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Ce que les ondes sismiques révèlent sur la croûte martienne
Les chercheuses et chercheurs du Marsquake Service de l'ETH Zurich ont analysé les mesures effectuées par le sismomètre de la mission InSight de la NASA sur l'une de nos planètes voisines. Pendant près de trois ans, les seules ondes sismiques détectées sur Mars se sont propagées depuis le foyer du séisme, ou hypocentre, dans les profondeurs de la planète. Cependant, les scientifiques espéraient depuis le début un événement qui générerait également des ondes se propageant à la surface de la planète. Leur attente a finalement été récompensée le 24 décembre 2021, lorsqu'un impact de météorite sur Mars a produit le type d'ondes de surface qu'ils et elles attendaient depuis longtemps.
Les caractéristiques atypiques des relevés du tremblement de terre ont conduit les scientifiques à soupçonner que sa source était proche de la surface, et ils et elles ont donc contacté leurs collègues qui travaillaient avec une sonde en orbite autour de Mars. Et en effet, les images prises par le Mars Reconnaissance Orbiter fin décembre 2021 ont montré un grand cratère d'impact à environ 3'500 kilomètres d'InSight.
«L'emplacement correspondait bien à nos estimations concernant la source du tremblement de terre», explique Doyeon Kim, géophysicien et chercheur principal à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich. Doyeon Kim est l'auteur principal d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue Science. Les chercheuses et chercheurs ont également pu identifier un impact de météorite à un peu moins de 7'500 kilomètres (environ 5'000 miles) d'InSight comme étant la source d'un deuxième tremblement de terre atypique.
Comme l'hypocentre de chaque séisme se trouvait à la surface, elles et ils ont généré non seulement des ondes sismiques de corps semblables à celles des séismes de mars enregistrés précédemment, dans lesquels les hypocentres se trouvaient à une plus grande profondeur, mais aussi des ondes qui se sont propagées le long de la surface de la planète. «C'est la première fois que des ondes sismiques de surface sont observées sur une planète autre que la Terre. Même les missions Apollo sur la Lune n'y sont pas parvenues», déclare Doyeon Kim.
Ce qui rend les ondes sismiques de surface si importantes pour les chercheuses et chercheurs, c'est qu'elles fournissent des informations sur la structure de la croûte martienne. Les ondes sismiques de surface, qui se propagent à l'intérieur de la planète lors d'un tremblement de terre, ont jusqu'à présent permis de mieux comprendre le noyau et le manteau de Mars, mais ont peu révélé la croûte loin de l'atterrisseur lui-même.
Un résultat surprenant
«Jusqu'à présent, notre connaissance de la croûte martienne n'était basée que sur une seule mesure ponctuelle sous l'atterrisseur InSight», explique Doyeon Kim. Le résultat de l'analyse des ondes de surface l'a surpris. En moyenne, la croûte martienne située entre les sites d'impact et le sismomètre d'InSight présente une structure très uniforme et une densité élevée. En revanche, directement sous l'atterrisseur, les scientifiques avaient précédemment détecté trois couches de croûte qui impliquaient une densité plus faible.
Ces nouvelles découvertes sont remarquables car la croûte d'une planète fournit des indices importants sur la façon dont cette planète s'est formée et a évolué. Comme la croûte elle-même est le résultat de processus dynamiques précoces dans le manteau et de processus magmatiques ultérieurs, elle peut nous renseigner sur les conditions qui prévalaient il y a des milliards d'années et sur la chronologie des impacts, qui étaient particulièrement fréquents dans les premiers temps de Mars.
Doyeon Kim explique comment cette nouvelle mesure a été effectuée : «La vitesse à laquelle les ondes de surface se propagent dépend de leur fréquence, qui dépend à son tour de leur profondeur.» En mesurant les changements de vitesse dans les données sismiques à différentes fréquences, il est possible de déduire comment la vitesse change à différentes profondeurs, car les différentes fréquences sont sensibles aux différentes profondeurs. Cela permet d'estimer la densité moyenne de la roche, car la vitesse sismique dépend également des propriétés élastiques du matériau traversé par les ondes. Ces données ont permis aux scientifiques de déterminer la structure de la croûte à des profondeurs comprises entre 5 et 30 kilomètres environ sous la surface de Mars.
Une plus grande vitesse sismique expliquée
Pourquoi alors la vitesse moyenne des ondes de surface récemment observées est-elle considérablement plus élevée que celle à laquelle on pourrait s'attendre sur la base de la mesure ponctuelle effectuée précédemment sous l'atterrisseur Mars InSight ? Est-ce principalement dû à la roche de surface, ou d'autres mécanismes sont-ils en jeu ? En général, les roches volcaniques ont tendance à présenter des vitesses sismiques plus élevées que les roches sédimentaires. De plus, les trajets entre les deux impacts météoritiques et le site de mesure traversent l'une des plus grandes régions volcaniques de l'hémisphère nord de Mars.
Les coulées de lave et la fermeture des espaces interstitiels par la chaleur créée par les processus volcaniques, peuvent augmenter la vitesse des ondes sismiques. «D'autre part, la structure de la croûte sous le site d'atterrissage d'InSight peut avoir été formée d'une manière unique, peut-être lorsque des matériaux ont été éjectés lors d'un grand impact météoritique il y a plus de trois milliards d'années. Cela signifierait que la structure de la croûte sous l'atterrisseur n'est probablement pas représentative de la structure générale de la croûte martienne», explique Doyeon Kim.
Résoudre le mystère de la dichotomie de Mars
Ces nouvelles recherches pourraient également contribuer à résoudre un mystère vieux de plusieurs siècles. Depuis que les premiers télescopes ont été pointés vers Mars, on sait qu'il existe un contraste marqué entre les hémisphères sud et nord de la planète. Alors que la caractéristique dominante de l'hémisphère sud est un plateau couvert de cratères météoritiques, l'hémisphère nord se compose principalement de basses terres plates et volcaniques qui pourraient avoir été recouvertes d'océans au début de l'histoire de la planète. Cette division en hautes terres du sud et basses terres du nord est appelée la dichotomie de Mars.
«En l'état actuel des choses, nous n'avons pas encore d'explication généralement acceptée pour la dichotomie, car nous n'avons jamais été en mesure de voir la structure profonde de la planète», explique Domenico Giardini, professeur de sismologie et de géodynamique à l'ETH Zurich. «Mais maintenant, nous commençons à la découvrir». Les premiers résultats semblent réfuter l'une des théories les plus répandues concernant la dichotomie de Mars : les croûtes du nord et du sud ne sont probablement pas composées de matériaux différents, comme on l'a souvent supposé, et leur structure pourrait être étonnamment similaire à des profondeurs pertinentes.
Une longue attente pour la vague
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich attendent d'autres résultats prochainement. En mai 2022, InSight a observé le plus grand séisme de mars à ce jour, d'une magnitude de 5. Elle a également enregistré les ondes sismiques de surface générées par cet événement peu profond. Cela est arrivé juste à temps, car la mission InSight va bientôt s'achever, les panneaux solaires de l'atterrisseur étant couverts de poussière, et l'atterrisseur commençant à manquer d'énergie. Une première analyse des données confirme les résultats obtenus par les scientifiques lors des deux autres impacts de météorites. «C'est fou. Nous attendions ces ondes depuis si longtemps et maintenant, quelques mois seulement après les impacts de météorites, nous avons observé ce grand tremblement de terre qui a produit des ondes de surface extrêmement riches. Celles-ci nous permettent de voir encore plus profondément dans la croûte, jusqu'à une profondeur d'environ 90 kilomètres», déclare Doyeon Kim.
La mission InSight
InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) est une mission externe non habitée de la NASA sur Mars. En novembre 2018, l'atterrisseur stationnaire, qui est équipé d'un sismomètre et d'une sonde thermique, s'est posé en toute sécurité sur la surface martienne. Les instruments géophysiques présents sur la planète rouge permettent l'exploration de son intérieur. Un certain nombre de partenaires européens, dont le Centre national d'études spatiales (CNES) de France et le Centre aérospatial allemand (DLR), soutiennent la mission InSight. Le CNES a fourni à la NASA l'instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), dont le chercheur principal est l'IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris). L'IPGP, l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) en Allemagne, l'Imperial College London et l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, ainsi que le Jet Propulsion Laboratory (USA) ont apporté des contributions importantes à SEIS.