Ce que les ondes sismiques révèlent sur la cro?te martienne

Le Service sismologique de Mars à l'ETH Zurich analyse les mesures effectuées par le sismomètre de la mission InSight sur notre planète voisine. Pendant près de trois ans, seules des ondes sismiques se propageant depuis leur foyer respectif à travers les profondeurs de Mars ont été détectées. Les chercheurs espéraient toutefois qu'un événement génère également des ondes voyageant le long de la surface de la planète. Le 24 décembre 2021, c'était chose faite : la chute d'une météorite sur Mars leur a apporté les ondes de surface tant attendues.

En raison des caractéristiques atypiques du séisme enregistré, les chercheurs et chercheuses avaient soup?onné une source proche de la surface. Ils ont alors contacté des collaborateurs travaillant avec une sonde en orbite autour de Mars. En effet, des images prises par Mars Reconnaissance Orbiter le 25 décembre 2021 ont montré un grand cratère d'impact à environ 3500 kilomètres d'InSight.

"Le lieu correspondait bien à nos estimations de la source du séisme", explique Doyeon Kim, ma?tre-assistant à l'Institut de géophysique de l'ETH et premier auteur de l'étude qui vient de para?tre dans la revue "Science". Lors d'un deuxième séisme atypique, les chercheurs ont également pu identifier comme source l'impact d'une météorite à près de 7500 kilomètres d'InSight.

Comme le foyer des deux séismes se trouvait à la surface, des ondes spatiales ont été générées non seulement comme dans les séismes martiens enregistrés jusqu'à présent, dont le foyer se trouvait 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 quelqu'un observe des ondes sismiques de surface sur une autre planète que la Terre. Même sur la Lune lors des missions Apollo, cela n'a pas été possible", explique Kim.

Si les ondes de surface sont si importantes pour les chercheurs, c'est parce qu'elles fournissent des informations sur la structure de la cro?te martienne. Jusqu'à présent, les ondes spatiales qui voyagent à l'intérieur de la planète lors des tremblements de terre ont certes permis d'acquérir des connaissances sur le noyau et le manteau de Mars, mais n'ont pas donné beaucoup d'informations sur la cro?te.

Un résultat surprenant

"Jusqu'à présent, notre connaissance de la cro?te martienne ne reposait que sur une mesure ponctuelle sous l'atterrisseur InSight", explique Kim. Le résultat de l'analyse des ondes de surface a surpris le géophysicien : la cro?te martienne située entre les sites d'impact et le sismomètre d'InSight présente en moyenne une structure très uniforme et une densité élevée. En revanche, directement sous la sonde, les chercheurs avaient auparavant mis en évidence trois couches de cro?te et mesuré une densité plus faible.

Ces nouvelles découvertes sont d'autant plus intéressantes que la cro?te d'une planète donne des indications importantes sur la formation et l'évolution du corps céleste. Elle est le résultat de processus dynamiques précoces dans le manteau et des processus magmatiques qui ont suivi. C'est pourquoi elle peut fournir des informations sur les conditions qui régnaient il y a des milliards d'années et sur l'histoire des impacts, qui étaient particulièrement fréquents au début de la vie de la planète Mars.

Le chercheur explique le fonctionnement de cette nouvelle mesure comme suit : "La vitesse à laquelle les ondes de surface se propagent dépend de leur fréquence, qui dépend elle-même de la profondeur". Si l'on mesure sur différentes fréquences comment la vitesse varie dans les données sismiques, on peut en déduire comment la vitesse varie à différentes profondeurs, car les différentes fréquences sont sensibles à différentes profondeurs. Cela permet à son tour d'estimer la densité moyenne de la roche, car la vitesse sismique dépend également des propriétés élastiques du matériau à travers lequel les ondes se déplacent. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer la structure de la cro?te à une profondeur d'environ 5 à 30 kilomètres sous la surface de Mars.

Explication pour une plus grande vitesse des vagues

Mais pourquoi la vitesse moyenne des ondes de surface observées aujourd'hui est-elle considérablement plus élevée que ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base des mesures ponctuelles antérieures effectuées sous la sonde martienne InSight ? Est-ce principalement d? aux roches de surface ou à d'autres mécanismes ? En général, les roches volcaniques présentent des vitesses sismiques plus élevées. Et les chemins entre les deux impacts de météorites et le site de mesure traversent l'une des plus grandes régions volcaniques de l'hémisphère nord de Mars.

Différents mécanismes, comme la formation de laves en surface ou la fermeture des espaces interstitiels par chauffage en lien avec les processus volcaniques, peuvent augmenter la vitesse des ondes sismiques. "D'autre part, la structure de la cro?te sous le site d'atterrissage d'InSight pourrait s'être formée d'une manière unique, par exemple lorsque des matériaux ont été éjectés lors de l'impact d'un grand astéro?de il y a plus de trois milliards d'années. Dans ce cas, la structure de la cro?te sous la sonde n'est probablement pas représentative de la structure générale de la cro?te sur Mars", explique Kim.

Résoudre l'énigme de la dichotomie martienne

Les nouvelles recherches pourraient en outre aider à résoudre une énigme vieille de plusieurs siècles. Depuis que les premiers télescopes ont été pointés sur Mars, on sait qu'il existe un contraste saisissant entre l'hémisphère sud et l'hémisphère nord. Alors que l'hémisphère sud se caractérise par un haut plateau recouvert de cratères de météorites, la partie nord se compose en grande partie de basses plaines volcaniques qui pourraient avoir été recouvertes d'océans au début de l'histoire de la planète. Cette division entre les hauts plateaux du sud et les basses terres du nord est appelée dichotomie martienne.

" Jusqu'à présent, il n'y avait pas d'explication acceptée pour la dichotomie, car nous n'avons jamais pu voir sa structure profonde ", explique Domenico Giardini, professeur de sismologie et de géodynamique à l'ETH : " Nous commen?ons maintenant à découvrir cette structure."Les premiers résultats semblent réfuter l'une des théories les plus répandues sur la dichotomie martienne : les cro?tes du nord et du sud ne sont probablement pas composées de matériaux différents, comme on le pensait souvent jusqu'à présent, et leur structure pourrait être étonnamment similaire à des profondeurs pertinentes.

Une longue attente pour la vague

Les chercheurs de l'ETH attendent bient?t d'autres résultats. En effet, en mai 2022, InSight a observé le plus grand séisme martien jamais enregistré, d'une magnitude de 5 - un événement au cours duquel des ondes de surface ont également été enregistrées. Cela s'est produit juste à temps avant la fin de la mission d'InSight, car la sonde commence à manquer de courant. Une première analyse des données confirme les conclusions que les chercheurs ont tirées des deux impacts de météorites. "C'est fou : nous avons attendu ces ondes pendant si longtemps et maintenant, quelques mois seulement après les impacts de météorites, nous avons eu ce grand tremblement de terre qui a généré des ondes de surface extrêmement riches. Celles-ci nous permettent d'aller encore plus loin dans la cro?te : jusqu'à environ 90 km de profondeur".