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SEIS sur Mars: les premiers résultats

SEIS sur Mars: un état des lieux suite à la publication des premiers résultats

Voila maintenant presque un an que SEIS, le premier sismomètre large bande martien, écoute quotidiennement et patiemment l’activité de la planète rouge. Depuis l’atterrissage de son vaisseau porteur, InSight, sur Elysium Planitia le 26 novembre 2018, et son installation en surface entre décembre 2018 et février 2019, l’instrument a détecté plus de 300 événements, et fourni de nombreux résultats aux planétologues. Quarante-quatre ans après la première tentative héroïque des sondes Viking, SEIS vient de permettre à une nouvelle discipline planétaire, la sismologie martienne, de voir enfin le jour.

Les bruits de l’environnement martien, ou pourquoi SEIS travaille principalement de nuit

Dans sa lente et patiente traque des séismes martiens, SEIS est confronté à un obstacle redoutable. A tout instant, des sources de bruits divers et variés viennent parasiter les signaux sismiques et obscurcir les infimes tremblements de la surface, et ce de façon souvent totalement aléatoire.

Parmi ces perturbations, certaines émanent de la sonde, lorsque les opérateurs actionnent le bras robotique pour acquérir des images, ou lorsque des courants électriques circulent dans les panneaux solaires. D’autres prennent naissance au cœur de l’instrument lui-même, au sein des délicats composants électroniques, ou lorsque les structures mécaniques se déforment sous l’effet du stress thermique. Mais l’élément perturbateur principal reste l’environnement martien lui-même.

En travaillant de concert avec la station météorologique sophistiquée (APSS) qui équipe InSight - et qui fonctionne en continu -, SEIS a montré que chaque journée martienne pouvait être découpée en trois périodes, plus ou moins bruyantes, et donc plus ou moins bien adaptées à la détection de séismes.

Vue d'artiste du site d'atterrissage de la sonde InSight sur Elysium Planitia, en journée et durant la nuit (© IPGP/Nicolas Sarter).Vue d'artiste du site d'atterrissage de la sonde InSight sur Elysium Planitia, en journée et durant la nuit. Le jour, l'environnement martien est très agité : les variations de température et les vents aveuglent le sismomètre SEIS. Mais entre 17h00 et minuit, la plupart des phénomènes parasites disparaissent, et SEIS bénéficie alors de conditions exceptionnelles pour écouter l’activité sismique de Mars (© IPGP/Nicolas Sarter).
A partir de 7 h00 (heure locale solaire), avec le lever du soleil, et jusqu’à environ 16h00, l’activité de l’atmosphère martienne devient de plus en plus turbulente, au point que le niveau de l’intensité des perturbations (pour les signaux de moins d’une seconde de période) rejoint celui de la Terre, une planète très bruyante (pour des périodes à 10 secondes, le bruit diurne reste dix fois plus faible que sur Terre). A cause par exemple du ressac perpétuel des océans, ou de l’incessante activité humaine, notre monde est effectivement le siège d’un véritable tapage à certaines fréquences. Sur Mars, ce sont surtout les courants convectifs de l’atmosphère, provoqués par les larges différences de température entre la surface et l’atmosphère, qui aveuglent SEIS à certaines fréquences.

Heureusement, à partir de 17h00-18h00, et de façon assez impressionnante et soudaine, la planète rouge devient très calme, et ce jusqu’à minuit environ. Cette phase de répit favorise très clairement la détection de séismes. Durant cette période, le niveau de bruit s’effondre, pour atteindre une valeur 500 à 1000 inférieure à celle de la Terre (le bruit mesuré par SEIS devient même plus faible que celui enregistré sur la Lune par les sismomètres Apollo !). SEIS peut alors contempler clairement des bandes de fréquence qui sont tout simplement inaccessibles aux sismomètres terrestres, car saturées de bruits parasites.

Spectrogramme récapitulatif indiquant l’origine des séismes martiens détectés depuis le sol 72 jusqu’au sol 400, en fonction de l’heure de la journée sur Mars (© MQS/NASA InSight/SEIS Team).Spectrogramme récapitulatif indiquant l’origine des séismes martiens détectés depuis le sol 72 jusqu’au sol 400 (hors période de conjonction solaire), en fonction de l’heure de la journée sur Mars. Entre 17h00 et minuit environ, la planète devient très calme, ce qui ouvre une fenêtre de détection extrêmement avantageuse pour SEIS. Durant cette période, le niveau de bruit diminue d’un facteur 100, pour devenir 500 à 1000 fois plus faible que le bruit terrestre. Cela permet à SEIS d’explorer des plages de fréquences qui sont sur Terre inexploitables à cause des niveaux de bruits ambiants très élevés (crédit : © MQS/NASA InSight/SEIS Team).

Enfin, de minuit à 7h00 du matin, les perturbations recommencent à augmenter légèrement, jusqu’au lever du soleil, qui marque le début d’une nouvelle période d’agitation journalière. Ainsi va la vie d’un sismomètre sur Mars, rythmée par des périodes de quiétude, propices aux observations, et des moments de tumultes, qui brouillent les signaux.

Bien que pouvant paraître idéale, la situation que nous venons de décrire ne sera cependant sans doute pas permanente. Selon les saisons, l’environnement martien est effectivement plus ou moins chargé en énergie. Avec l’arrivée de l’été, et l’apparition des fameuses tempêtes de poussière, il est probable que SEIS perde temporairement la capacité à distinguer les séismes les plus subtils durant la nuit.

Caractérisation du proche sous-sol

Si l’objectif final de SEIS est de percer les secrets de la structure interne profonde de Mars, l’une de ses premières occupations, plus modeste mais néanmoins fondamentale, a été de déterminer les propriétés du proche sous-sol. Sur la plaine poussiéreuse d’Elysium où InSight s’est posé, le sous-sol est constitué de trois couches distinctes, dont certaines propriétés (comme la rigidité et la profondeur) ont pu être déterminées via trois techniques différentes.

Lorsqu’il a été déployé au sol par le bras robotique d’InSight au cours du sol 22 (19 décembre 2018), les trois pieds coniques du berceau de support du sismomètre se sont plantés dans une couche indurée de quelques centimètres d’épaisseur, appelée duricrust. En analysant la façon dont les pieds résonnent lorsqu’un séisme se produit, les sismologues ont pu avoir accès à l’élasticité de cette cuirasse superficielle.

Etant une couche plus cohésive que celles situées en dessous, la duricrust semble faire obstacle à l’enfoncement du pénétrateur HP3, conçu pour bénéficier de la friction offert par des sols beaucoup moins consolidés. Les milliers d’à-coups provoqués par ses tentatives d’enfouissement ont cependant permis d’étudier le régolite, cette strate superficielle formée de matériaux concassés par d’innombrables impacts depuis des milliards d’années, et que l’on retrouve aussi sur la Lune.

Lors de ses sessions de martelage, HP3 fait vibrer le sous-sol, et se comporte alors comme une source sismique active. Grâce à lui, les scientifiques ont pu estimer la vitesse de propagation des ondes sismiques de type P dans le premier mètre de la surface martienne, ce qui a permis de déduire en retour certaines caractéristiques physiques propres au régolite.

Enfin, à l’échelle de la dizaine à la centaine de mètres, le sous-sol a été sondé grâce aux déformations induites par la circulation des tourbillons de poussière (dust devils). Ces derniers, qui semblent particulièrement apprécier de vagabonder avec nonchalance sur la plaine d’Elysium, provoquent des chutes de pression très nettes sur les données du capteur de pression ultra-sensible de la station météorologique APSS d’InSight. L’infime soulèvement du sol (qui peut être comparé à une sorte de succion) qu’ils créent sur leur passage erratique est également enregistré de manière très nette par SEIS.

Vue d’artiste montrant le sondage de la proche surface du site d'atterrissage d'InSight par trois techniques différentes (© IPGP/Nicolas Sarter).Vue d’artiste montrant le sondage de la proche surface du site d'atterrissage d'InSight par trois techniques différentes : résonance du berceau de support du sismomètre, ondes générées par les tentatives d'enfouissement du pénétrateur HP3 dans le sol, et enfin déformation de la surface par les tourbillons de poussière (© IPGP/Nicolas Sarter).

Les dust-devils d’Elysium, qui sont pour SEIS autant de micro-sources sismiques, ont cependant réservé une étonnante surprise aux scientifiques de la mission. Depuis maintenant plus d’un an, et alors même que la station météorologique et le sismomètre SEIS d’InSight ont permis d’en observer indirectement des milliers, aucun n’a pu être photographié par la sonde, notamment via la caméra ICC située sous le pont de l’atterrisseur.

Pour devenir visible, un tourbillon de poussière doit soulever une quantité suffisante de la poussière ocre et extrêmement fine qui recouvre la surface martienne. Or cette dernière est plus qu’abondante sur le site d’atterrissage, comme en témoigne le dépôt cuivré déposé sur le pont de la sonde, ainsi que sur les panneaux solaires. Dans ce cas, pourquoi aucun des derviches tourneurs atmosphériques martiens ayant frôlé la sonde sur la plaine d’Elysium n’a-t-il pu être observé visuellement ?

Pour lever le voile sur ce mystère, les scientifiques comptent notamment sur le magnétomètre (Fluxgate) qui équipe la station météorologique. Ce dernier est en effet capable de détecter l’effet triboélectrique (c'est-à-dire la production d’électricité statique) qui apparaît avec les frottements et frictions des particules de poussière entre elles, lorsque ces dernières sont aspirées et entrainées dans le vortex d’un dust devil.

Vue d'artiste du site d'atterrissage d'InSight sur la plaine d'Elysium, avec la structuren du sous-sol. Du haut vers le bas : revêtement induré (duricrust), régolithe et socle rocheux fracturé (© IPGP/Nicolas Sarter).Vue d'artiste du site d'atterrissage d'InSight sur la plaine d'Elysium, avec la structure du sous-sol. Du haut vers le bas : revêtement induré (duricrust), régolithe et socle rocheux fracturé (© IPGP/Nicolas Sarter).

Les premiers séismes martiens : La planète rouge est sismiquement active

Depuis sa mise en service en février 2019, SEIS a détecté environ 300 évènements, dont une dizaine de séismes de magnitude 3 à 4. Ce nombre de secousses, particulièrement important, est comparable à celui observé sur les zones terrestres non affectées par la tectonique de plaques (absente sur Mars), ou associées à des points chauds. Les données actuelles suggèrent que la planète rouge aurait une activité deux à trois fois plus faible que l’activité sismique intra-plaque terrestre, et 10 à 20 fois supérieure à celle de la Lune.

La classification des séismes martiens

Pour permettre leur étude, les séismes martiens ont été classés en deux populations principales : des séismes dit de basse fréquence (avec une énergie située majoritairement sous 1 Hz, c'est-à-dire une vibration par seconde), et des séismes de haute fréquence (avec un contenu énergétique supérieur à 1 Hz).

Les sismologues martiens pensent que cette répartition signe des phénomènes sismiques différents, en termes de sources, profondeur et trajectoires suivies par les ondes sismiques. Les séismes de basse fréquence (LF), assez rares et qui peuvent flirter avec la magnitude 4, viendraient de zones profondes (au moins 50 kilomètres sous la surface) et seraient situés à des distances relativement importantes d’InSight. L’origine profonde de ces secousses expliquerait l’absence d’ondes de surface, qui n’ont pour l’instant jamais été clairement observées par InSight.

De leur côté, les séismes de haute fréquence (HF), qui sont de loin les plus nombreux, et dont la magnitude est faible, seraient plus superficiels. Leurs signaux, très ténus et pauvres en information, empêchent tout positionnement, même partiel, sur la carte de Mars. Certains séismes de haute fréquence sont même si subtils qu’ils ne peuvent être détectés que par l’intermédiaire de l’amplification offerte par une étrange résonance spécifique située à 2.4 Hz.

Une résonance qui agit comme un amplificateur sismique

Très tôt dans la mission, les sismologues ont identifié sur les spectrogrammes une étrange excitation continue située à une fréquence de 2,4 Hz.

Présente quelque soit le moment de la journée, cette résonance ne semble pas reliée à l’activité météorologique, mais est stimulée par plus de la moitié des séismes haute fréquence. Contrairement à d’autres phénomènes centrés autour de 4 Hz et 6,5 Hz, elle ne semble pas non plus correspondre à la vibration de structures de l’atterrisseur sous l’effet des vents (comme les panneaux solaires), ou à certaines activités opérationnelles (comme les mouvements du bras robotique, ou la transmission de données radio vers les satellites relais en orbite martienne).

Pour l’instant, l’origine du signal (que les sismologues appellent un mode) à 2,4 Hz est inconnue. Les scientifiques pensent qu’elle est liée à la structure particulière des premiers kilomètres situés sous le site d’atterrissage, sans qu’il soit possible pour l’instant d’en dire plus. Seule certitude, en intensifiant ou en révélant certaines secousses sismiques très faibles ou qui seraient autrement invisibles, cette résonance agit comme un amplificateur sismique naturel. Si la planète Mars a l’habitude de mettre des bâtons dans les roues des explorateurs qui tentent de décrypter ses mystères, il arrive aussi parfois qu’elle facilite un peu les choses, de manière d’ailleurs souvent totalement inattendue.

Un taux de séismes qui ne cesse d’augmenter

Un second aspect intrigant des séismes de haute fréquence est que leur nombre est en augmentation constante depuis le début de la campagne d’observation. Si le sismomètre peinait à en déceler au début de sa mission, il enregistre aujourd’hui en moyenne deux secousses de ce type par jour, et cette valeur ne cesse de s’accentuer lentement mais inexorablement, sans que les sismologues sachent vraiment pourquoi.

Spectrogramme récapitulatif montrant l’augmentation des séismes martiens (principalement ceux de haute fréquence) depuis le début de la mission jusqu’à maintenant (© MQS/NASA InSight/SEIS Team).Spectrogramme récapitulatif montrant l’augmentation des séismes martiens (principalement ceux de haute fréquence) depuis le début de la mission jusqu’à maintenant (crédit : © MQS/NASA InSight/SEIS Team).

Des analyses ont montré que cette augmentation n’est pas un artefact de mesure, liée par exemple à un changement de comportement ou de paramétrage du sismomètre SEIS. Il est donc tout à fait possible que cette hausse soit d’origine naturelle. Elle pourrait par exemple être due à un phénomène périodique, impliquant un réchauffement saisonnier, ou la position occupée par Mars sur son orbite.

Une question de qualité

En plus de leur type (HF ou LF), les séismes se voient également attribuer une note (A, B, C ou D) selon leur qualité, définie comme un ensemble de paramètres auxquels les sismologues de la mission sont très attentifs. Il s’agit principalement du rapport signal sur bruit, qui doit être le plus élevé possible, mais également de la possibilité de déterminer de façon fiable la distance du séisme à la station, son azimut (sa direction par rapport au nord), et enfin sa magnitude. Inutile de chercher une équivalence terrestre : cette façon de procéder est spécifiquement martienne, les sismologues prenant de plus en plus conscience que les outils mis au point pour la Terre trouvent rapidement leurs limites sur la planète rouge.

Pour appartenir à la qualité A, un événement sismique donné doit présenter des phases (ondes P, ondes S) nettes et identifiables, ainsi que des informations claires de polarisation, qui permettent de préciser sa localisation. Quand la polarisation n’est pas déterminable mais que les phases sont lisibles, l’événement est assigné à la qualité B. Sa distance peut encore être déterminée, mais il n’est plus possible d’établir son azimut. Lorsqu’un signal est identifié de façon nette mais que les informations de phase ne peuvent être extraites, il se voit attribué la catégorie C. Enfin les événements très faibles ou ambigus sont rangés dans la catégorie D.

Pour les sismologues, les séismes de type A sont les plus intéressants, mais ils demeurent très rares, et à chaque fois que l’un d’entre eux est détecté, son arrivée est saluée de manière enthousiasme par les chercheurs travaillant sur SEIS. Pour l’instant, InSight en a identifié seulement deux, respectivement au cours des sols 173 (23 mai 2019) et 235 (26 juillet 2019).

L’événement du sol 128 : le premier séisme martien

Le séisme du sol 128, détecté le 7 avril 2019, a été le premier jamais enregistré sur la planète rouge, et d’une certaine manière, cette date marque d’une pierre blanche le jour de naissance de la séismologie martienne. Il est étonnant de constater que cette première secousse martienne a été observée presque 130 ans jour pour jour après l’enregistrement du premier sismogramme terrestre à Potsdam par Ernst von Rebeur-Paschwitz. Le 17 avril 1889, en début de soirée, le capteur horizontal d’un sismomètre installé en Allemagne avait réagit à l’arrivée d’un séisme de magnitude 5,8, qui avait secoué le Japon une heure plus tôt.

Située dans les hautes fréquences (HF), la secousse du sol 128 était très faible, et s’est vu attribuée une magnitude de seulement 2.1. Les signaux captés n’ont pas permis de distinguer le front d’arrivée des ondes P (qui frappent en premier les sismomètres) ainsi que l’arrivée plus tardive des ondes S (qui, voyageant moins vite dans les matériaux, occupent souvent la seconde position).

Pour détecter et analyser ce premier séisme martien (et la grande majorité des suivants), les sismologues n’ont pas travaillé sur les formes d’ondes, ces représentations qui expriment l’amplitude des secousses en fonction du temps, et qui rappellent un peu le tracé d’un électrocardiogramme. Les signaux reçus étant très subtils, ils ont opté pour une étude du contenu spectral, via des spectrogrammes colorés (qui montrent l’énergie d’un séisme sur toute sa durée en fonction des fréquences).

Spectrogrammes et formes d’ondes du premier séisme jamais enregistré sur Mars au cours du sol 128 (7 avril 2019) par les capteurs courte période (SP, en haut) et les capteurs très large bande (VBB, en bas) du sismomètre SEIS. Pour pouvoir être audible par l’oreille humaine, le signal a subi une sonification. De gauche à droite, il est possible d’entendre les vents qui balayent le site d’atterrissage, le séisme lui-même, et enfin les mouvements du bras robotique (NASA/JPL-Caltech/CNES/IPGP/Imperial College London).

Si l’origine du séisme 128 demeure pour l’instant inconnue, la profondeur du foyer sismique, d’où les ondes émanaient, serait supérieure à 5 kilomètres. Le séisme aurait pris son origine dans la croûte, sur un cercle situé à une distance de 530 kilomètres de l’atterrisseur InSight, la direction ne pouvant être déterminée.

L’événement du sol 173 : premières identifications d’ondes P et S, et première localisation

Le second séisme majeur enregistré par InSight a eu lieu au cours du sol 173. Jusqu’à ce jour, il s’agit de l’une des secousses les plus intéressantes jamais observées sur la planète rouge. Contrairement à l’événement du sol 128, la secousse du sol 173 appartenait à la population des séismes de basses fréquences (LF). Avec une magnitude de 3.6, ce séisme était également bien plus énergétique que celui du sol 128. Plus remarquable encore, il offrit pour la première fois aux sismologues la possibilité de pointer, sans ambiguïté les fronts (c'est-à-dire les temps d’arrivée) des ondes P et des ondes S sur les signaux.

Etant beaucoup plus riche en informations que le séisme du sol 128, l’enregistrement du sol 173 a permis de déterminer la position précise de l’épicentre. Cette mesure est particulièrement ardue lorsque l’on ne dispose sur une planète que d’une station unique (comme c’est le cas pour InSight), et que de surcroit, la vitesse à laquelle les ondes sismiques se déplacent dans les matériaux n’est pas encore connue avec précision. Comme si cela ne suffisait pas, l’étonnante absence d’ondes de surface (qui, comme leur nom l’indique, se propagent non pas en profondeur mais en surface,) et sur lesquelles les sismologues comptaient pour faciliter les localisations, augmente encore la difficulté d’un cran.

L’absence frustrante des ondes de surface

Pour lever les limitations inhérentes au déploiement d’une seule station sismique sur Mars, les sismologues espéraient beaucoup s’appuyer sur les ondes de surface. Pour pouvoir trianguler l’origine d’un séisme, trois instruments sont effectivement normalement requis au minimum. De façon à pouvoir identifier l’origine des tremblements de Mars, les sismologues d’InSight avaient donc mis au point une méthode consistant à écouter le passage répétée du front d’ondes de surface émis par un séisme, si celui-ci avait été assez puissant pour générer des vibrations capables de faire plusieurs fois le tour de la planète.

Pour l’instant, ces ondes de surface n’ont cependant pas été détectées. Pourquoi ? Les sismologues travaillant sur InSight avancent plusieurs hypothèses : les séismes observés jusqu’à ce jour pourraient être trop profonds, à moins que les ondes de surface ne soient affectées par la surface cratérisée et concassée de Mars. Si la seconde explication est la bonne, la détection d’impacts de météorites, qui génèrent d’abord et avant tout des ondes de surface lorsqu’ils frappent le sol en excavant un nouveau cratère, pourrait être plus compliquée que prévue.

Malgré tout, grâce à des traitements mathématiques sophistiqués, les planétologues sont parvenus à faire parler les signaux du séisme du sol 173, et à localiser le point d’origine de cette secousse sur une carte de Mars. Pour l’instant, tout semble indiquer que le 23 mai 2019, le sol s’est mis à trembler à 1600 kilomètres de la station InSight, et que les ondes sont arrivées depuis l’est, à partir d’une région baptisée Cerberus Fossae, sur laquelle les sismologues ont les yeux rivés depuis déjà fort longtemps.

Cerberus Fossae : la première zone sismique active jamais découverte sur Mars

Cerberus Fossae est un immense système de failles situé à l’est de la plaine d’Elysium où InSight s’est posé, et qui s’est probablement formé lors de la mise en place d’Elysium Mons, le second complexe volcanique de Mars en termes de taille après le dôme de Tharsis et son volcan géant Olympus Mons. Des analyses, effectuées grâce aux images fournies par les satellites orbitant autour de Mars, laissent penser que les failles de Cerberus Fossae seraient encore actives, et continueraient à jouer encore aujourd’hui. Ancien siège d’une activité volcanique, fluviale et éolienne (dont les plus récents témoignages datent de 10 à 2 millions d’années seulement), le champ de fractures de Cerberus a apparemment accumulé dans son histoire des nombreuses contraintes, dont certaines ne sont pas encore relâchées.

Vue d’artiste du secteur de Cerberus Fossae (© IPGP/Nicolas Sarter).Vue d’artiste du secteur de Cerberus Fossae. L’étude de cette région martienne, notamment depuis l’orbite martienne, a permis de dénombrer de nombreuses chutes de pierre le long des versants abrupts des failles. La déstabilisation des pentes pourraient être dues à des secousses sismiques (© IPGP/Nicolas Sarter).
L’événement du sol 235 : première détection d’une réplique

Coïncidence ou pas, le troisième séisme majeur mis en évidence par SEIS au cours du sol 235 (26 juillet 2019) est lui aussi situé dans le secteur de Cerberus. Les épicentres des séismes des sols 173 et 235 ne sont en fait séparés que par 450 kilomètres environ.

Classé parmi les séismes de basse fréquence de qualité A, l’événement du sol 235 est particulièrement notable par le fait qu’il fut accompagné d’une réplique, la première jamais détectée sur Mars. 35 minutes après le séisme principal, SEIS enregistra une vague d’ondes secondaires venant de la même direction, et qui suivait le séisme principal comme son ombre.

La première réplique jamais détectée sur Mars a eu lieu au cours du sol 235 (26 juillet 2019) (© IPGP/NASA InSight/SEIS Team).La première réplique jamais détectée sur Mars a eu lieu au cours du sol 235 (26 juillet 2019) (© IPGP/NASA InSight/SEIS Team).

La première carte de sismicité

En plus des événements des sols 173 et 235, dont la source a été positionnée dans le secteur de Cerberus Fossae, un autre séisme de basse fréquence, détecté au cours du sol 183, a pu être approximativement localisé sur la mappemonde de Mars. Son épicentre serait situé à proximité d’une énigmatique structure elliptique, cratère d’impact ou ancien volcan, appelée Orcus Patera.

En terme de positionnement, c’est cependant à peu près tout, et pour les quelques centaines d’autres événements identifiés par SEIS (surtout haute fréquence), seule la distance par rapport à InSight a pu être déterminée, parfois avec difficulté. La direction par rapport au nord ne pouvant être calculée, les sismologues ont placé ces événements sur des cercles centrés sur la station InSight, et dont la circonférence est plus ou moins éloignée (les plus lointains seraient situés à 3000 voire 4000 kilomètres de distance). Si cette cartographie peut s’avérer frustrante, elle permet néanmoins de commencer à relier certains secteurs sismiques avec de possibles structures tectoniques existantes à la surface de la planète rouge.

Première carte globale de séismicité pour la planète Mars (© NASA/InSight SEIS team).Première carte globale de sismicité pour la planète Mars. La très grande majorité des séismes martiens ne peuvent pour l’instant pas être localisés précisément. Seule la distance à la station de mesure, InSight, peut être déterminée, tandis que l’orientation par rapport aux points cardinaux demeure inconnue, d’où une répartition approximative sur des cercles (© IPGP/NASA InSight/SEIS team).
Caractéristiques de la croûte supérieure martienne

Grâce aux quelques séismes les plus importants détectés jusqu’à présent et présentés ci-dessus, les sismologues d’InSight ont pu déterminer les valeurs de l’atténuation et de la diffraction (ou diffusion) des ondes sismiques lors de leur traversée de la croûte martienne, et identifier la présence d’une discontinuité majeure.

Diffusion et atténuation des ondes sismiques

Assez rapidement, dès la réception des premiers signaux, SEIS a montré que la croûte martienne réverbérait de façon plutôt intense les ondes sismiques, un comportement qui n’est hélas pas à l’avantage des sismologues. Concassée par le mitraillage d’une quantité invraisemblable d’impacts sur des milliards d’années, la croûte de la planète rouge réfléchit et disperse en effet les ondes dans toutes les directions. A son niveau, et pour les vibrations sismiques, les fractures et fragments de toutes tailles se comportent comme autant de miroirs, avec comme désagréable résultat de brouiller considérablement les signaux reçus par le sismomètre.

Dans un milieu homogène (par exemple le socle cristallin qui forme sur Terre les chaînes de montagne), les ondes sismiques se propagent de manière plutôt disciplinée. Lorsqu’un séisme survient, les signaux collectés par un sismomètre sont très clairs, et les fronts d’onde arrivent dans le bon ordre sur les stations d’écoute, sur des périodes de temps généralement très courtes. Pour un sismomètre, l’ensemble a la netteté cristalline et limpide du son d’une cloche annonçant midi dans un petit village tranquille de province en France.

Au contraire, dans un milieu où le phénomène physique de diffraction est important, chaque séisme prend la forme d’une véritable cacophonie. Certains trains d’ondes sont considérablement retardés par toutes les réverbérations, et le signal lié aux secousses se dilue alors dans le temps, tout en devenant beaucoup plus difficile à décrypter. Ainsi, il peut devenir impossible d’identifier le temps d’arrivée des ondes P et S via leur polarisation. De ce point de vue, la planète Mars, tout comme la Lune avant elle, pose de nombreux challenges aux sismologues.

En ce qui concerne l’atténuation, c'est-à-dire la lente mais inexorable perte d’énergie que les ondes sismiques subissent le long de la trajectoire où elles se propagent, les données fournies par SEIS montrent qu’elle est trois à quatre fois inférieure à celle de notre satellite la Lune, ce qui pourrait s’expliquer par un niveau d’hydratation crustale plus élevé.

Stratification de la croûte supérieure martienne

Les séismes martiens les plus puissants ont également permis de réaliser une première analyse de la structure de la croûte. En s’appuyant sur la méthode dite des fonctions récepteur, qui permet d’identifier la conversion d’ondes sismiques lorsque ces dernières rencontrent des discontinuités (par exemple conversion d’ondes P en ondes S), il est possible d’effectuer un sondage sismique.

Grâce à cette technique, une strate d’une épaisseur de 8 à 11 km, et constituée de matériaux volcaniques très altérés ou fracturés, a été détectée dans la croute martienne. A son niveau, certaines ondes sismiques seraient ralenties d’environ 50 %. Plus en profondeur se trouverait une couche plus homogène et cohérente, qui pourrait descendre jusqu’à la limite de Mohorovičić (ou Moho en abrégé), une discontinuité marquant le début du manteau, qui n’a cependant pas encore été détecté.

Vers l’intérieur de Mars

Si la croûte martienne commence à livrer ses secrets, l’objectif ultime d’InSight est de lever le voile sur la structure interne de la planète entière. Or la relativement grande quantité de séismes martiens mis en évidence jusqu’à présent n’est cependant pas une garantie de pouvoir illuminer l’intérieur de Mars, et d’« éclairer » le manteau et le noyau.

La grande majorité des tremblements qui secouent la surface martienne sont effectivement de très faible intensité, tandis que les séismes significatifs, d’une magnitude supérieure à 4, sont manifestement plus rares que prévu. De ce point de vue, la sismicité de Mars est bien différente de celle de la Terre. La détermination de la structure interne martienne pourrait donc être plus longue et délicate que prévue.

Les premiers résultats fournis par le sismomètre SEIS durant sa première année d’opérations sur Mars sont cependant très encourageants, et les données, rendues publiques au fur et à mesure, sont intensivement étudiés par de nombreuses équipes internationales. Discipline très jeune, la sismologie martienne stimule d’ores et déjà de nouveaux axes de recherche, et dans les laboratoires, les projets d’investigation se multiplient dans toutes les directions.

Tout en analysant d’arrache pied l’abondant jeu de données fourni par SEIS, les sismologues planétaires attendent également désormais le premier grand séisme martien : celui qui frôlera ou dépassera la magnitude 4.5, et qui nous montrera enfin de quoi est fait le cœur de Mars.

Publications Nature Geosciences :

Philippe Labrot, dernière mise à jour : 25 février 2020.

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