La croûte martienne comme une armure lourde

En mai 2022, le Marsquake Service de l'ETH Zurich a enregistré le plus grand tremblement de terre jamais observé sur une autre planète. Cet événement, d'une magnitude estimée à 4,6, a été enregistré à la surface de Mars par le sismomètre déployé dans le cadre de la mission InSight de la NASA. «Ce séisme a envoyé de fortes ondes sismiques qui se sont propagées à la surface de Mars», explique Doyeon Kim, sismologue à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich.

Les ondes de surface offrent une perspective globale

Après plus de trois ans de surveillance quotidienne et alors que les niveaux de puissance du sismomètre d'InSight diminuaient, les chercheuses et chercheurs ont été récompensés par les données d'un important tremblement de terre. Les ondes de surface observées lors de ce grand tremblement de terre ont non seulement voyagé de la source du séisme jusqu'à la station de mesure, mais elles ont également continué à faire plusieurs fois le tour de la planète. Ces données n'ont pas seulement fourni des informations sur des zones spécifiques de Mars, mais ont également permis d'obtenir une vue d'ensemble de la planète.

«À partir de ce tremblement de terre, le plus important enregistré pendant toute la durée de la mission InSight, nous avons observé des ondes de surface qui ont fait jusqu'à trois fois le tour de Mars», explique la sismologue et autrice principale d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue Geophysical Research Letters. Afin d'obtenir des informations sur la structure traversée par les ondes, les chercheurs et chercheuses ont mesuré la vitesse de propagation de ces ondes à différentes fréquences.

Ces vitesses sismiques donnent un aperçu de la structure intérieure à différentes profondeurs. Auparavant, les ondes de surface observées lors des deux grands impacts de météorites permettaient également d'obtenir des résultats régionaux le long de leurs trajectoires de propagation spécifiques. «Aujourd'hui, nous disposons d'observations sismiques qui représentent la structure globale», explique Doyeon Kim.

Comparaison des données de Mars avec celles de la Terre et de la Lune

En combinant leurs nouveaux résultats avec les données existantes sur la gravité et la topographie de Mars, les chercheuses et chercheurs ont pu déterminer l'épaisseur de la croûte martienne. Elle est en moyenne de 42 à 56 kilomètres (26 - 35 miles). En moyenne, la croûte est la plus fine au niveau du bassin d'impact Isidis, à ~10 km, et la plus épaisse dans la province de Tharsis, à ~90 km. Pour mettre cela en perspective, les données sismiques indiquent que la croûte terrestre a une épaisseur moyenne de 21 à 27 kilomètres, tandis que la croûte lunaire, telle que déterminée par les sismomètres de la mission Apollo, a une épaisseur comprise entre 34 et 43 kilomètres.

«Cela signifie que la croûte martienne est beaucoup plus épaisse que celle de la Terre ou de la Lune», explique Doyeon Kim. En général, les petits corps planétaires de notre système solaire ont une croûte plus épaisse que les grands. La sismologue explique : «Nous avons eu la chance d'observer ce tremblement de terre. Sur Terre, nous aurions eu du mal à déterminer l'épaisseur de la croûte terrestre en utilisant un tremblement de terre de la même magnitude que celui qui s'est produit sur Mars. Bien que Mars soit plus petite que la Terre, elle transporte l'énergie sismique plus efficacement.»

L'un des résultats les plus importants de cette recherche concerne la différence entre les hémisphères nord et sud de Mars. Ce contraste est observé depuis qu'il existe des télescopes ; il est particulièrement visible sur les images des satellites martiens. L'hémisphère nord de Mars est constitué de basses terres plates, tandis que le sud est constitué de hauts plateaux. La division entre les basses terres du nord et les hauts plateaux du sud est appelée dichotomie martienne.

Densité similaire de la croûte et chaleur radioactive

«On pourrait penser que cette différence s'explique par deux compositions de roches différentes», explique Doyeon Kim : «Une roche serait plus dense que l'autre. Si la composition est la même au nord et au sud, l'épaisseur de la croûte varie. Si la croûte est plus épaisse au sud, le manteau martien est moins dense, alors qu'une croûte plus fine au nord contient davantage de ce matériau dense et plus lourd.»

Qu'est-ce que les chercheurs et chercheuses ont réussi à prouver ? «Sur la base des observations sismiques et des données gravimétriques, nous montrons que la densité de la croûte dans les basses terres du nord et les hautes terres du sud est similaire», écrivent-ils et elles. En revanche, la croûte dans l'hémisphère sud s'étend à une plus grande profondeur que dans l'hémisphère nord. «Cette découverte est très intéressante et permet de mettre fin à une discussion scientifique de longue date sur l'origine et la structure de la croûte martienne», déclare Doyeon Kim. Après tout, l'analyse des impacts de météorites sur Mars l'année dernière a déjà fourni la preuve que les croûtes du nord et du sud sont constituées du même matériau.

D'autres conclusions peuvent également être tirées de l'épaisseur de la croûte martienne. «Notre étude montre comment la planète génère sa chaleur et explique l'histoire thermique de Mars», explique Doyeon Kim. En tant que planète à plaque unique, la principale source de chaleur produite à l'intérieur de Mars aujourd'hui est le résultat de la désintégration d'éléments radioactifs tels que le thorium, l'uranium et le potassium. L'étude a révélé que 50 à 70% de ces éléments producteurs de chaleur se trouvent dans la croûte martienne. Cette forte accumulation pourrait expliquer pourquoi il existe des régions locales sous la croûte où des processus de fonte peuvent encore avoir lieu aujourd'hui.