Pourquoi les séismes réécrivent-ils l’histoire de Mars ?

La sis­mo­lo­gie ter­restre four­nit des infor­ma­tions impor­tantes sur l’in­té­rieur de notre pla­nète, sa for­ma­tion et son évo­lu­tion. Il en va de même pour la sis­mo­lo­gie extra­ter­restre. Les tout pre­miers signaux sis­miques mesu­rés sur la pla­nète Mars ont été rap­por­tés par les scien­ti­fiques qui suivent la mis­sion InSight (Inter­ior Explo­ra­tion using Seis­mic Inves­ti­ga­tions, Geo­de­sy and Heat Trans­port) de la NASA, lan­cée en 2018. Après quatre ans d’o­pé­ra­tion sur la pla­nète rouge, les cher­cheurs y ont détec­té envi­ron 1 300 évé­ne­ments sis­miques, dont l’a­na­lyse révo­lu­tion­ne­ra notre com­pré­hen­sion de celle-ci.

Mars n’est pas le pre­mier endroit extra­ter­restre où les scien­ti­fiques ont détec­té une acti­vi­té sis­mique. Cinq sis­mo­mètres ont fonc­tion­né sur la Lune entre 1969 et 1977 et ont mesu­ré une dizaine de mil­liers de « trem­ble­ments de lune ». Comme la Lune, Mars ne pos­sède pas de plaques tec­to­niques et devrait donc être beau­coup plus calme que la Terre à cet égard.

Sur les 1 300 évé­ne­ments sis­miques détec­tés sur Mars, une bonne dizaine ont été pro­vo­qués par des impacts de météo­rites, explique Phi­lippe Lognon­né, pro­fes­seur à l’Université Paris-Cité et à l’Ins­ti­tut de Phy­sique du Globe de Paris (IPGP) et qui dirige l’é­quipe ayant construit SEIS (Seis­mic Expe­riment for Inter­ior Struc­ture of Mars), le sis­mo­mètre prin­ci­pal d’In­Sight. Sur la tota­li­té des séismes, au moins 50 sont rela­ti­ve­ment impor­tants, d’une magni­tude supé­rieure à 2,5 sur l’é­chelle de Rich­ter, le plus impor­tant mesu­ré ayant atteint une magni­tude de 4,7. Il y a aus­si près d’un mil­lier de plus petits séismes, d’une magni­tude plus faible, entre 1 à 2.

Avant InSight, on pen­sait que ce type d’ac­ti­vi­té sis­mique était en majeure par­tie lié au refroi­dis­se­ment en cours à l’in­té­rieur de la pla­nète, qui entraîne des contrac­tions de part et d’autre, et pro­voque une accu­mu­la­tion de points de ten­sion, libé­rés par des rup­tures de la croûte, géné­rant des séismes. Fina­le­ment, InSight a mon­tré que seule une petite par­tie des séismes s’expliquait de cette manière.  Les cher­cheurs d’In­Sight ont en effet décou­vert que la moi­tié des grandes secousses mar­tiennes détec­tées pro­ve­naient toutes d’une région appe­lée Cer­be­rus Fos­sae. « Nous savons que le vol­ca­nisme a été actif entre 500 000 ans et 1 mil­lion d’an­nées dans cette région, explique Phi­lippe Lognon­né. Grâce à nos mesures, nous savons aus­si que ces secousses y sont qua­si per­ma­nentes : il ne se passe pas un mois sans qu’il y ait un petit séisme. »

« Ces secousses sont étroi­te­ment liées à cette région, ce qui implique que les vol­cans qui y sont entrés en érup­tion dans le pas­sé ne sont pro­ba­ble­ment pas éteints, mais sim­ple­ment endor­mis. C’est la pre­mière décou­verte majeure que nous avons faite et, pour être hon­nête, per­sonne dans l’é­quipe ne s’at­ten­dait à ce résul­tat. Jus­qu’à pré­sent, nous pen­sions que l’ac­ti­vi­té sis­mique sur Mars était due uni­que­ment au refroi­dis­se­ment de la pla­nète et à la fis­su­ra­tion de sa croûte dans dif­fé­rentes direc­tions. Il est stu­pé­fiant de pen­ser que Mars est une pla­nète qui pos­sède encore une tec­to­nique vol­ca­nique asso­ciée à des vol­cans qui pour­raient très bien rede­ve­nir actifs à l’a­ve­nir. »

La deuxième décou­verte majeure d’In­Sight est que le man­teau mar­tien ne pré­sente pas les mêmes sub­di­vi­sions que celles du man­teau infé­rieur de la Terre. « En d’autres termes, et même si l’en­semble du man­teau mar­tien contient plus ou moins les mêmes types de roches et de miné­raux que le man­teau supé­rieur de la Terre, Mars ne pos­sède pas de man­teau infé­rieur, mais plu­tôt une sorte d’océan de mag­ma à sa base. »

Bien que ce résul­tat soit moins sur­pre­nant, puisqu’il s’a­git d’un phé­no­mène consi­dé­ré comme plau­sible, il n’a­vait jamais été décou­vert dans une autre pla­nète tel­lu­rique. Cette décou­verte inat­ten­due, montre qu’à la base du man­teau de Mars, le liquide n’est pas le même que celui du noyau, mais un man­teau en fusion.

« Là encore, peu de membres de l’é­quipe s’y atten­daient, constate Phi­lippe Lognon­né. Nous réa­li­sons main­te­nant que la struc­ture actuelle de Mars est très dif­fé­rente de celle de la Terre. Sur Terre, vous avez d’a­bord une croûte, puis un man­teau solide divi­sé en deux par­ties. À la base du man­teau solide, il y a un noyau liquide de fer et d’éléments légers, et en des­sous, un noyau solide de fer. Sur Mars, ce n’est pas du tout ça : on a une croûte, un man­teau solide, mais à la base du man­teau solide, on a un man­teau en fusion et qui recouvre un noyau métal­lique lui aus­si en fusion et bien plus riche en élé­ments légers. Enfin, nous avons eu d’as­sez belles sur­prises concer­nant les impacts de météo­rites, explique-t-il. Par exemple, un cra­tère de 150 mètres de dia­mètre a non seule­ment géné­ré de superbes ondes sis­miques, mais a éga­le­ment révé­lé la pré­sence de poches de glace sous la sur­face. Cette décou­verte pour­rait avoir des impli­ca­tions pour les futures mis­sions habi­tées vers Mars, car nous savons désor­mais que la glace sou­ter­raine peut se trou­ver à cer­tains endroits. »

L’ins­tru­ment SEIS d’In­Sight recueille des infor­ma­tions sur la croûte mar­tienne en détec­tant les ondes sis­miques pro­ve­nant de sources telles que les secousses et les impacts de météo­rites qui se réper­cutent sur l’en­semble de la pla­nète. Lorsque ces ondes se déplacent à l’in­té­rieur de Mars, elles changent de vitesse et de direc­tion aux fron­tières entre les dif­fé­rents maté­riaux de la croûte. Cela signi­fie que, lors­qu’elles sont mesu­rées par SEIS, les ondes sis­miques pro­ve­nant de la même source peuvent être détec­tées à des moments dif­fé­rents, en fonc­tion des che­mins qu’elles ont emprun­tés pour atteindre la sonde.

La vitesse à laquelle les ondes sis­miques tra­versent des roches de dif­fé­rentes den­si­tés varie en fonc­tion de leur com­po­si­tion, de l’es­pace inter­sti­tiel et de ce qui rem­plit ce même espace – gaz, eau ou glace. En ana­ly­sant les dif­fé­rents temps d’ar­ri­vée des ondes sis­miques pro­ve­nant des mêmes sources et attei­gnant la sonde, les cher­cheurs peuvent déter­mi­ner la com­po­si­tion de l’in­té­rieur de la planète.

« Nous uti­li­sons les ondes sis­miques comme une sorte de lumière pour éclai­rer l’in­té­rieur de la pla­nète, explique Phi­lippe Lognon­né. En ana­ly­sant les don­nées mesu­rées par les sis­mo­mètres, on peut ensuite ima­ger l’in­té­rieur, déter­mi­ner l’é­pais­seur des prin­ci­pales par­ties de la pla­nète, la croûte, le man­teau et le noyau, obser­ver ce qui est liquide, où et quand il y a de l’eau. Ce sont les grands domaines de la sis­mo­lo­gie et je pense qu’a­vec InSight, nous avons fait des décou­vertes de pre­mier ordre dans ces domaines. On ne peut pas dire qu’In­Sight ait bou­le­ver­sé la sis­mo­lo­gie en termes de tech­niques d’a­na­lyse des don­nées, mais ce cap­teur a cer­tai­ne­ment été révo­lu­tion­naire dans le sens où il a four­ni de nou­velles don­nées sur une pla­nète où nous n’é­tions jamais allés aupa­ra­vant »,  conclut-il.

Isabelle Dumé

Pour aller plus loin : 

1. Explo­ring Mars” struc­ture
   https://www.coursera.org/lecture/seismology-to-earthquakes/1–10-exploring-mars-structure-VfKNY
2. What are Mars­quakes ?
   https://www.coursera.org/lecture/seismology-to-earthquakes/2–8‑what-about-marsquakes-ac0pu

Réfe­rences :

• P. Lognon­né, W.B. Banerdt, J. Clin­ton, R.F. Gar­cia, D. Giar­di­ni, B. Knap­meyer-Endrun, M. Pan­ning, W.T. Pike, Mars Seis­mo­lo­gy,Annual Review of Earth and Pla­ne­ta­ry Sciences 2023 51:1, 643–670, https://doi.org/10.1146/annurev-earth-031621–073318
• Lognon­né, P., Schim­mel, M., Stutz­mann, E., Davis, P., Drilleau, M., Sain­ton, G., et al. (2023). Detec­tion of Mars nor­mal modes from S1222a event and seis­mic hum. Geo­phy­si­cal Research Let­ters, 50, e2023GL103205. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​2​9​/​2​0​2​3​G​L​1​03205
• Lognon­né, P., W.B. Banerdt,  W.T.Pike, D.Giardini, U.Christensen, R.F.Garcia,et al., Constraints on the shal­low elas­tic and ane­las­tic struc­ture of Mars from InSight seis­mic data, Nature Geos­cience, 13, 213–220, doi : 10.1038/s41561-020‑0536‑y
• Lognon­né, P., W.B.Banerdt, D.Giardini, W.T.Pike, U.Christensen, P.Laudet, et al, SEIS : Insight’s Seis­mic Expe­riment for Inter­nal Struc­ture of Mars, Space Sci Rev, 215, 12, doi : 10.1007/s11214-018‑0574‑6
• Samuel, H., M. Drilleau, A. Rivol­di­ni, Z. Xu, Q. Huang, R. F. Gar­cia, V. Lekic, J.C.E Irving, J. Badro, P. H. Lognon­né, J. A. D. Connol­ly, T. Kawa­mu­ra, T. Gud­ko­va and W. B. Banerdt (2023). Geo­phy­si­cal evi­dence for an enri­ched mol­ten sili­cate layer above Mars’s core, Nature, 622, 712–717, doi : 10.1038/s41586-023–06601‑8
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• Xu, Z., Bro­quet, A., Fuji, N., Kawa­mu­ra, T., Lognon­né, P., Mon­ta­gner, J.-P., et al. (2023). Inves­ti­ga­tion of Mar­tian regio­nal crus­tal struc­ture near the dicho­to­my using S1222a sur­face-wave group velo­ci­ties. Geo­phy­si­cal Research Let­ters, 50, e2023GL103136. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​2​9​/​2​0​2​3​G​L​1​03136