En décembre 2021, une météorite impactait la surface de Mars, générant de puissantes ondes sismiques à la surface de la planète. Il n’en fallait pas plus pour le sismomètre de la mission InSight. L’analyse de ces ondes sismiques a permis d’établir la structure de la croûte martienne, pour la première fois à grande échelle.

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[EN VIDÉO] Insight lancée à la conquête des profondeurs de Mars Du décollage le 5 mai 2018, en images réelles, à l'atterrissage, six mois plus tard, le 26 novembre, en images de synthèse, ce film retrace le voyage de la sonde InSight, de la Nasa, à destination de Mars. Une fois posée, elle restera une année martienne au même endroit, étudiant avec divers instruments, dont un sismomètre très précis, les profondeurs méconnues de la Planète rouge.

Le 24 décembre 2021, un important séismeséisme secouait la surface de Mars, un événement immédiatement détecté et enregistré par le sismomètre de la mission InSight, posé à la surface. Rapidement, l'origine de cette secousse intrigue les scientifiques, car la Planète rouge, qui ne possède pas de tectonique des plaquestectonique des plaques, produit très rarement de gros séismes. Et en effet, la secousse n'a rien d'un événement géologique intrinsèque à la planète. Il aurait été causé par un impact météoritique à la surface, une hypothèse confirmée par la sonde MROMRO en orbite autour de la planète qui révèle la présence d'un nouveau cratère de 150 mètres de diamètre !

Pour les scientifiques, ce genre d'événement était tout simplement inespéré. Car la puissance de l'impact a généré un type d'ondes bien particulier, qui se propagent en surface. Les caractéristiques de ces ondes, qui n'avaient alors jamais été détectées sur Mars, ont permis d'étudier la structure de la croûte martienne dans son ensemble.

Écoutez l'impact de la météorite sur le sol de Mars enregistré par l'atterrisseur InSight. © Nasa, JPL-Caltech, Cnes, Imperial College London

Des ondes bien particulières qui permettent de sonder la croûte martienne

Les ondes de surface sont en effet des ondes bien spéciales qui sont, sur Terre, produites lors de séismes de fortes magnitudes. Pour cette raison, elles n'avaient jusqu'à présent jamais été observées sur Mars, qui ne produit que des séismes de faible magnitude. Si ces ondes ne se propagent que le long de la surface, ce sont cependant elles qui transmettent la plus grande partie de l'énergie d'un séisme. Sur Terre, elles sont particulièrement redoutées car ce sont elles qui causent le plus de dégâts.

Contrairement aux ondes de volumesvolumes (P et S), la vitessevitesse des ondes de surface dépend de leur fréquencefréquence. Or, les basses fréquences sont plus sensibles aux grandes profondeurs. Voilà une caractéristique particulièrement intéressante pour l'étude de la croûte martienne. Pour la première fois, la mesure de la dispersion de ces ondes a ainsi permis d'observer directement les variations de vitesse en fonction de la profondeur et de construire une image complète de la structure crustale de Mars.

L'impact de la météorite a excavé des blocs de glace de la taille de rochers du sous-sol de Mars. La présence de glace si près de la surface a surpris et interroge les scientifiques. Survol de la région touchée créé à partir des images capturées de l'espace, par la sonde MRO. © Nasa, JPL-Caltech, University of Arizona

La structure crustale de Mars, pour la première fois à grande échelle

À l'image de la croûte terrestrecroûte terrestre, la croûte martienne montre d'importantes variations de topographie, d'épaisseur, d'âge mais est également impactée de manière variable par les cratères, l'érosion et le volcanismevolcanisme. La croûte de Mars présente d'ailleurs une importante différence entre l'hémisphère nordhémisphère nord et l'hémisphère sudhémisphère sud, dont l'origine reste très débattue. Une dichotomie qui se caractérise par une différence topographique d'environ cinq kilomètres. La partie sud, plus haute, présente également une surface très cratérisée par rapport à la surface nord, marquée par de vastes plaines.

Les données sismiques liées à deux impacts météoritiques ont permis d'étudier la différence de structure de la croûte entre l'hémisphère nord (en bas, en vert) et l'hémisphère sud (en haut, en gris). © Kim et al. 2022, <em>Science</em>
Les données sismiques liées à deux impacts météoritiques ont permis d'étudier la différence de structure de la croûte entre l'hémisphère nord (en bas, en vert) et l'hémisphère sud (en haut, en gris). © Kim et al. 2022, Science

Le sismomètresismomètre d'InSight avait jusque-là permis de mieux contraindre l'épaisseur de la croûte dans la région où il se trouve (Elysium Planitia), soit 39 +/- 8 km. Malgré l'importance de ce résultat, il ne s'agit que d'un point précis et la croûte martienne restait, dans son ensemble, largement inconnue. L'impact météorite a cependant permis de construire un modèle global. L'analyse des ondes de surface a ainsi permis aux scientifiques d'étudier la structure de la croûte jusqu'à des profondeurs de 30 kilomètres sous la surface.  

Une croûte a priori uniforme entre le nord et le sud

Les résultats, publiés dans la revue Science, suggèrent que la croûte martienne présente une structure relativement uniforme entre le site d'impact météoritique et l'emplacement d'InSight. Dans son ensemble, la croûte présente également une forte densité, contrairement à ce que laissaient supposer les observations réalisées au niveau du sismomètre. La croûte directement sous InSight apparaît en effet de faible densité et pourrait avoir été structurée par un important impact météoritique il y a 3 milliards d'années. Il apparaît en tout cas que cette partie de la croûte martienne n'est pas représentative de la structure crustale générale de Mars.

La structure générale de la croûte martienne établie grâce aux données sismiques recueillies par InSight suite à l'impact météoritique. © Kim et al. 2022, Science
La structure générale de la croûte martienne établie grâce aux données sismiques recueillies par InSight suite à l'impact météoritique. © Kim et al. 2022, Science

Concernant l'origine de la dichotomie martienne, l'étude suggère que contrairement à la théorie jusque-là en vigueur, les croûtes au nord et au sud sont probablement relativement semblables, que ce soit en composition ou en structure. Des variations de densité pourraient expliquer cette impression de différence d'épaisseur crustale. L'origine de la dichotomie est cependant encore débattue et pourrait être liée soit à d'importants impacts météoritiques, soit à une anomalieanomalie dans la convectionconvection du manteaumanteau, soit à une combinaison des deux processus.