24 Février 2020

INSIGHT/SEIS : le voile se lève sur la structure interne de Mars

Plus de 100 chercheurs ont analysé le 1er jeu de données du sismomètre SEIS de la mission InSight. Grâce à 3 séismes, parmi les 171 évènements détectés entre janvier et septembre 2019, ils établissent que la croûte supérieure de Mars mesure entre 8 et 11 km d’épaisseur et que ses nombreuses fractures sont recouvertes de films d’eau liquide. Ces résultats sont publiés dans Nature Geosciences le 24 février 2020.
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Crédits : IPGP/Nicolas Sarter.

3 périodes de bruit sismique 

Le 18 décembre 2018, le bras de l’atterrisseur InSight déposait sur Mars le sismomètre SEIS coordonné par le CNES. L’analyse du 1er jeu de données de ses capteurs VBB révèle l’existence de 3 périodes type de bruit sismique reliées à l'activité atmosphérique grâce aux enregistrements de la station météorologique fixée sur l’atterrisseur.

Du lever au coucher du Soleil : l’air chauffé par le Soleil tambourine le sol. SEIS enregistre beaucoup de bruits liés aux turbulences atmosphériques.

Du coucher du Soleil à minuit : Mars est extrêmement calme avec un bruit sismique environ 500 fois plus faible que le bruit sismique sur Terre. Ce bruit est le plus faible jamais mesuré par une station sismique ! 

De minuit au lever du Soleil : une légère brise venant du sud-ouest effleure la surface et génère du bruit sismique en déformant le sol sous la pression de l’air.

« L’extrême sensibilité de SEIS permet de détecter les plus infimes vibrations du sol comme celles liées aux passages des dust devils (NDLR : des tornades de poussière). Nous nous y attendions, ce 1er jeu de données le confirme : SEIS va nous apprendre beaucoup de nouvelles choses sur l’atmosphère martienne » indique Philippe Lognonné, professeur à l’Université de Paris, géophysicien de l’IPGP, responsable scientifique de SEIS et 1er auteur de l'article publié dans Nature Geosciences.

Philippe Lognonné, responsable scientifique de SEIS. Crédits : IPGP/Philippe Labrot, 2018.

ÉPAISSEUR DE LA CROUTE supérieure : ENVIRON 10 KM 

De janvier à septembre 2019, les chercheurs ont identifié 171 événements sismiques dont une vingtaine correspondrait à des séismes de magnitude 3 à 4. Trois séismes ont été particulièrement bien détectés par les capteurs français de SEIS : 

  • le séisme du 7 avril 2019 (Sol 128 car le 128e jour martien de la mission InSight) estimé à une magnitude d’environ 2,1 ;
  • le séisme du 23 mai 2019 (Sol 173) estimé à une magnitude d’environ 3,6 ;
  • le séisme du 26 juillet 2019 (Sol 235) estimé à une magnitude d’environ 3,6.

Grâce aux différences de temps d’arrivée des ondes P et S, les chercheurs ont déterminé l’existence d’une croûte supérieure d’épaisseur comprise entre 8 et 11 km. « Cette croute supérieure d’une dizaine de km est plus friable et moins consolidée que la croûte inférieure sur laquelle elle repose. Elle a été altérée par des processus de surface et sans doute aussi par des impacts météoritiques. Dessous, se trouve une croûte avec des roches plus originelles et moins fracturée, avec une vitesse 50 % plus rapide, soit un saut de 2 km/s à 3 km/s Cette 1ère série d’enregistrements ne nous a pas permis de localiser la zone de discontinuité entre la croûte et le manteau (NDLR : l'épaisseur de la croûte dans son ensemble). Il faudrait pour cela un séisme plus fort ou l’enregistrement par SEIS d’ondes de surface » explique Philippe Lognonné.

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Un séisme génère différents types d'ondes sismiques. Elles sont présentées sur le site SEIS-INSIGHT. Crédits : IPGP/David Ducros.

Le sismomètre SEIS protégé par un bouclier blanc et photographié par la caméra de l'atterrisseur. Le jour de cette photo, le 7 avril 2019, SEIS a détecté son 1er séisme d'une magnitude d'environ 2,1. Crédits : NASA/JPL-Caltech.

Aucun événement sismique n'a encore été relié à l'impact d'une météorite. Crédits : IPGP/Nicolas Sarter.

UNE CROÛTE SUPERIEURE FRACTURÉE 

Autre conclusion de l'analyse fine des enregistrements de ces 3 séismes : la croûte supérieure de Mars est très fracturée et ses failles sont recouvertes de films d'eau liquide. « La vitesse de propagation des ondes dans la croûte supérieure de Mars se situe dans des valeurs intermédiaires à celle sur la Lune et la Terre. Cela suppose une croûte supérieure relativement fracturée. En terme d’atténuation des ondes sismiques, on trouve une valeur 3 fois plus grande que sur la Lune, comparable à celles des massifs cristallins tels le massif armoricain en France ce qui suggère la présence d’humidité. Mais n’imaginez pas de grandes quantité d’eau, il suffit de quelques films de molécules d’eau liquide pour expliquer l’atténuation des ondes sismiques que nous observons » insiste Philippe Lognonné.

Du côté du CNES, « on est très fier d’avoir réussi cet instrument qui a été complexe à mettre au point. Un vrai bijou d'horlogerie ! Sa réalisation a reposé sur une coopération étroite entre l'IPGP, Sodern, les partenaires étrangers et le CNES. Aujourd’hui, SEIS livre ses 1res mesures sismiques et ce n’est que le début. On commence seulement à lever le voile sur la sismicité martienne ! » conclut Francis Rocard, responsable des programmes d’exploration du Système solaire au CNES. 

Francis Rocard, responsable des programmes d’exploration du Système solaire au CNES. Crédits : CNES/Hervé Piraud, 2018.

Le CNES, maître des horloges

Pour relier les enregistrements de SEIS  à des séismes ou des phénomènes atmosphériques, il est essentiel d'avoir une bonne datation de ces évènements. C’est le SISMOC, un centre dédié à la mission InSight au CNES de Toulouse, qui fournit aux scientifiques les datations cohérentes des données sismiques et météorologiques à partir des horloges des instruments. Or, ces horloges — qui sont plus des compteurs que de vraies horloges donnant des heures − ont une dérive dans le temps différente pouvant atteindre quelques secondes par jour ! « Ce travail avait été anticipé pour SEIS et la station météorologique APSS car on savait que les évolutions de pressions atmosphériques auraient des impacts sur les mesures sismiques. Chaque seconde, SEIS envoie un « clock » à APSS. Celui-ci est retransmis au SISMOC plusieurs fois par jour avec les données de l’horloge d’APSS, ce qui nous permet de comparer leur compteur et de recaler le tout avec une précision de quelques ms » explique Ludovic Rochas, ingénieur Système Opérations de SEIS au CNES. 

Crédits photo : CNES/Nicolas Tronquart, 2018

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Dans l'article publié dans Nature Geosciences, les chercheurs présentent aussi l'analyse des enregistrements sismiques lors des les tentatives de pénétration du sol par la sonde HP3  d'InSight. Pour fournir des datations cohérentes, le SISMOC a dû trouver une astuce. « Pendant les tentatives de pénétration d'HP3, nous programmons SEIS pour qu’il transmette sa datation beaucoup plus fréquemment à l’atterrisseur, toutes les minutes. Ces datations sont ensuite corrélées avec celles que HP3 envoient à l’atterrisseur ». Les chercheurs ont ainsi pu calculer que les ondes provoquées par les chocs de HP3 mettaient en moyenne 9,4 ms pour parcourir une distance de 1,1 m, confirmant que le sol superficiel sur lequel InSight s’est posé est composé de matériaux très friables, peu propices à propager rapidement des ondes en surface.

Crédits infographie : IPGP/Nicolas Sarter.

 

Référence BIBLIOGRAPHIQUE

Lognonné, P. et al. Constraints on the shallow elastic and anelastic structure of Mars from InSight seismic data. Nature Geosciences, 24 février 2020. 

Cet article scientifique est aussi vulgarisé sur le site SEIS-INSIGHT. 

CONTACTS

  • Philippe Lognonné, principal investigateur de SEIS / lognonne at ipgp.fr
  • Charles Yana, chef de Projet exploitation SEIS pour InSight au CNES / charles.yana at cnes.fr
  • Francis Rocard, responsable des programmes d’exploration du Système solaire / francis.rocard at cnes.fr