Вулканическая активность (вулканизм) сыграла значительную роль в геологической эволюции планеты Марс.Head, J. W. (2007). The Geology of Mars: New Insights and Outstanding Questions in The Geology of Mars: Evidence from Earth-Based Analogs, Chapman, M., Ed; Cambridge University Press: Cambridge UK, p. 10. Начиная с миссии космического аппарата Маринер-9 1972 года ученым было известно, что вулканические детали рельефа покрывают значительную часть поверхности Марса. К этим деталям относятся масштабные лавовые потоки, необъятные лавовые равнины и крупнейшие из всех известных вулканов в Солнечной системе. Возраст марсианских вулканических деталей варьируется от времен нойского (>3.7 миллиарда лет) до позднего амазонского периода (<500 миллионов лет), что свидетельствует о том, что вулканическая активность на планете существовала в течение всей ее истории, а отдельные исследователи высказывают предположение, что такая активность присутствует на планете и до сих пор. Как Земля, так и Марс являются большими, дифференцированными планетами, созданными из похожих хондритных материалов.Carr, 2006, p. 44. Немало магматических процессов, происходящих на Земле, также происходили и на Марсе; кроме того, композиционно планеты являются достаточно сходными, чтобы можно было применять одни и те же названия их магматических горных пород и минералов.

Вулканизм — это процесс, в течение которого магма из внутренних слоев планеты поднимается сквозь земную кору и извергается на поверхность. Изверженные вещества состоят из расплавленных пород (лавы), горячих фрагментированных мелкозернистых обломков (тефра или пепел), а также газов. Вулканизм — это основной способ, которым планеты освобождают свое внутреннее тепло. Вулканические извержения продуцируют характерные формы рельефа, типы горных пород и географический рельеф, которые все вместе дают возможность узнать больше о химическом составе, термальном состоянии и истории внутренних слоев планеты.Wilson, L. (2007). Planetary Volcanism in Encyclopedia of the Solar System, McFadden, L.-A. et al., Eds., Academic Press: San Diego, CA, p. 829.

Магма — это сложная, очень горячая смесь из расплавленных силикатов, кристаллов в состоянии взвеси и растворенных газов. Вероятнее всего, магма на Марсе поднимается вверх так же, как и на Земле. Она поднимается вверх сквозь нижние слои коры в диапирных телах, имеющих меньшую плотность, чем окружающие породы. Во время поднятия магма в конечном итоге достигает регионов с низкой плотностью. Когда плотность магмы соответствует плотности породы, в которой она находится, плавучесть нейтрализуется и магматическое тело останавливает свое движение. В этой точке из него может образоваться магматическая камера. Далее магма может продолжать свое движение, но уже в стороны, образуя сеть даек и силлов. В конце концов магма может остыть и затвердеть, образуя интрузивные магматические тела (плутоны). По оценкам геологов, около 80 % магмы, генерируемой Землей, останавливается в ее коре и так и не достигает поверхности.Wilson, M. (1995) Igneous Petrogenesis; Chapman Hall: London, 416 pp.

В процессе поднятия и последующего охлаждения магма претерпевает много сложных и динамических композиционных изменений. Тяжелые минералы могут кристаллизоваться и осесть на дне магматической камеры. Магма может также ассимилировать части той породы, в которой она находится, или же смешиваться с другими порциями магмы. Эти процессы изменяют химический и минеральный состав расплавленной смеси, поэтому любая магма, достигающая поверхности, может иметь совсем другой химический состав, чем родительский расплав. Магму, изменившуюся таким образом называют «эволюционировавшей», чтобы отличить ее от «примитивной» магмы, которая по своему составу является весьма близкой к своему источнику в мантии (см. дифференциация магмы и фракционная кристаллизация). Магма, эволюционировавшая в большей степени, обычно состоит из кислых горных пород, обогащенных кремнием, летучими веществами и другими легкими элементами, которые и отличают этот тип магмы от богатой железом и магнием (мафичной) примитивной магмы. Степень и объем, в которых магма эволюционирует с течением времени, свидетельствуют об уровне внутреннего тепла планеты, а также ее тектонической активности. Континентальная кора Земли состоит из гранитных пород из эволюционировавшей магмы; эти породы образовались в результате многочисленных эпизодов магматической переработки. Эволюционировавшие магматические породы значительно менее распространены в холодных, мертвых космических телах, таких как Луна. Марс, размер которого находится примерно посередине между размерами Земли и Луны, имеет также средний уровень магматической активности.

На меньших глубинах в коре планеты литостатическое давление на магматическое тело уменьшается. Уменьшенное давление может вызвать высвобождение газов (диоксид углерода и водяной пар) в форме пены из газовых пузырьков. Нуклеация пузырьков вызывает быстрое расширение и охлаждение окружающего расплава, образуя стекловидные осколки, которые при взрывном извержении попадают на поверхность в форме тефры (их еще называют пирокластами). Мелкозернистая тефра широко известна как «вулканический пепел». От композиции расплава зависит характер извержения вулкана: взрывной или экспансивный в форме текущей лавы. Кислая магма андезитного и риолитного состава имеет большую склонность к взрывному извержению. Такая магма очень вязкая (густая и клейкая) и насыщена растворёнными газами. Мафичная магма, с другой стороны, имеет низкое содержание газов и обычно выходит на поверхность во время экспансивного извержения в форме базальтовых лавовых потоков. Однако это лишь обобщение. Например, если магма войдет в неожиданный контакт с подземными или поверхностными водами, может произойти мощное извержение в форме парового взрыва — гидромагматическое (фреатомагматическое или фреатическое) извержение. Кроме того, извержение магмы может происходить по-разному на планетах с различными внутренними композициями, атмосферами и гравитационными полями.

Различия в вулканических явлениях Земли и Марса

Наиболее типичной формой вулканизма на Земле является базальтовый вулканизм. Базальт — это экструзивная магматическая горная порода, образованная в результате частичного плавления верхней мантии. Базальт богат на такие мафические минералы, как железо и магний, и имеет обычно темно-серый цвет. Самым распространенным типом вулканизма на Марсе является, почти наверняка, также базальтовый. На Земле базальтовая магма обычно извергается в форме чрезвычайно текучих потоков, которые появляются или прямо из вулканических отверстий, или же образуются в результате слияния расплавленных сгустков при основе лавовых фонтанов (гавайское извержение). Эти же явления распространены и на Марсе, однако более слабая гравитация и атмосферное давление на Марсе способствуют более быстрой нуклеации газовых пузырьков (см. выше), а также это может происходить на глубинах больших, чем на Земле. Как следствие, марсианские базальтовые вулканы также способны извергнуть значительное количество пепла в процессе плинианского извержения. Во время плинианского извержения пепел попадает в атмосферу, формируя огромную конвективную колонну (облако). Если к этому процессу привлечена недостаточная часть атмосферы, колонна может разрушиться, образовав пирокластические потоки. Плинианские извержения являются редкими в случае базальтовых вулканов на Земле, где они обычно ассоциируются с андезитовой или риолитовой магмой (например, Сент-Хеленс).

Поскольку более слабая гравитация Марса генерирует меньшие силы плавучести, воздействующие на магму во время ее просачивания сквозь кору, магматические камеры, из которых питаются вулканы на Марсе, считаются значительно более глубокими и крупными, чем земные. Для того, чтобы магматическое тело на Марсе смогло подняться достаточно близко к поверхности с последующим извержением, это тело должно быть большим. Соответственно, извержения на Марсе происходят значительно реже, чем на Земле, однако, если уж происходят, то они всегда являются невероятно масштабными и имеют очень большую скорость. Несколько парадоксально, но низкая гравитация на Марсе способствует удлинению и большему распространению лавовых потоков. Вулканические извержения на Марсе могут быть немыслимо объемными. Недавно описали гигантский лавовый поток в западной части Elysium Planitia — поток размером с Орегон. Ученые предполагают, что он образовался бурно, в течение нескольких недель, и считают его одним из самых молодых лавовых потоков на Марсе.

Тектоническое расположение вулканов на Земле и на Марсе очень отличаются. Большинство активных вулканов на Земле находятся в продолговатых, линейных цепях вдоль границ тектонических плит, или в тех местах, где литосфера растягивается, отделяя плиты друг от друга (дивергентная граница), или там, где она подвергается повторной субдукции в мантию (конвергентная граница). Поскольку на Марсе сейчас отсутствует тектоника плит, вулканы не формируют такой же глобальный узор, как на Земле. Марсианские вулканы более соответствуют тем земным вулканам, которые находятся внутри плит, таким как вулканы на Гавайских островах, которые, как считается, образовались от статического мантийного плюмаCarr, M. H. (2007) Mars: Surface and Interior in Encyclopedia of the Solar System, McFadden, L.-A. et al., Eds., Academic Press: San Diego, CA, p. 321. (см. горячая точка.) Парагенетическая тефра из шлакового конуса вулкана на Гавайях добывается для использования в качестве аналога марсианского реголита во время исследований, начиная с 1998 года.

Крупнейшие и наиболее заметные вулканы на Марсе можно найти в вулканических провинциях Tharsis и Elysium. Эти вулканы удивительно похожи на щитовые вулканы на Земле. Они имеют такие же склоны с малым наклоном и кальдеры на вершинах. Основное различие между марсианскими и земными щитовыми вулканами — это их размеры: марсианские щитовые вулканы просто колоссальны. Например, самый высокий вулкан на Марсе, Olympus Mons, достигает 550 км в диаметре и 21 км в высоту. Он почти в 100 раз больше по объему, чем Мауна-Лоа на Гавайях — крупнейший щитовой вулкан на Земле. Геологи считают, что одной из причин гигантских размеров вулканов на Марсе является отсутствие тектоники плит: марсианская литосфера не скользит по верхней мантии (астеносфере), как это происходит на Земле, поэтому лава из стационарной горячей точки может накапливаться в одном месте на поверхности в течение миллиарда лет, а то и дольше.

17 октября 2012 г. марсоход «Кьюриосити» на планете Марс в местности «Rocknest» выполнил первый рентгеноструктурный анализ марсианского грунта. Результаты, полученные прибором CheMin на марсоходе, выявили наличие нескольких минералов, в частности, полевого шпата, пироксенов и оливина, и позволили предположить, что марсианский грунт имеет состав, напоминающий выветренные базальтовые почвы гавайских вулканов.

Вулканическая провинция Тарсис

Значительную часть западного полушария Марса занимает гигантский вулканическо-тектонический комплекс, известный как провинция Тарсис, или выпуклость Тарсис. Это необъятное, приподнятое образование достигает тысяч километров в диаметре, и покрывает до 25 % всей поверхности планеты. Достигая в среднем от 7 до 10 км в высоту над датумом (марсианским «уровнем моря»), Тарсис содержит рельеф с наивысшими высотами на планете. Три огромных вулкана, Ascraeus Mons, Pavonis Mons и Arsia Mons, пролегают в направлении северо-восток — юго-запад, вдоль самой выпуклости. Обширный вулкан Alba Mons (ранее известный как Alba Patera) занимает северную часть региона. Колоссальный щитовой вулкан Olympus Mons расположен немного сбоку от основной выпуклости, на западном краю провинции.