出すために一部の研究者が使用した方法に欠陥があり、そのような方法では、球状体の酸化鉄含有量を 24 wt% から 100 wt% に制限することしかできない (つまり、ほとんど制限がない) ことを示しました。

2008年の論文では、オポチュニティのミニTES（熱放射分光計）が球状体中のケイ酸塩鉱物を検出できなかったことを示す巧妙な実験の結果が発表されました。[ ^4]この非検出により、球状体中のケイ酸塩レベルは10重量％未満、おそらく8重量％未満に制限されます。APXSデータは球状体中のケイ酸塩と酸化鉄の間に強い反相関関係を示しているため、この結果は有用です。つまり、ケイ酸塩レベルが低いということは、酸化鉄レベルが高いことを意味します。

最近の論文では、ミニTESによるケイ酸塩の非検出といくつかの改良されたデータ分析方法を使用して、球状体の許容される標準酸化物化学組成を340,000以上見つけました（許容可能 = ケイ酸塩の非検出と一致する）。^[11]これらの許容される球状体組成における酸化鉄含有量の最低重量パーセントと最高重量パーセントは、それぞれ79.5重量%と99.8重量%でした。一方、許容される組成の大部分では、球状体中の酸化鉄含有量は85重量%から96重量%の間でした。さらに、ニッケル含有量は常に 0.3 wt% に近く、5 つの標準酸化物 (MgO、Na ₂ O、P ₂ O ₅、SO ₃、Cl) のグループはそれぞれ痕跡レベルを超える含有量を持ち、グループの合計含有量は 6.8 +/- 2.4 wt% でした。SiO ₂レベルは 8 wt% から 0 wt% の範囲で、他の 8 つの APXS 標準酸化物は 0 wt% の含有量か痕跡レベルの含有量のみでした。

オポチュニティ科学チームは、ヘマタイト球状体の大きさの変化を研究した3つの論文を発表しました。^{[3] [4] [5]}彼らは、場所と標高によって球状体の大きさが変化することを発見しました。

最も初期の論文では、オポチュニティ探査車の科学者チームが、イーグルクレーターの着陸地点から探査車の横断地点であるソル552（エンデュランスクレーターとビクトリアクレーターの間）までの間で見つかったすべての土壌物質の調査について報告した。彼らは、696個のブルーベリーのサンプル（サンプル中の球形ではないブルーベリーは除く）で、ブルーベリーの平均長径が約2.87 mm（10分の1インチ強）であることを発見した。彼らはまた、土壌内で見つかったブルーベリーは、露頭で見つかったブルーベリーよりも通常小さいことも発見した。彼らは、ブルーベリーの大きさは緯度が下がるにつれて小さくなる傾向があることを指摘した。^[3]

オポチュニティチームは多くの破片化したブルーベリーを発見し、破砕は球状化後に起こったと示唆した。チームは、破砕は隕石の衝突によるものか、「露頭を破砕した」のと同じプロセスによるものだと考えている。しかし、チームは、これでは検出された最小のヘマタイト球状体の存在を説明できないと指摘している。最小の球状体はほぼ完全な球体であるため、破砕や浸食では説明できない。^[3]オポチュニティチームはまた、オポチュニティに搭載された岩石研磨ツールによって発見されたブルーベリーの長軸の長さは、イーグルクレーターでは4.2 +/- 0.9 mm (0.16インチ)、エンデュランスクレーターでは4.5 +/- 0.6 mm、ボストークでは約2.2 +/- 0.5 mm (0.087インチ)、ナチュラリステ(クレーター)では約3.0 +/- 0.2 mm (0.12インチ)であることも発見した。エンデュランス・クレーターの南の「平原」で発見されたものは、イーグル・クレーターやエンデュランス・クレーターのものよりも小さかった（1～2mmまたは0.04～0.08インチ）。^[3]

球状体の大きさを研究した2番目の論文では、研究範囲が平野のさらに南2～3km、ビクトリアクレーターまで拡大されました。^[4]この論文では最初の論文と同様の観察結果が報告されましたが、さらに進んで、観察された大きさの変動は、異なる場所で異なる堆積物の地層レベルのサンプルを採取したことによる可能性を示唆しました。さらに、単純な続成作用条件の変化が球状体の大きさの変化に関連していることを示唆しました。

3番目の論文では、ビクトリア・カーターの壁に埋め込まれたヘマタイトの球状体の大きさを、異なる高さで系統的に測定した。^[5] (ビクトリア・クレーターは大きくて深いクレーターである。) これらの測定により、メリディアニ平原の堆積物内の球状体の大きさは標高によって明らかに異なることが示された。より小さな球状体は高いところに、より大きな球状体は低いところに存在した。ビクトリア・クレーターの底近くにある最も低い球状体は、イーグル・クレーターの球状体と直径が似ており、これらの離れた場所の標高はほぼ同じであった。^[5]

ビクトリアクレーターから巨大なエンデバークレーターまでの南へのローバーの横断領域をカバーする球状体のサイズについては、論文は書かれていません。しかし、ローバーの顕微鏡画像装置で撮影された画像のアーカイブを検索すると、撮影された最大のブルーベリーのいくつかがエンデバークレーターの縁近くにあることがわかります（図11を参照）。

メリディアニの土壌にある遊離した赤鉄鉱球の数や、平原の堆積物に埋め込まれた赤鉄鉱球の数に関する査読済みの推定値は公表されていない。しかし、赤鉄鉱球の典型的な表面密度を持つ土壌領域の写真を見ると、その数がいかに驚異的であるかが分かる。そのような写真は公表されている。^[4]

図12と13は、写真の実際の色と擬似色バージョンです。^[4]球状体は、公開されている擬似色バージョン（図23）でより見やすくなっています。^[4]クリックすると拡大します。図12と13のサンプリングターゲットは、粗いヘマタイトで29％覆われていました。同様のターゲットのカバー率の範囲は10％から40％でした。^[4]これらのターゲットは、Sol 70（2004-04-04）からSol 999（2007-11-15）までの広い範囲でサンプリングされました。

調査されたオポチュニティ平原の一部は特別なものではありません。メリディアニ平原の他の部分と比較して、表面のヘマタイト レベルは高くありません。これを確認するには、平原の表面ヘマタイト マップ (図 1b) と、オポチュニティが平原を横断した 経路を示す小さな青い線 (OT と表示) を見てください。

図12と図13を平野全体の表面積（約150,000 km ^{2 [23]}）に外挿すると、散らばっている赤鉄鉱球体の数の驚異的な数がわかります。150,000 km ^{2は、日本本州（}本州）の面積の2/3に近く、英国本島（グレートブリテン）の面積の72%にも相当し、米国の50州のうち30州の陸地面積よりも大きいです。

平野の堆積物に埋め込まれた球状物の数は、土壌上の遊離球状物の数よりもはるかに多いと考えられます。^[45]なぜなら、(1) 遊離球状物を生成するために必要な元の堆積物の侵食深度の推定値は1メートル未満であり、^{[37] [1] [27]}、(2) 平野の堆積物の典型的な深度は数百メートルであるためです。^[16]

右の画像（図14）は、光沢のある赤鉄鉱ブルーベリーを示しています。これらのブルーベリーの輝きと位置は珍しいものです。探査車オポチュニティは、メリディアニ平原の堆積物の上にある表土に溝を掘りました。図14は、（部分的に露出した）土に埋まったブルーベリーがある新しく掘られた溝の壁を示しています。土に埋まったブルーベリーはまれです。サイズによる選別では、ばらばらのブルーベリーは土壌ベッドフォームの表面上または非常に近くに配置されがちです。撮影されたブルーベリーのほとんどは大気にさらされ、現在は火星の塵の層に覆われています。^[10]塵の層はブルーベリーの輝きを失っています。溝の中のブルーベリーに塵がないのは、土壌ベッドの内部がほとんど塵を含まないためです。^[44]塵がなければ、これらのブルーベリーは光沢があります。

ユタ大学の研究者らは、ブルーベリーとユタ州南部の「ジュラ紀ナバホ砂岩」内で発見された球状コンクリーションとの類似点を調査した。彼らは、ブルーベリーを形成するには火星の地下水活動が以前にあったに違いないと結論付けた。しかし、彼らは、ユタのサンプルとは異なり、「節理、亀裂、断層、またはその他の優先的な流体経路」がないため、火星のサンプルの球状化がより球状になっていると指摘している。^[46]日本の研究者チームは、ユタで発見された球状化と、後にモンゴルのゴビ砂漠で発見された球状化を研究した。彼らは、これらの場所で発見されたコンクリーションが、最初に砂岩内で「球状方解石コンクリーション」として形成されたという証拠を発見した。鉄分を豊富に含む酸性水が方解石を溶解し、鉄分を豊富に含む（ヘマタイト）球状化を残す。このことから、ブルーベリーは火星の歴史の初期、大気がより濃かった頃に同じプロセスによって形成された可能性があるという結論が導かれる。^[47]

• メリディアニ平原 – 火星の赤道平原
• オポチュニティ探査車 – 2004年に配備されたNASAの火星探査車リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• マーズ・グローバル・サーベイヤー – NASA の火星探査ミッション (1996–2006)
• 2001 火星オデッセイ – NASA の地質学と水文学の探査機
• モキ・マーブルズ – アメリカ南西部の地質構造リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• オポチュニティが撮影した火星の表面の特徴のリスト – 2004～2018年のミッションで記録された特徴リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

• MER オポチュニティの初期結果に関するサイエンス マガジン特別号
• JPL からの火星球状体に関するプレスリリース: 最初のプレスリリース、組成結果
• 火星の球状物の形態学的調査、収集された地球上の球状物との比較。全文 PDF。
• 堆積性凝結物と衝突凝縮物: 火星メリディアニ平原の赤鉄鉱球体の起源。全文 PDF。
• 鉄鉱石のコンクリーション - 火星の赤鉄鉱球状体の類似物。全文 PDF。
• モキ・マーブルと火星の球状体との関係。
• モキビー玉と火星の球状粒子に関する ScienceDaily.com
• [1] シアノバクテリアと陸生ストロマトライトとの関係。