logo seis

L'étude sismique de la planète Mars

Peut-on étudier des séismes avec un seul sismomètre ?

Par définition, la sismologie est une science de réseau. Aujourd'hui, notre planète est enserrée par un maillage de plus de 20 000 sismomètres, qui forme une gigantesque toile d'araignée autour du Globe et permet de localiser et de caractériser presque instantanément un séisme, quelques soient sa taille et son origine. Massivement interconnecté, ce réseau offre aux scientifiques un accès direct aux données, et facilite considérablement les interactions entre les géophysiciens du monde entier.

Quelques-unes des grandes découvertes de la sismologie ont été effectuées avec un petit nombre de stations. Ainsi, la découverte du noyau métallique terrestre par Oldham en 1906 a nécessité seulement 14 tremblements de Terre, dont les secousses ont été recueillies par quelques dizaines de stations d'écoute. Pourtant, la mise en place d'un réseau de stations est un impératif en sismologie. L'une des règles de base stipule par exemple que pour pouvoir localiser un séisme (profondeur et épicentre), il faut disposer d'au moins trois sismomètres, de manière à être capable effectuer une triangulation.

Principe de la triangulation pour localiser l'épicentre d'un séisme (© IPGP/David Ducros).Principe de la triangulation pour localiser l'épicentre d'un séisme (© IPGP/David Ducros).

Les premiers projets de sismologie planétaire, sur la Lune ou sur Mars, mettaient donc en oeuvre des réseaux de stations. Grâce aux instruments déposés sur la Lune lors des missions Apollo, les géophysiciens ont pu disposer d'un mini-réseau de cinq stations (les sismomètres déposés lors des missions Apollo 12, Apollo 14, Apollo 15 et Apollo 16, plus le gravimètre d'Apollo 17). Après la Lune, la première tentative pour atteindre le centre de la planète Mars a eu lieu en 1976, avec la mission Viking. L'expérience de sismologie s'appuyait sur deux sismomètres, un pour chaque atterrisseur, mais n'a pas donné les résultats escomptés.

Les projets martiens post-viking étaient particuliers ambitieux par rapport au nombre de stations à envoyer au sol : MESUR comportait ainsi 16 sismomètres, et Netlander projetait d'en embarquer encore quatre. En 1996, Mars 96 décolla avec deux sismomètres, mais ne put quitter l'orbite terrestre. Le fait que l'atterrisseur InSight n'embarque qu'un sismomètre montre parfaitement l'abîme qui sépare les désirs des scientifiques, qui souhaitent déployer le plus grand nombre de stations d'écoute, et les limites implacables de la réalité.

Sismologie à une seule station

Détection du noyau par propagations directe des ondes sismiques (© droits réservés)Détection du noyau par propagations directe des ondes sismiques. ¨Notez que sur l'illustration du bas, au niveau du noyau externe liquide, les ondes S se convertissent en ondes P (© droits réservés).Malgré le fait que le sismomètre SEIS soit un bijou de technologie ultra-sensible, capable de mesurer des déplacements du sol inférieur à la dimension d'un atome, il est légitime de s'interroger sur les limitations qui vont s'exercer sur l'instrument, en raison de son isolement à la surface de Mars.

En fonctionnant de manière solitaire, sans l'aide de compagnons, SEIS pourra-t-il vraiment faire avancer de manière significative notre compréhension des profondeurs de Mars, et des processus qui se déroulent dans son intérieur ?

Aussi étonnant que cela puisse paraître, les scientifiques et ingénieurs derrière SEIS ont tout mis en oeuvre pour récupérer le plus grand nombre de données. Grâce à plusieurs astuces, qui tirent parti des spécificités de la planète Mars ainsi que des traitements informatiques sophistiquées qui seront appliquées sur les signaux, la grande majorité des limitations inhérentes à un fonctionnement solitaire, hors réseau, seront levées.

Activité sismique

Comme nous l'avons vu dans le dossier précédent, la planète Mars ne semble pas être un astre avantageux pour les études sismiques. Sur Terre, la très grande majorité des séismes sont liés à la tectonique des plaques. Or ce phénomène est absent sur Mars, et l'on peut donc s'attendre à ce que Mars soit touchée par une activité sismique environ 100 fois plus faible que l'activité terrestre. En conséquence, les séismes martiens seront moins intenses et bien moins nombreux que les tremblements de terre. Or, pour pouvoir percer les secrets de l'intérieur de Mars, l'idéal serait de pouvoir compter sur une multitude de séismes libérant une grande énergie.

En étant optimiste, les géophysiciens s'attendent à pouvoir observer, sur une année martienne, soit deux années terrestres, quelques séismes de magnitude 5 à 6. En comparaison, sur une période comparable, la Terre connaît environ 1500 séismes de magnitude 5 par année terrestre.

D'un autre côté, la planète Mars est bien plus silencieuse que la Terre : l'activité humaine y est bien évidemment nulle, et le bruit généré sur Terre par le ressac des océans est inexistant. La circulation atmosphérique peut certes poser un problème, mais en l'absence de végétation, aucun arbre ne vient conduire dans le sol les murmures du vent. Ce silence est une aubaine quand il s'agit d'écouter des séismes de faible intensité, à condition bien sûr d'avoir à sa disposition un instrument suffisamment sensible, ce qui est le cas de SEIS.

Localisation et magnitude d'un séisme

Admettons maintenant qu'un séisme se produise sur Mars, et que l'on souhaite le localiser avec la seule station d'écoute disponible en surface, SEIS. Comment pourrions-nous procéder ?

La distance entre l'épicentre, le point de la surface situé à l'aplomb de la zone d'origine du séisme (que l'on appelle le foyer), et la station réceptrice, c'est à dire InSight, peut facilement être calculée en mesurant la différence entre le temps d'arrivé des ondes P (qui parviennent en premier au sismomètre) et le temps d'arrivé des ondes S (qui arrivent en second). L'erreur n'est ici que de 10 % environ.

Pour localiser l'épicentre, outre la distance à la station, il faut également déterminer sa direction, c'est à dire son azimut. La direction dans laquelle les ondes sismiques arrivent peut-être déterminée grâce au fait que le sismomètre SEIS mesure les signaux sismiques dans les trois directions de l'espace. Grâce à l'étude des données relatives au plan horizontal fournies par les axes du sismomètre, la direction pourra être connue avec une incertitude d'environ 10°.

Enfin, la magnitude du séisme, qui mesure la quantité d'énergie qu'il a libéré, peut-être calculée en mesurant l'amplitude des mouvements du sol, et en tenant compte de la distance entre la source du séisme et le sismomètre, sachant que lorsqu'elles voyagent à l'intérieur de la planète ou en suivant la surface, les ondes sismiques finissent toujours par subir une atténuation.

Même s'il sera difficile de localiser de petits séismes, SEIS fournira quand même des données qui permettront d'assigner une secousse à une région particulière de Mars, et de permettre ainsi la corrélation avec les structures géologiques visibles en surface (failles, volcans), ainsi que les caractéristiques géophysiques à plus grande échelle.

Un petit tour et puis s'en va

Pour localiser les séismes assez importants, InSight dispose d'autres atouts dans sa paire de manches. La taille de Mars, deux fois plus petite que celle de la Terre, offre un avantage pour l'observation des séismes. La circonférence de Mars étant plus faible, les ondes sismiques ont effectivement moins de chemin à parcourir depuis le point d'émission, c'est à dire le foyer du séisme, jusqu'au récepteur. Les distances de propagation étant plus courtes, l'atténuation est moindre, car la déperdition d'énergie est plus basse.

Mesure des ondes de surface (Rayleigh) R1, R2 et R3 (© droits réservés)Circulation des ondes de surface (Rayleigh) R1, R2 et R3 (© droits réservés).Si la secousse possède une énergie suffisante (à partir d'une magnitude de 4,5), les ondes de surface peuvent même passer plusieurs fois sur le site d'atterrissage d'InSight avant de s'évanouir définitivement, suite à leur atténuation. Sur Terre, des séismes d'une magnitude au moins égale à 6 sont nécessaires pour qu'un tel phénomène soit observable, soit une différence d'environ un ordre de grandeur. Dit autrement, sur Terre, un séisme doit dégager une énergie plus de 40 fois plus forte que sur Mars pour pouvoir générer des ondes de surface capable de faire un tour complet de la planète.

L'illustration ci-contre montre la propagation des ondes de surface dans le cas d'un séisme martien. Les ondes de surface qui circulent du séisme vers l'atterrisseur InSight, et qui sont les premières à atteindre le sismomètre, sont appelées R1. Celles qui voyagent dans l'autre sens, et qui ont un parcours plus important à réaliser en surface avant de toucher l'atterrisseur, arrivent en seconde position, et sont nommées R2. Enfin, si le séisme possède une énergie suffisante (magnitude égale ou supérieure à 4,5), les ondes R1 sont capables, après le premier passage au niveau de la station, de faire un tour complet de la planète, pour repasser une seconde fois au niveau de l'atterrisseur. Ce sont les ondes R3.

Dans un tel cas de figure, la distance séparant la sonde InSight de la source du séisme, l'heure origine de ce dernier, et la vitesse moyenne à laquelle se propagent les ondes à la surface de la planète, peuvent être estimées en combinant les temps d'arrivée des ondes R1, R2 et R3. Comme précédemment, l'azimut (la direction du séisme) est estimé par l'étude des signaux enregistrés par les axes du sismomètre sur le plan horizontal. Les séismes de magnitude égale ou supérieure à 4,5 sont des événements relativement rares sur Mars, mais les géophysiciens estiment que sur la durée de la mission (une année martienne, soit deux années terrestres), il devrait être possible d'en observer entre 3 et 5 environ.

Il est important de noter que l'efficacité des techniques qui seront mises en oeuvre pour InSight a été validée sur Terre avec des données provenant de stations uniques. Ces dernières ont permis de retrouver l'un des modèles de structure interne de la Terre couramment utilisés par les géophysiciens (PREM) avec des barres d'erreur acceptables.

Il existe cependant des inconnues, et la validité de la technique résumée ci-dessus ne pourra pas être confirmée avant qu'InSight ne soit sur Mars. La planète rouge pourrait aussi nous réserver quelques petites surprises. Sur la Lune, les géophysiciens ont ainsi découvert avec étonnement que la croûte lunaire diffractait énormément les ondes sismiques, empêchant l'existence d'ondes de surface. La croûte martienne ayant été, comme la croûte lunaire, exposée à un bombardement très important d'astéroïdes au début de la formation du système solaire, sa nature pulvérisée et les nombreux cratères, présents notamment dans l'hémisphère Sud de la planète, pourraient aussi diffracter les ondes sismiques, compliquant alors fortement les analyses. L'effet est cependant heureusement moindre sur les basses fréquences auxquelles sont sensibles les sismomètres à très large bande comme SEIS.

Origine des séismes martiens

Trois scénarios possibles pour la localisation des séismes martiens : de gauche à droite répartition homogène sur le globe martien, regroupement sur les provinces volcaniques de Tharsis et Elysium, et enfin répartition hétérogène (© droits réservés) Trois scénarios possibles pour la localisation des séismes martiens : de gauche à droite répartition homogène sur le globe martien, regroupement sur les provinces volcaniques de Tharsis et Elysium, et enfin répartition hétérogène (© Knapmeyer, 2006).

Outre les séismes proprement dit, d'autres sources d'ondes sismiques viendront aider le sismomètre SEIS dans sa démarche d'investigation des profondeurs de la planète rouge. Que ce soit sur Terre ou sur Mars, ces planètes sont encore aujourd'hui exposées à un flux de météorites, qui proviennent pour la plupart de la ceinture d'astéroïdes. L'étude d'images à haute résolution de la surface martienne, fournies par les sondes Mars Global Surveyor et maintenant Mars Reconnaissance Orbiter, a permis de repérer plusieurs cratères d'impact très récents, causés par la chute de météorites de tailles diverses. Avec un peu de chance, quelques impacts généreront un front d'ondes sismiques suffisamment puissant pour venir éclairer l'intérieur de la planète.

Il est également possible, bien que peu probable, que des événements volcaniques puissent donner naissance à une activité sismique. Même si certaines régions de Mars étaient encore volcaniquement actives il y a tout juste 10 millions d'années, aucune éruption ou manifestation hydrothermale n'a jamais été détectée en surface. Pourtant, il est possible qu'en profondeur, une activité magmatique subsiste, et que des magmas continuent de se déplacer dans des boyaux ou des chambres souterraines.

Comme nous le verrons plus loin, la circulation continuelle de l'atmosphère autour du globe martien finit par faire entrer ce dernier en résonance. Le murmure sismique provoqué de cette manière, que les géophysiciens nomment "hum", est très subtil, tout en étant audible par des instruments sensibles aux très basses fréquences comme SEIS. L'étude de ces modes propres (voir ci-dessous) offrira des perspectives très intéressantes pour l'étude du manteau de Mars.

Mars est accompagnée dans sa course autour du Soleil par deux satellites, Phobos et Deimos. S'ils sont bien plus petits que notre lune, ils sont néanmoins liées de manière gravitationnelle à Mars, et attirent la planète rouge à eux, certes de façon très discrète. Phobos, le satellite le plus volumineux et le plus proche de la surface, provoque des déformations du sol qui sont mesurables par le sismomètre SEIS. L'étude de ces forces de marées, qui s'exercent ici non pas sur des étendues d'eau, mais sur des corps rocheux, pourrait fournir des informations critiques sur le noyau de Mars.

Pour terminer ce tour d'horizon des phénomènes sur lesquels InSight pourra s'appuyer pour réaliser sa mission, notons les interactions entre la surface et l'atmosphère. Au niveau du site d'atterrissage, l'activité éolienne va produire un bruit micro-sismique qui va perturber les signaux collectés par le sismomètre, mais que les géophysiciens, qui sont décidément plein de ressources, pourront néanmoins exploiter pour sonder les premières centaines de mètres sous la surface.

Enfin, si l'expérimentation SEIS est par nature passive, c'est à dire que les ondes sismiques nécessaires à l'étude des profondeurs de Mars sont générées par des phénomènes naturels, sans intervention de l'homme, des mesures actives seront toutefois réalisées durant la pénétration de la foreuse de l'instrument HP3 dans le sol. Les secousses provoquées par l'avancée saccadée du pénétrateur pourraient effectivement aider SEIS à déterminer ce qui se cache à proximité des pieds même de l'atterrisseur.

Bien entendu, ces mesures actives seront un cran en dessous de celles que l'on réalise sur Terre en utilisant des camions vibreurs en milieu terrestre ou des canons à air en milieu marin. Elles ne pourront pas non plus se comparer à celles effectuées sur la Lune lors du crash contrôlé d'étages de fusées ou de modules lunaires. Cependant, dans le spatial, rien ne se perd, et la moindre occasion est mise à profit par les scientifiques pour acquérir des données supplémentaires. C'est pourquoi les vibrations générées par le fonctionnement de l'instrument HP3 joueront elles aussi un rôle, ténu mais non négligeable, dans la détermination de la structure de surface de la planète rouge.

Etude de la croûte : dispersion des ondes de surface et fonction récepteur

L'un des objectifs majeurs d'InSight est de mesurer l'épaisseur de la croûte martienne, et d'identifier la présence de discontinuités, c'est à dire l'existence de couches présentant des différences de composition et de structure (strates de lave, lentilles de glace, etc.), qui influenceront la vitesse de propagation des ondes sismiques.

Pour atteindre cet objectif, les géophysiciens disposent de plusieurs outils. L'étude de la réflexion des ondes sismiques au sein de la croûte sera particulièrement utile, tout comme les techniques d'analyse de la dispersion des ondes de surface, ou celles dites de fonction récepteur.

La technique d'analyse de la dispersion des ondes de surface est un outil assez puissant pour sonder la croûte d'une planète. Lorsqu'un paquet d'ondes sismiques progresse au sein de l'écorce, suite à un séisme, les ondes de basse fréquence avancent plus vite, et échantillonnent des profondeurs plus importantes. À l'inverse, les ondes de plus haute fréquence voyagent moins vite, et tendent à rester un peu plus groupées en surface.

En analysant cette variation des vitesses de propagation des ondes en fonction de leur fréquence - appelée phénomène de "dispersion" -, les géophysiciens peuvent ainsi obtenir de nombreuses informations significatives sur la structure de la croûte rocheuse superficielle d'une planète, voire du manteau sous-jacent si des basses fréquences sont mesurables. Cette technique est particulièrement sensible aux changements d'épaisseur. Ainsi, une variation d'épaisseur de seulement 10 % au niveau de la croûte induit des changements de 5% dans les différents groupes de vitesse.

La technique dite de "fonction récepteur" permet quant à elle d'augmenter le rapport signal sur bruit en étudiant les échos présents dans les signaux sismiques. Il s'agit surtout d'identifier des ondes ayant subies des conversions (par exemple, conversion d'une onde P en onde S) au passage des interfaces. Ces ondes généralement peu énergétiques nécessitent des sommations des signaux pour les faire sortir du bruit de fond, et pouvoir les visualiser.

Les impacts de météorites, et les déformations de la surface causées par les perturbations atmosphériques fourniront également des informations importantes sur la croûte martienne.

Etude du manteau

Le manteau martien, en particulier le manteau supérieur, jusqu'à une profondeur d'environ 600 kilomètres, sera sondé grâce aux ondes sismiques de volume, capables de traverser la planète (ondes P et ondes S). La technique d'analyse par dispersion des ondes de surface vue précédemment pourrait aussi se révéler utile.

Les oscillations lentes et naturelles de la planète Mars, que les géophysiciens appellent les modes propres, seront aussi mises à profit. La planète Mars, comme la Terre, peut effectivement se mettre à résonner comme une cloche si elle est excitée par un séisme important, ou plus subtilement, par la circulation continuelle de l'atmosphère. Les géophysiciens peuvent dégager, à partir des modes propres, tout un tas d'informations pertinentes sur la structure et la composition du manteau. L'un des grands avantages des modes propres est que la connaissance de la localisation de la source des ondes sismiques n'est pas nécessaire. Seuls des instruments à très large bande, comme le sismomètre SEIS, possèdent cependant la capacité d'entendre le murmure à très basse fréquence des modes propres.

Les séismes capables d'exciter les modes propres de Mars et de faire résonner la planète seront relativement rares. Leur magnitude devra au moins être égale à 5,5. Sur la durée de la mission d'InSight, une ou deux secousses de ce type sont attendues, ce qui est peu. L'avantage, c'est que l'énergie transmise ici à la planète sera assez forte pour faire sortir les oscillations du bruit de fond de l'appareil.

Au contraire des grands séismes, l'excitation des modes propres provoquée par la turbulence atmosphérique est continue dans le temps. Cependant, en termes de contenu énergétique, elle se situe en dessous du seuil de détection du sismomètre SEIS. Un cumul des données effectué sur au moins plusieurs mois d'observation sera alors nécessaire pour pouvoir bénéficier de l'excitation atmosphérique, et pouvoir regarder à l'intérieur de la fenêtre que ce phénomène très subtil ouvre sur les profondeurs de la planète rouge.

Etude du noyau

Trois modèles de noyau pour la planète Mars (© droits réservés)Trois modèles de noyau pour la planète Mars. De gauche à droite : noyau externe liquide et graine solide, noyau liquide de grand diamètre et noyau liquide de petit diamètre (© droits réservés).Bien qu'étant situé au centre de la planète, à des profondeurs très importantes, le noyau de Mars reste quand même à portée du sismomètre SEIS d'InSight.

Son étude est effectivement possible par le suivi des ondes sismiques qui se propageront à l'intérieur du globe martien (les ondes de volume), et qui viendront se réfléchir à la surface du noyau, comme dans un miroir, pour repartir ensuite vers le haut.

L'étude fine de la rotation de Mars par l'expérience de géodésie RISE permettra également d'identifier l'état, liquide ou solide, dans lequel se trouve le noyau, et d'estimer sa taille. Sur ces deux aspects, les marées du satellite Phobos serviront de confirmation.

Dernière mise à jour : 27 février 2018

logo IPGP bottom
 

Realized by IPGP

Contact : P. Labrot

 

 NASA JPL - Oxford University - Imperial College London - CNES - ISAE - MPS - IPGP - ETH