메리디아니 평원

3. 위성 탐사

1997년 중반, NASA의 화성 탐사선과 화성 궤도 탐사선이 화성에 도착했다. 화성 탐사선은 20년 만에 처음으로 화성에 성공적으로 착륙했으며, 소형 탐사 로봇 소저너를 최초로 배치했다. 화성 궤도 탐사선은 화성 표면 대부분을 탐사하여 지형과 일부 광물 분포를 지도로 만들고 다른 측정 작업을 수행했다.^[15]

1997년부터 2002년 사이에 ''화성 탐사선''은 위성의 열 방출 분광계(TES)를 사용하여 표면의 적철석 수치를 수집하는 중요한 조사를 수행했다.^[15] TES 적철석 조사 데이터는 저해상도 지도(그림 1a)에 반영되었다. 이 지도는 화성 전체를 덮고 있으며, 적철석 수치가 높은 지역을 덮는 하나의 큰 지점이 있다. 이 녹색, 노란색, 빨간색 지점은 적도와 본초 자오선을 가로지르며 지도 중앙에 있다. 고해상도 적철석 지역의 이미지는 그림 1b에 표시되어 있다.

2001 화성 오디세이 궤도선에 탑재된 고에너지 중성자 검출기(HEND)는 2001년부터 현재의 메리디아니 평원에 물이 존재한다는 증거를 수집했다. 이 검출기는 행성 전체에서 "물 등가 수소"(WEH) 신호를 수집하며,^[19] 표면 WEH의 전 지구적 지도를 점차적으로 구축했다.^[20][21] 이 지도들은 화성의 극지방 및 극지방 인근 지역이 표면 WEH의 가장 높은 수준을 가지고 있음을 보여주지만, 메리디아니 평원은 비극지방 지역임에도 비교적 높은 WEH를 가지고 있다.^[21] WEH 지도는 메리디아니 평원의 현재 물 자원을 과소평가할 가능성이 높은데, 그 이유는 (a) HEND의 투과 깊이가 얕고(1m),^[22] (b) 평원 표면의 대부분이 탈수 토양과 적철광 구상체로 덮여 있기 때문이다.^[7][23][24]

3. 1. 화성 탐사선 (MGS)

3. 2. 2001 화성 오디세이

4. 오퍼튜니티 탐사

4. 1. 착륙 및 탐사 개요

4. 2. 주요 발견

• 지형: 매우 평평하며, 주로 어두운 토양으로 덮여 있지만 밝은 퇴적암 노출도 부분적으로 나타난다.
• 크레이터: 직경 5~30m의 작은 크레이터들이 많으며, 인듀어런스 크레이터나 빅토리아 크레이터처럼 큰 크레이터에서는 퇴적층과 적철광 구형체가 드러난 단면을 볼 수 있다. 멀리서는 엔데버 크레이터 같은 거대한 크레이터의 가장자리도 보인다.
• 적철광 구형체: "블루베리"라고 불리는 작은 청회색 적철광 구형체(직경 1~6mm)가 토양과 퇴적암 위에 흩어져 있다.
• 운석: 드물지만 토양과 퇴적암 위에 큰 운석이 발견되기도 한다.
• 토양: "매끄러운 시트"(평평하고 퇴적암 노출이 거의 없음)와 "평원 잔물결"(경사지고 높이 10~40cm, 너비 1.5~5m) 형태가 나타난다. 매끄러운 시트 위에는 적철광 구형체 조각으로 된 1cm 높이의 "능선 잔물결"이 있다.
• 분출 블록: 운석 충돌로 생긴 퇴적물 덩어리들이 평원 곳곳에 흩어져 있다.

4. 2. 1. 퇴적암과 토양

매끄러운 시트 위에는 1cm 높이의 "능선 잔물결"이 많이 있는데, 이들은 적철광 구형체가 부서진 1mm 미만의 조각들로 이루어져 있다.^[32]

매의 언덕, 프람, 인듀어런스 크레이터에서 발견된 층상 퇴적암은 오퍼튜니티 로버의 장비들로 조사되었다.^{[44][45][46][47]} 그 결과, 퇴적암(구상체 제외)은 36-37 wt% 수화 황산염, 35 wt% 수화 알루미노규산염, 16 wt% 현무암, 10 wt% 적철광 및 기타 산화물, 2 wt% 염화물, 1-2 wt% 인산염으로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다.^[40] 특히 황산염 함량이 매우 높은데, 이는 메리디아니 토양보다 약 5배, 스피릿 로버가 조사한 구세프 크레이터의 현무암보다 약 20배, 지구 암석보다 훨씬 높은 수치이다.^[38]

주요 황산염 광물은 수화 마그네슘 황산염(예: 키저라이트, 엡솜염), 수화 칼슘 황산염(예: 바사나이트, 석고), 자로사이트(철, 칼륨, 나트륨을 포함하는 복잡한 수화 황산염)이며, 염화물 염에는 할라이트와 비쇼파이트가 포함된다.^[46][40] 자로사이트의 발견은 메리디아니 퇴적물 형성에 대한 지구화학적 경로를 제한한다.^{[38][45][41][42]}

층상 퇴적물에 남아 있는 수분의 양은 오퍼튜니티 로버의 장비로는 직접 측정할 수 없었다. 그러나 2005년, Clark et al.은 간접적인 지구화학적 논거를 바탕으로 6 wt%에서 22 wt% 사이의 범위를 제시했다.^[40] 실제 수분 함량은 2001 화성 오디세이 궤도선의 중성자 검출기로 측정한 수소 당량(WEH) 측정치보다 높아야 한다.^[40] 2005년 메리디아니에서 측정된 WEH 수준은 7 wt%였지만,^[40] 2018년에는 메리디아니 전역에 걸쳐 9-10 wt%의 WEH를 나타내는 지도가 생성되었다.^[21]

화성 대기압에서 수화 마그네슘 및 칼슘 황산염의 수화 수준 변화에 대한 연구가 진행되었다.^{[48][49][50][51]} 이 연구들은 50-200°C 온도에서 다양한 수화 수준의 마그네슘 황산염으로부터 물을 쉽게 추출했다. 또한, 2°C에서 엡솜염(MgSO₄.7H₂O)과 물로 분해되는 과수화 마그네슘 황산염인 메리디아니이트(MgSO₄.11H₂O)가 지구상에서 관찰되었다.

오퍼튜니티 로버의 알파 입자 X선 분광기(APXS)는 암석에서 높은 수준의 인을 발견했다.^[44] 인의 용해도는 우라늄, 토륨, 희토류 원소의 용해도와 관련이 있으므로, 이 금속들도 메리디아니 노두 퇴적물에 농축되어 있을 것으로 추정된다.^[44]

메리디아니 평원의 기저 토양은 구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터의 토양과 유사하다.^[54] 그러나 메리디아니 토양의 황산염 수치는 다른 지역보다 높다.^[38] 메리디아니 평원의 토양은 독특한 조성을 가진 적철석 구상체의 얇은 최상층으로 덮여 있다(구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터에서는 발견되지 않음).

기저 토양은 대부분 현무암질 물질로 구성되어 있지만, 퇴적물에서 나온 황산염이 풍부한 분출물 파편과 먼지가 섞여 있다.^[32] 현무암질 메리디아니 토양의 광물 조성은 40 wt% 사장석, 35 wt% 휘석, 15 wt% 무정형 유리, 10 wt% 감람석, 약 5 wt% 황산염 및 산화물이다. 산화물 조성은 44-46 wt% SiO₂, 18-19 wt% FeO + Fe₂O₃, 9-10 wt% Al₂O₃, 7.4 wt% MgO, 6.9 wt% CaO₂, 5.8 wt% SO₃, 2.2 wt% Na₂O, ~5 wt% 기타 산화물(총)이다.^[54][55]

메리디아니 평원 탐사 결과, 토양은 구세프 크레이터나 엘리시움 계곡의 토양과 유사하지만, 많은 지역에서 '블루베리'라고 불리는 단단한 회색 구형 입자로 덮여 있었다.^[88] 이 블루베리는 대부분 적철광으로 이루어져 있으며, 화성 오디세이의 분광 관측 결과와 일치한다. 블루베리는 지하에서 액체 물에 의해 형성된 콘크리션이며,^[89] 암석 풍화 작용으로 인해 서서히 표면에 모였다. 이 콘크리션은 1미터 정도 두께의 암석 풍화만으로도 생성될 수 있다.^[90][91] 그 외 토양 대부분은 감람석 현무암 모래로 이루어져 있다.^[92]

4. 2. 2. 광물 조성

메리디아니 평원에서 발견된 주요 물질(퇴적물, 구상체, 토양, 먼지)의 구성을 다룬다. 유성체와 장거리 분출물의 발견 및 구성은 다른 절에서 다룬다.

2011년 8월 이후, 엔데버 충돌구 가장자리 주변에서 ''오퍼튜니티''가 발견한 지질학적 물질에 대해서는 후속 절에서 다룬다.

매의 언덕, 프람, 인듀어런스 크레이터에서 노출된 층상 퇴적 노두 암석은 ''오퍼튜니티''에 탑재된 장비로 조사되었다.^{[44][45][46][47]} 데이터 분석 결과, 퇴적물의 광물 조성은 다음과 같았다(내장된 구상체 제외):

메리디아니 평원 퇴적물 광물 조성 (구상체 제외)

광물 종류	함량 (중량%)
수화 황산염	36-37
수화 알루미노규산염	35
현무암	16
적철광 및 기타 산화물	10
염화물	2
인산염	1-2

이 조성에서 두드러진 특징은 황산염 함량이 매우 높다는 것이다. 이는 덮고 있는 메리디아니 토양보다 약 5배, 스피릿(MER의 자매 탐사선)이 조사한 구세프 크레이터의 현무암보다 약 20배, 전형적인 지구 암석보다 훨씬 더 높다.^[38]

주요 황산염은 수화 마그네슘 황산염(예: 키저라이트, 엡솜염), 수화 칼슘 황산염(예: 바사나이트, 석고), 자로사이트(철, 칼륨, 나트륨 등을 포함하는 복잡한 수화 황산염)이다. 염화물 염에는 할라이트와 비쇼파이트가 포함된다.^[46][40] 자로사이트 검출은 메리디아니 퇴적물 형성을 이끄는 가능한 지구화학적 경로를 상당히 제한한다는 점에서 주목할 만하다.^{[38][45][41][42]}

'''수분 함량'''

현재 층상 퇴적물에 남아 있는 잔류 수분의 양은 정확히 알 수 없다. ''오퍼튜니티''의 장비는 물이나 수소를 직접 감지할 수 없었기 때문이다. 그러나 2005년, 클라크(Clark) 등은 간접적인 지구화학적 논거를 바탕으로 6~22 중량% 범위를 제시했다.^[40] 실제 수분 함량은 ''화성 오디세이'' 궤도선의 중성자 검출기가 측정한 수소 당량(WEH)보다 높아야 한다(중성자 검출기의 얕은(1m) 투과 깊이와 메리디아니 대부분 지역을 덮고 있는 물이 적은 표토층 때문).^[40] 2005년 메리디아니에서 측정된 WEH 수준은 7 중량%였지만,^[40] 2018년에는 메리디아니 전역에 걸쳐 9-10 중량%의 WEH를 나타내는 WEH 지도가 생성되었다.^[21]

화성 대기압에서 수화 마그네슘 및 칼슘 황산염의 수화 수준 변화에 대한 연구가 있다.^{[48][49][50][51]} 화성 압력에서, 이 연구들은 50℃와 200℃ 사이 온도에서 다양한 수화 수준의 마그네슘 황산염으로부터 쉽게 물을 추출했다. 또한, 지구상에서 메리디아니이트(메리디아니 평원 이름을 따서 명명)라는 과수화 마그네슘 황산염(MgSO₄·11H₂O)을 관찰했는데, 이는 2℃에서 엡솜염(MgSO₄·7H₂O)과 물로 분해된다.

''오퍼튜니티''의 알파 입자 X선 분광기(APXS)는 암석에서 상당히 높은 수준의 인을 발견했다.^[44] 인의 용해도는 우라늄, 토륨, 희토류 원소의 용해도와 관련이 있으므로, 이 금속들도 메리디아니 노두 퇴적물에 농축되어 있을 것으로 추정된다.^[44]

메리디아니 평원의 기저 토양은 구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터의 토양과 유사하다.^[54] 그러나 메리디아니 토양의 황산염 수치는 다른 지역보다 눈에 띄게 높다.^[38] 메리디아니 평원의 토양은 독특한 조성을 가진 적철석 구상체의 얇은 최상층으로 덮여 있다(구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터에서는 발견되지 않음). 그림 12는 위에 구상체(및 구상체 조각)가 층을 이루고 아래에 현무암질 토양이 있는 모습을 보여준다.

기저 토양은 대부분 현무암질 물질로 구성되어 있지만, 다양한 양의 먼지와 퇴적물에서 나온 황산염이 풍부한 분출물 파편과 혼합되어 있다.^[32] 현무암질 메리디아니 토양의 전형적인 광물 조성은 다음과 같다.

현무암질 메리디아니 토양의 광물 조성

광물	함량 (wt%)
사장석	40
휘석	35
무정형 유리	15
감람석	10
황산염 및 산화물	약 5

전형적인 현무암질 토양의 표준 산화물 조성은 다음과 같다.

현무암질 토양의 표준 산화물 조성

산화물	함량 (wt%)
SiO2	44-46
FeO + Fe2O3	18-19
Al2O3	9-10
MgO	7.4
CaO2	6.9
SO3	5.8
Na2O	2.2
기타 산화물 (총)	~5

^[54][55]

4. 2. 3. 적철광 구체 (블루베리)

1997년부터 2002년 사이, 화성 탐사선의 열 방출 분광계(TES)를 사용하여 메리디아니 평원 표면의 적철석 수치를 조사했다.^[15] 이 데이터는 화성 전체 표면의 적철석 수치를 나타내는 저해상도 지도(그림 1a)와 메리디아니 평원의 표면 적철석 수치를 나타내는 고해상도 지도(그림 1b)로 나타났다.

2000년대 초, 메리디아니 평원은 높은 적철석 수치와 평평한 지형 덕분에 NASA의 화성 탐사 로버(MER)인 오퍼튜니티와 스피릿의 착륙 지점 중 하나로 선택되었다.^[16][17] NASA는 높은 적철석 수치를 과거 이 지역에 다량의 액체 물이 흘렀다는 간접 증거로 사용했으며, 이는 생명체 흔적을 찾기에 적합한 장소라고 판단했기 때문이다.^[16][18]

메리디아니 평원은 매우 평평하며, 어두운 토양으로 덮여 있고, 엄청난 수의 청회색 적철광 구형체(직경 1mm ~ 6mm)가 토양과 퇴적물 노출 위에 느슨하게 놓여 있다. 이 구형체는 "블루베리"라고도 불린다.

오퍼튜니티의 뫼스바우어 분광기는 이 구상체의 철 광물 성분이 적철석이 지배적이라는 것을 확인했다.^[45][52] "베리 보울" 실험에서 알파 입자 X선 분광기(APXS) 판독 결과, 구상체가 있는 대상에서 철이 더 많다는 것이 나타났다.

2008년 연구에서는 오퍼튜니티의 미니-TES (열 방출 분광계)가 구체 내에서 규산염 광물을 '''감지할 수 없다'''는 결과가 발표되었다.^[53] 이는 구체 내 규산염 수준을 10 wt% 미만으로 제한했다.

최근 연구에 따르면, 구체의 산화철 함량은 79.5 wt%에서 99.8 wt% 사이이며, 대부분 85 wt%에서 96 wt% 사이였다. 니켈 함량은 항상 0.3 wt%에 가까웠고, 5개의 표준 산화물(MgO, Na₂O, P₂O₅, SO₃ 및 Cl) 그룹은 각각 미량 수준 이상 함량을 보였으며, 결합된 그룹 함량은 6.8 +/- 2.4 wt%였다. SiO₂ 수준은 8 wt%에서 0 wt% 사이였다.^[55]

적철석 구체의 크기는 오퍼튜니티가 탐사한 위치에 따라 다양했다.^[53] 이글 크레이터에서는 대부분의 구체 직경이 4~6mm였고,^[38] 빅토리아 크레이터 북서쪽 500m 지점에서는 1~2mm, 엔데버 크레이터 가장자리 200m 지점에서는 최대 8.3mm 크기의 구체가 발견되었다.

메리디아니 평원 토양에 있는 느슨한 적철광 구체의 수는 엄청나게 많다. 그림 22와 23은 표면 적철광 샘플링 대상을 보여주며, 이 대상은 29%의 조대 적철광 면적을 가지고 있었다.^[53]

오퍼튜니티가 탐사한 평원 부분은 메리디아니 평원의 나머지 부분과 비교했을 때 특별히 표면 적철광 수준이 높지 않다.

메리디아니 평원 탐사 결과, 토양은 구세프 크레이터나 엘리시움 계곡의 토양과 유사하지만, 많은 지역에서 '블루베리'라고 불리는 단단한 회색 구립으로 덮여 있었다.^[88] 블루베리는 대부분 적철광으로 이루어져 있으며, 지하에서 액체 물에 의해 형성된 콘크리션임이 밝혀졌다.^[89]

4. 2. 4. 먼지 성분

메리디아니 평원의 기저 토양은 구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터의 토양과 유사하다.^[54] 그러나 메리디아니 토양의 황산염 수치는 다른 지역보다 눈에 띄게 높다.^[38] 메리디아니 평원의 토양은 독특한 조성을 가진 적철석 구상체의 얇은 최상층으로 덮여 있다(구세프 크레이터, 아레스 밸리스, 게일 크레이터에서는 발견되지 않음).

그림 12는 위에 구상체(및 구상체 조각)가 층을 이루고 아래에 현무암질 토양이 있는 모습을 보여준다.

기저 토양의 대부분은 현무암질 물질로 구성되어 있지만, 다양한 양의 먼지와 퇴적물에서 나온 황산염이 풍부한 분출물 파편과 혼합되어 있다.^[32] 현무암질 메리디아니 토양의 전형적인 광물 조성은 다음과 같다.

광물	함량 (wt%)
사장석	40
휘석	35
무정형 유리	15
감람석	10
황산염 및 산화물	약 5

전형적인 현무암질 토양의 표준 산화물 조성은 다음과 같다.

산화물	함량 (wt%)
SiO2	44-46
FeO + Fe2O3	18-19
Al2O3	9-10
MgO	7.4
CaO2	6.9
SO3	5.8
Na2O	2.2
기타 산화물 (총)	약 5

^[54][55]

화성의 모든 표면은 먼지로 덮여 있으며, 이 먼지의 구성은 화성 전역에서 본질적으로 균일하다.^[54] 이는 수년마다 발생하는 전 지구적 먼지 폭풍을 포함하여 화성에서 빈번하게 발생하는 먼지 폭풍 때문이다.^[56][57]

오퍼튜니티 로버가 MontBlanc_LeHauches를 APXS로 측정한 결과, 먼지는 주로 현무암질을 띠며 표준 산화물의 다음과 같은 중량 백분율을 나타냈다.^[58]

산화물	함량 (wt%)
SiO2	45.3
Fe0	17.6
Al2O3	9.2
MgO	7.6
SO3	7.3
CaO	6.6
Na20	2.2
TiO2	1.0
P2O5	0.9
기타 7개의 표준 산화물 (총)	2.0

오퍼튜니티 로버의 포획 자석에 모인 먼지에 대한 뫼스바우어 스펙트럼 측정 결과, 먼지의 자기 성분은 단순한 자철광이 아닌 티탄자철광으로 밝혀졌다. 소량의 감람석이 검출되었는데, 이는 행성에 건조한 기간이 길었음을 시사한다. 반면에, 소량의 적철석이 존재한다는 것은 행성 초기에 짧은 기간 동안 액체 상태의 물이 있었을 수 있음을 의미한다.^[93]

4. 2. 5. 운석 발견

오퍼튜니티는 메리디아니 평원에서 히트 쉴드 록(그림 8 참조), 블록 아일랜드, 쉘터 아일랜드, 매키낵 아일랜드, 오일런 루아드, 아일랜드와 같은 6개의 큰 철-니켈 운석을 발견했다. 이 6개의 운석은 더 적은 수의 충돌에서 기원했을 수도 있다(예: 원래 운석이 조각으로 부서짐).

소형 열 방출 분광계(미니-TES), 뫼스바우어 분광기, APXS를 이용한 연구를 통해, 연구자들은 히트 쉴드 록을 약 93 중량%의 철 함량과 7 중량%의 니켈 함량(대부분 금속 형태)을 가진 IAB 운석으로 분류했다. 히트 쉴드 록은 다른 행성에서 처음으로 확인된 운석이었다.

스피릿은 구세프 크레이터에서 "앨런 힐스"와 "중산"이라는 두 개의 암석을 발견했는데, 이것들은 철 운석일 수 있다.

평원의 토양 상층부는 작은 입자와 철-니켈 운석 물질을 상당량(~1 중량%) 포함하고 있다. 많은 철-니켈 운석이 하강 및 충돌 중에 붕괴되며, 이 조각들은 판캠이 식별하기에는 너무 작았다.

석질 운석은 철-니켈 운석보다 식별하기가 더 어렵다. 그러나 "피그 트리 바버턴"이라는 자갈과 "바버턴 그룹"에 있는 3개는 석질 또는 철질 운석(메소시데라이트 규산염)으로 생각된다.

오퍼튜니티는 운석 충돌로 생성된 열로 인해 물질이 용융된 증거를 보여주는 브레시아인 "아칸소 그룹"의 9개의 자갈을 연구했다.

4. 2. 6. 충돌 기원 암석

탐사 로버는 메리디아니 평원의 일반적인 퇴적암과 현저히 다른 광물 조성을 가진 두 개의 특이한 암석을 발견했다.

"바운스 록(Bounce Rock)"은 주로 휘석과 사장석을 함유하고 있으며 감람석은 전혀 없다. 이 암석은 화성에서 온 것으로 알려진 지구의 운석인 셔고타이트 운석 EETA 79001의 일부인 리솔로지 B와 매우 유사했다.^[81] 바운스 록은 ''오퍼튜니티'' 착륙선의 에어백에 의해 튕겨져 나가면서 그 이름을 얻었다. 다른 암석인 "마르케트 아일랜드(Marquette Island)"는 화성 지각 깊숙한 곳에서 기원한 것으로 추정된다. "바운스 록"과 "마르케트 아일랜드"는 모두 탐사 로버가 이 암석을 발견한 곳에서 멀리 떨어진 평원에서 발생한 대형 충돌구에서 날아온 분출물로 여겨진다.^[81]

모래 평원에 있던 "바운스 록"이라는 암석은 충돌 크레이터에서 방출된 물질이었다. 이 암석의 화학 조성은 기반암과는 달라서 감람석이 없고, 대부분 휘석과 사장석으로 구성되어 있다. 이것은 화성 운석 중 셔고타이트에 분류되는 EETA 79001이라는 운석의 암상 B와 매우 유사하다. 바운스 록은 에어백이 튕겨진 지점 근처에 있는 것으로부터 명명되었다.^[90]

5. 엔데버 크레이터 탐사

엔데버 충돌구에서 오퍼튜니티는 점토 광물인 스멕타이트를 포함하는 호메스테이크 정맥, 마티예비치 형성, 충돌구 가장자리의 각력암으로 구성된 쇼메이커 형성, 쇄설암으로 구성된 그라스버그 형성 등을 조사했다.^[15]

'''호메스테이크 정맥:'''

2011년 12월, 오퍼튜니티는 엔데버 충돌구의 가장자리로 이동하여 순수한 석고로 확인된 흰색 정맥을 발견했다.^[85][86]

실험을 통해 정맥에 칼슘, 황, 물이 포함되어 있음이 확인되었다. 이는 석고를 용액에 담아 암석의 틈에 광물을 침전시킬 때 형성되었다. 정맥은 "호메스테이크"라고 불린다. 이 정맥은 평원의 황산염이 풍부한 퇴적 기반암이 엔데버의 가장자리에서 노출된 더 오래된 화산 기반암과 만나는 지역에 위치해 있다.^[85]

6. 지질학적 역사

메리디아니 평원의 지질 변화 역사는 뚜렷한 과정을 거치는 세 시기로 나뉜다. 이 세 시기는 화성 전체의 세 가지 표준 시대, 즉 노아키안, 헤스페리안, 아마조니안 시대와 대체로 일치한다.

오퍼튜니티 탐사선의 관측에 따르면, 이 지역에서는 여러 차례 홍수가 일어나 증발과 건조가 반복되었다.^[90] 이 과정에서 황산염 광물이 퇴적되었고, 황산염은 퇴적물의 Cementation (geology)|교결 작용^영어을 일으켰다. 이후 적철광 콘크리션이 지하수 침전으로 성장했다. 일부 황산염은 큰 결정을 이루었지만, 물에 용해되어 암석 내에 정동을 남겼다. 이러한 지질학적 증거는 지난 10억 년 동안 건조한 기후가 지속되었지만, 그 이전에는 물이 존재했을 가능성이 있는 기후 시기도 있었음을 보여준다.^[106]

6. 1. 노아키안 시대: 강 흐름

^[6] 1970년대 ''바이킹'' 궤도선 사진에서 에지트와 파커는 이러한 강 계곡의 일부를 간신히 식별할 수 있었다.^[13] 그러나 ''마스 오디세이''가 궤도에서 촬영한 열 관성 이미지에서는 쉽게 볼 수 있다.^[71] 이러한 강 채널은 동남쪽의 고지대에서 서북쪽으로 물을 가져와 현재의 메리디아니 평원에 도달하게 했다. 강 계곡은 메리디아니의 거대한 퇴적층으로 흘러들면서 갑자기 끝난다.

현재의 증거는 강 흐름에 필요한 경사진 지형이 수천 킬로미터 떨어진 거대한 타르시스 고원과 광대한 타르시스 화산의 융기에 의해 발생한 화성 테라 메리디아니 표면의 거대한 기울어짐으로 만들어졌음을 시사한다.^[72][73]

6. 2. 퇴적물 형성

대략 노아기 후기/헤스페리아기 초기부터 약 35억 년 전까지, 초기 노아기에 퇴적된 층상 퇴적물은 변형되었다.^[6] 이 변형에는 화산 기원의 고유황 함유 물질이 상당히 추가 퇴적되었을 가능성이 높다.^[40] 이러한 변화에는 산성이면서 염분을 포함한 수성 지구화학적 변화뿐만 아니라 수위 상승 및 하강이 포함되었을 것이다. 이를 증명하는 특징으로는 교차층 퇴적물, 공극, 퇴적층을 가로지르는 내포된 적철광 구형체, 다량의 황산마그네슘, 자로사이트, 염화물 등 기타 황산염이 풍부한 광물의 존재 등이 있다.^{[38][40][41][42]} 자로사이트 형성은 pH 3 미만의 산성 수성 환경이 필요하다.^[41][42]

그림 14와 15는 권위 있는 논문에 (부분적으로) 게재된 퇴적암 매트릭스의 현미경 이미지를 보여준다.^[38] 그림 14는 퇴적물 노두의 네 가지 물리적 구성 요소를 보여준다: (i) 다량의 현무암질 모래 입자를 포함하는 퇴적층; (ii) 내포된 적철광 구형체; (iii) 미세 입자, 황산염이 풍부한 시멘트 (노두의 대부분); (iv) 공극 공동 (예: 수화 황산염의 결정 형상으로 추정됨).^[38] 그림 15는 그림 14와 유사한 퇴적물 노두 표면을 보여준다. 그러나 ''오퍼튜니티''의 암석 마모 도구가 이 표면을 마모시켰다. 이러한 마모는 (a) 퇴적층이 매우 부드럽고 쉽게 절단되며, (b) 적철광 구형체가 균일한 내부 구조를 가지고 있다는 것을 보여주었다.^{[38][37][53][78]}

오늘날의 퇴적물로의 "속성 작용" 변환(물-암석 상호 작용에 의한 변화)은 해당 지역의 물 흐름의 상당한 변화를 포함했다. 강에서 유입되는 물의 양이 점점 줄어들었고, 이 기간 동안 퇴적물 내에서 지배적인 물의 움직임은 지하수면 상승 및 하강과 함께 수직 운동이 되었다.^[38][40] 화성의 글로벌 수문학 모델은 메리디아니 평원에서 물 흐름의 역사적 변화를 설명한다.^[74] 이 모델은 메리디아니의 물 흐름 변화를 화산 타르시스 지역의 활동과 연결한다. 수직 지하수 흐름을 통해, 지하수면이 상승하고 하강하면서 (플라야) 호수가 반복적으로 형성되고 사라진 것으로 믿어진다.^{[38][81][41][42]} (유타 주의 그레이트 솔트 호 주변의 건조한 지역은 플라야이다.) ''오퍼튜니티'' 팀은 염수가 증발할 때 일반적으로 형성되는 광물 ("증발암")을 발견했으며, 이러한 증발암은 퇴적물의 다른 구성 요소 (현무암 입자 및 구형체 등)를 함께 굳혔다.^[38]

맥레넌과 그의 학생들은 메리디아니 퇴적물과 유사한 환경 내에서 적철광을 생성하는 지구화학 모델을 구축했다.^{[41][42][75][76]} 적철광은 결핵에 의해 구형체로 형성되었다.^[38][78][77] 적철광이 거의 구형 (구형체)의 공 모양으로 형성되는 결핵 과정은 퇴적암 매트릭스를 통해 적철광의 확산에 의해 발생했을 가능성이 높으며, 이동 가능한 물이 사라졌을 때 여전히 암석 매트릭스에 남아있던 적철광이 제자리에 고정되었을 가능성이 높다.^[78]

이러한 변형의 결과는 오늘날에도 대체로 그대로 남아 있다. 그 이후의 주요 변화는 메리디아니 퇴적물의 최상층에만 영향을 미쳤다.

오퍼튜니티 탐사선의 관측은 이 지역에서 여러 차례 홍수가 일어나 증발과 건조가 반복되었음을 시사한다.^[90] 이 과정에서 황산염 광물이 퇴적되었으며, 황산염이 퇴적물의 교결 작용을 일으킨 후, 적철광 콘크리션이 지하수로부터 침전되어 성장했다. 또한 일부 황산염은 큰 결정을 이루었지만, 물에 용해되어 암석 내에 정동을 남겼다. 이러한 지질학적 증거는 지난 10억 년 동안 건조한 기후가 지속되었지만, 그 이전에는 적어도 물이 존재할 수 있었던 기후의 시기도 있었음을 나타낸다.^[106]

6. 3. 크레이터 붕괴와 토양 형성

메리디아니 평원의 지하수면 상승과 하강 주기가 멈춘 후, 평원에는 더 이상 물이 흐르지 않았다. 이 시기는 정확히 알려져 있지 않지만, 약 35억 년 전^[6] 또는 30억 년 전^[24]으로 추정된다. 평원에 남은 유일한 물은 암석에 결합된 형태였다.^[40]

초기 물 흐름에 의한 침식은 현재의 건조한 시기보다 훨씬 빨랐다.^[24] 그러나 침식은 멈추지 않고, 운석 충돌, 바람, 중력과 같은 느린 침식 과정이 계속되어 평원의 변화를 주도했다. 약 30억 년 동안 운석 충돌과 바람은 모래질 표토와 느슨한 적철광 구상체를 형성했고, ''오퍼튜니티''의 Pancam이 촬영한 층상 토양 지형으로 정렬되었다.^{[23][24][7][79]}

운석, 중력, 바람에 의해 발생하는 과정은 다음과 같다.

과정	설명
운석 충돌	수십억 년에 걸쳐 평원에 많은 크레이터를 생성.
작은 크레이터 붕괴	약 30억 년 동안 생성된 작은(지름 5~30m) 크레이터는 평균적으로 평원 전체를 한 번 덮을 만큼 충분했지만,[80] 각 작은 크레이터는 약 2,500만 년 이내에 붕괴되어 사라졌다. 현재 평원 면적의 약 0.7%만이 작은 크레이터로 덮여 있다.[24][80]
퇴적물 덩어리 생성	각 운석 충돌은 크레이터 가장자리와 주변에 많은 양의 퇴적물 덩어리를 생성. (예: 콘셉시온 크레이터, 그라나다 크레이터)
덩어리 침식	대부분의 초기 퇴적물 덩어리는 주변 물질보다 약간 튀어나와 도약하는 모래(바람에 의해 움직이는 모래)에 노출되어 침식된다. 덩어리는 완전히 침식되거나 매끄러워질 때까지 침식된다.
먼지 입자 생성	덩어리 침식은 먼지 입자를 생성하고 내장된 구상체를 느슨한 구상체로 변화시킨다.
먼지 이동	먼지 입자는 평원에서 날아가 전 지구적 먼지의 일부가 된다. 황산염은 우선적으로 먼지로 변하고 바람에 의해 운반된다.
토양 지형 형성	더 큰 현무암 모래 입자, 구상체 조각 및 적철광 구상체는 평면에 남아 바람, 중력, 크기별 정렬을 통해 토양 지형을 형성한다.
크레이터 채움	중력과 바람의 도움으로 원래의(작은) 크레이터 구멍은 점차 채워지고, 평원은 평평한 상태로 돌아간다.

필 크리스텐슨은 2004년에 이러한 과정을 개략적으로 설명했다.^[46] 이후, ''오퍼튜니티''의 데이터를 통해 위 과정이 확인되고 세부 사항이 추가되었다.^{[23][24][7][80]}

''오퍼튜니티''는 메리디아니 퇴적물이 부드럽고 부서지기 쉽다는 것을 발견했다.^[38][40] 메리디아니 평원의 침식 속도는 매우 느리지만(지구와 초기 화성의 물 관련 침식에 비해), 다른 화성의 건조 지역(예: 구세프 크레이터)과 비교했을 때 매우 빠르다(약 30~300배).^[23][24]

그림 17은 적철광 구상체가 내장된 구상체에서 느슨한 구상체로 변하는 모습을 보여준다. 침식되는 퇴적물 튕겨 나간 덩어리 주변에는 느슨한 구상체의 국부적으로 높은 표면 농도에 의해 형성된 고리들이 있다.

7. 물의 증거 요약

메리디아니 평원에서는 현재 또는 과거에 물이 존재했다는 여러 증거가 발견되었다.

일부 암석에서는 완만하게 흐르는 물에 의해서만 만들어지는 작은 층(층상 구조)이 나타났다.^[82] 이러한 층상 구조는 "The Dells"라는 암석에서 처음 발견되었다. 지질학자들은 사층리가 수중 잔물결에 의한 퇴적물의 이동으로 인해 페스툰 기하학적 구조를 보인다고 설명한다.^[38]

암석 내 브롬 원소의 농도는 매우 다양했는데, 이는 물의 증거가 될 수 있다. 브롬은 물에 잘 녹는 성질이 있어 물의 흐름과 함께 이동했을 가능성이 있다. 얇은 물 막이나 서리가 특정 지점에 브롬을 농축시켰을 수도 있다.

2004년 중반, 화성 탐사선의 TES는 메리디아니 평원 전체와 그 주변(서쪽, 북쪽, 동쪽)의 넓은 지역에서 "밝은 색 노두"(퇴적층이 드러난 곳)의 열 관성 신호를 감지했다.^[83] ''오퍼튜니티'' 탐사선의 초기 결과는 노두가 "착륙 지점에서 장기간 물과 상호작용한 증거"를 보여준다고 언급했으며,^[83] 이는 밝은 색 노두가 있는 지역 전체가 과거 물의 존재를 나타낸다는 것을 시사한다.

''물의 주요 증거:''

• 궤도 위성 관측 증거:
• (A) TES 스펙트럼 분석 결과 표면에 적철광이 발견되었다. 적철광은 물이 있는 환경에서만 형성되기 때문이다.^[2][5]
• (B) 궤도 중성자 감지기가 평원과 주변 지역(서쪽, 북쪽, 동쪽)에서 상당히 높은 수준의 수소 함량(WEH)을 감지했다.^[20][21]
• 메리디아니 지역의 퇴적물 퇴적과 마른 강 계곡은 과거 물이 흘렀다는 강력한 증거이다.^[13][71]
• 평원 퇴적물의 층서학적 특징(사층리, 공극(공동), 적철광 구체)과 지구화학적 특징(황산 마그네슘, 자르소사이트 등 황산염 광물, 염화물)은 물의 존재를 뒷받침하는 추가적인 증거를 제공한다.^{[38][82][84][40][41][42]}

8. 메리디아니 평원 북부 지역

메리디아니 평원 북쪽의 넓은 지역은 궤도에서 층상 구조를 나타낸다. 화성의 층상 구조에 대한 자세한 내용은 화성의 퇴적 지질학에서 확인할 수 있다.^[87]

9. 메리디아니 평원의 크레이터

• 아다 크레이터
• 에어리 크레이터 – 지름 40km이며, 오퍼튜니티에서 서남서쪽으로 약 375km 떨어진 곳에 위치함.
• * 에어리-0 – 에어리 크레이터 내에 위치하며, 화성 본초 자오선을 정의함.
• 아르고 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 비글 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 비어 크레이터
• 보폴루 크레이터
• 콩세프시온 크레이터 - ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 크로멜린 크레이터
• 이글 크레이터 – ''오퍼튜니티''의 착륙 지점 (지름 30m)
• 엠마 딘 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 엔데버 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 인듀어런스 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 에레부스 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 피르소프 크레이터 - 2020년 로버 임무의 유력한 착륙 후보지
• 이아주 크레이터
• 매들러 크레이터
• 산타 마리아 크레이터 - ''오퍼튜니티''가 방문함.
• 빅토리아 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함 (지름 750m)
• 보스토크 크레이터 – ''오퍼튜니티''가 방문함.

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