Вулканічна активність (вулканізм) зіграла значну роль у геологічній еволюції планети МарсHead, 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.. Починаючи з місії космічного апарата «Марінер-9» 1972 року науковцям було відомо, що вулканічні деталі покривають значну частину поверхні Марса. До цих деталей належать масштабні лавові потоки, неосяжні лавові рівнини та найбільші з усіх відомих вулканів у Сонячній системі. Вік марсіанських вулканічних деталей варіюється від часів нойського (більше 3,7 млрд років) до пізнього амазонського періоду (менше 500 млн років), що свідчить про те, що вулканічна активність на планеті була наявною протягом усієї її історії, а окремі дослідники висловлюють припущення, що така активність присутня на планеті й досі. Як Земля, так і Марс є великими диференційованими планетами, утвореними зі схожих хондритних матеріалівCarr, 2006, p. 44. Чимало магматичних процесів, що відбуваються на Землі, відбувалися також і на Марсі; окрім того, композиційно планети є достатньо подібними одна до одної, аби можна було застосовувати ті самі назви до їхніх магматичних гірських порід та мінералів.

Вулканізм — це процес, протягом якого магма із внутрішніх шарів планети піднімається крізь кору та вивергається на поверхню. Вивержені речовини складаються із розплавлених порід (лави), гарячих фрагментованих дрібнозернистих уламків (тефра або попіл), а також газів. Вулканізм — це основний спосіб, у який планети вивільнюють своє внутрішнє тепло. Вулканічні виверження продукують характерні форми рельєфу, типи гірських порід та географічний рельєф, які усі разом дають змогу дізнатися більше про хімічний склад, термальний стан та історію внутрішніх шарів планетиWilson, L. (2007). Planetary Volcanism in Encyclopedia of the Solar System, McFadden, L.-A. et al., Eds., Academic Press: San Diego, CA, p. 829..

Магма — це складна й дуже гаряча суміш із розплавлених силікатів, кристалів у стані суспензії та розчинених газів. Найімовірніше, магма на Марсі піднімається в той же спосіб, що й на Землі. Вона піднімається крізь нижчі шари кори у діапірних тілах, що мають меншу густину, аніж навколишні породи. Під час підняття магма зрештою досягає регіонів із низькою густиною. Коли густина магми відповідає густині породи, в якій вона перебуває, плавучість нейтралізується і магматичне тіло зупиняє свій рух. У цій точці з нього може утворитися магматична комора. Далі магма може продовжувати свій рух, але вже в боки, утворюючи мережу дайок та сіллів. Врешті-решт магма може охолонути та затверднути, формуючи інтрузивні магматичні тіла (плутони). За оцінками геологів, близько 80 % магми, що генерується Землею, зупиняється в її корі й так і не досягає поверхніWilson, M. (1995) Igneous Petrogenesis; Chapman Hall: London, 416 p.

У процесі підняття та наступного охолодження магма зазнає багатьох складних та динамічних композиційних змін. Важчі мінерали можуть кристалізуватися та осісти на дні магматичної комори. Магма може також асимілювати частини тієї породи, в якій вона перебуває, або ж змішуватися з іншими порціями магми. Ці процеси змінюють хімічний та мінеральний склад розплавленої суміші, тож будь-яка магма, що дістається поверхні, може мати зовсім інший хімічний склад, аніж батьківський розплав. Магму, що змінилася в такий спосіб, називають такою, що «еволюціонувала», аби відрізнити її від «примітивної» магми, яка за своїм складом є досить близькою до свого джерела у мантії (див. диференціація магми та фракційна кристалізація). Магма, що еволюціонувала більшою мірою, зазвичай складається із кислих гірських порід, збагачених кремнієм, летючими речовинами та іншими легкими елементами, які й відрізняють цей тип магми від багатої на залізо та магній (мафічної) примітивної магми. Ступінь та обсяг, до яких еволюціонує магма з плином часу, свідчать про рівень внутрішнього тепла планети, а також її тектонічної активності. Континентальна кора Землі утворена з гранітних порід із магми, що еволюціонувала; ці породи утворилися в результаті численних епізодів магматичної переробки. Магматичні породи, що еволюціонували, значно менш поширені на холодних, мертвих космічних тілах, таких як Місяць. Марс, розмір якого перебуває десь посередині між розмірами Землі та Місяця, має також середній рівень магматичної активності.

На менших глибинах у корі планети літостатичний тиск на магматичне тіло зменшується. Зменшений тиск може спричинити вивільнення газів (летких елементів), таких як діоксид вуглецю та водяна пара, у формі піни із газових бульбашок. Нуклеація бульбашок спричинює швидке розширення та охолодження навколишнього розплаву, утворюючи склоподібні осколки, які при вибуховому виверженні потрапляють на поверхню у формі тефри (їх ще називають пірокластами). Дрібнозерниста тефра широко відома під терміном «вулканічний попіл». Те, чи виверження вулкана має вибуховий характер, чи виверження відбувається експансивно у формі лави, що тече, залежить від композиції розплаву. Кисла магма андезитного та ліпаритного складу має більшу схильність до вибухового виверження. Така магма є дуже в'язкою (густа та клейка) та багатою на розчинені гази. Мафічна магма, з іншого боку, має низький вміст летких елементів і зазвичай виходить на поверхню під час експансивного виверження у формі базальтових лавових потоків. Однак це лише узагальнення. Наприклад, якщо магма увійде в несподіваний контакт із підземними чи поверхневими водами, може відбутися потужне виверження у формі парового вибуху, яке ще називають гідромагматичним (фреатомагматичне або фреатичне) виверженням. Крім того, виверження магми може відбуватися по-різному на планетах із різними внутрішніми композиціями, атмосферами та гравітаційними полями.

Відмінності у вулканічних явищах Землі та Марса

Найбільш типовою формою вулканізму на Землі є базальтовий вулканізм. Базальт — це екструзивна магматична гірська порода, утворена внаслідок часткового плавлення верхньої мантії. Базальт багатий на такі мафічні мінерали, як залізо та магній, та має зазвичай темно-сірий колір. Найпоширенішим різновидом вулканізму на Марсі є, майже напевне, теж базальтовий. На Землі базальтова магма зазвичай вивергається у формі надзвичайно текучих потоків, які з'являються або прямо з вулканічних отворів, або ж утворюються внаслідок злиття розплавлених згустків при основі лавових фонтанів (гавайське виверження). Ці ж явища поширені й на Марсі, однак слабша гравітація та атмосферний тиск на Марсі сприяють швидшій нуклеації газових бульбашок (див. вище), а також це може відбуватися на більших глибинах, аніж на Землі. Як наслідок, марсіанські базальтові вулкани також здатні вивергнути значну кількість попелу в процесі плінієвого виверження. Під час плінієвого виверження попіл потрапляє в атмосферу, формуючи величезну конвективну колону (хмару). Якщо до цього процесу залучена недостатня частина атмосфери, колона може зруйнуватися, утворивши пірокластичні потоки. Плінієві виверження є рідкісними у випадку базальтових вулканів на Землі, де вони зазвичай асоціюються із андезитовою або ліпаритовою магмою (напр., Сент-Геленс).

Оскільки слабша гравітація Марса генерує менші сили плавучості, що діють на магму під час її просочування крізь кору, магматичні комори, з яких живляться вулкани на Марсі, вважаються значно глибшими та більшими аніж ті, що на Землі. Якщо магматичне тіло на Марсі має дістатися достатньо близько до поверхні для того, щоб відбулося виверження перед тим, як магма затвердне, це тіло повинне бути великим. Відповідно, виверження на Марсі відбуваються значно рідше, ніж на Землі, однак, якщо вже відбуваються, то вони завжди є неймовірно масштабними і виверження має дуже велику швидкість. Дещо парадоксально, але нижча гравітація на Марсі сприяє видовженню та більшому поширенню лавових потоків. Лавові виверження на Марсі можуть бути немислимо об'ємними. Нещодавно описали гігантський лавовий потік у західній частині Elysium Planitia — потік розміром із Орегон. Вчені припускають, що він утворювався бурхливо, протягом декількох тижнів, і вважають його одним із наймолодших лавових потоків на Марсі.

Тектонічне розташування вулканів на Землі та на Марсі дуже відрізняються. Більшість активних вулканів на Землі перебувають у видовжених, лінійних ланцюгах вздовж меж тектонічних плит, або в тих місцях, де літосфера розтягується, відокремлюючи плити одна від одної (дивергентна границя), або там, де вона піддається повторній субдукції в мантію (конвергентна границя). Оскільки на Марсі зараз відсутня тектоніка плит, вулкани не відображають такого глобального візерунка, як на Землі. Марсіанські вулкани більш відповідають тим земним вулканам, що перебувають всередині плит, таким як ті, що на Гавайських островах, які, як вважається, утворилися від статичного мантійного плюмуCarr, 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. (див. гаряча точка.) Зразкову тефру із шлакового конуса вулкана на Гаваях видобули для використання як відповідника марсіанського реголіту під час досліджень (починаючи з 1998 року).

На найбільші та найбільш підозрілі вулкани на Марсі можна натрапити у вулканічних провінціях Tharsis та Elysium. Ці вулкани напрочуд подібні до щитових вулканів на Землі. Вони мають такі ж схили з малим нахилом та кальдери на вершинах. Основна відмінність між марсіанськими та земними щитовими вулканами — це їхні розміри: марсіанські щитові вулкани — просто колосальні. Наприклад, найвищий вулкан на Марсі, Olympus Mons, сягає 550 км у діаметрі та 21 км у висоту. Він майже у 100 разів більший за об'ємом, ніж Мауна-Лоа на Гаваях — найбільший щитовий вулкан на Землі. Геологи вважають, що однією з причин того, що вулкани на Марсі можуть досягати таких розмірів, є те, що на планеті відсутня тектоніка плит. Марсіанська літосфера не ковзає по верхній мантії (астеносфері), як це відбувається на Землі, тож лава зі стаціонарної гарячої точки може накопичуватися в одному місці на поверхні протягом мільярда років, а то й довше.

17 жовтня 2012 р. марсохід «К'юріосіті» на планеті Марс, у місцевості «Rocknest», виконав перший рентгеноструктурний аналіз марсіанського ґрунту. Результати, отримані приладом CheMin марсохода виявили наявність декількох мінералів, зокрема, польового шпату, піроксенів та олівіну, та дали змогу припустити, що марсіанський ґрунт має склад, що нагадує «вивітрені базальтові ґрунти» гавайських вулканів.

Вулканічна провінція Тарсис

Значну частину західної півкулі Марса займає гігантський вулканічно-тектонічний комплекс, відомий як провінція Тарсис, або опуклість Тарсис. Це неосяжне, підвищене утворення діаметром сягає тисяч кілометрів, і покриває до 25 % усієї поверхні планети Сягаючи в середньому від 7 до 10 км у висоту над датумом (марсіанським «рівнем моря»), Тарсис містить рельєф із найвищими висотами на планеті. Три величезні вулкани, Ascraeus Mons, Pavonis Mons та Arsia Mons, пролягають у напрямку північний схід — південний захід, вздовж самої опуклості. Широченний вулкан Alba Mons (раніше відомий як Alba Patera) займає північну частину регіону. Колосальний щитовий вулкан Olympus Mons розташований трохи збоку від основної опуклості, на західному краю провінції.