Quasi-tectonique des plaques sur Encelade, volcans actifs et pluies de méthane sur Titan...

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

25/02/2009

Résumé

Les résultats de la mission Cassini-Huygens entre avril 2008 et février 2009 : Encelade, Titan, Téthys, Saturne et ses anneaux.


Nous n'avons pas fait le point sur ce qu'a trouvé Cassini autour de Saturne depuis avril 2008.

Il est temps de résumer les nouvelles données obtenues, les nouveaux résultats tirés de données anciennes et les nouvelles questions posées par ces données. Cassini continue d'orbiter autour de Saturne et fonctionne encore très bien. Tout en continuant à étudier Saturne et ses anneaux, Cassini a étudié « de près » Titan et Encelade, ainsi que Téthys mais à moyenne distance. Les résultats publiés depuis avril 2008 sont « époustouflants ».

Encelade

Encelade est le plus étonnant des satellites de Saturne. Il est « tout petit » avec un rayon de 252 km. Malgré cela, Encelade a une activité « délirante ». Un faible pourcentage de sa surface (principalement situé dans l'hémisphère Nord) est constitué de terrains cratérisés, donc « anciens ». La majorité des terrains, appelés « terrains fracturés », ne contient que de rares cratères d'impact ; ce sont donc des terrains « jeunes ». Près du pôle Sud, une zone circulaire centrée sur le pôle et s'étendant approximativement à l'intérieur du parallèle –60° lat. Sud est occupée par des terrains sans aucun cratère d'impact (donc extrêmement jeunes) : c'est la zone des « rayures de tigre ». Ces rayures de tigres correspondent à des fractures (nommées sulcus ) par où s'échappent des jets de vapeurs d'eau riche en matière organique. Cette zone des rayures de tigre est ceinturée d'une chaîne de montagnes dites « circumpolaires ».

Figure 1. Les 3 types de terrains d'Encelade : les vieux terrains cratérisés, les terrains fracturés récents, et la zone des rayures de tigre, extrêmement jeune

Les 3 types de terrains d'Encelade : les vieux terrains cratérisés, les terrains fracturés récents, et la zone des rayures de tigre, extrêmement jeune

Cette zone des rayures de tigre est centrée sur le pôle Sud (croix blanche), et est ceinturée d'une chaîne de montagnes circumpolaires.


Figure 2. Panaches « volcaniques » s'échappant du pôle Sud d'Enccelade

Panaches « volcaniques » s'échappant du pôle Sud d'Enccelade

Les panaches ne sont bien visibles que grâce à la diffusion de la lumière par les fines particules d'eau (de glace) quand la photo est prise à contre-jour.


Cette région du pôle Sud, ses rayures de tigre et les montagnes circumpolaires ont été le but principal des trois survols rapprochés des 11 août, 9 et 31 octobre 2008. Une mosaïque de toutes les images couvrant la région du pôle Sud a été publiée par la NASA. De plus, des images à très haute résolution des rayures de tigre et des terrains s'étendant entre elles ont été obtenues.

Figure 3. Mosaïque générale de la région du pôle Sud (croix blanche) d'Encelade

Mosaïque générale de la région du pôle Sud (croix blanche) d'Encelade

Les chiffres au centre des 4 côtés de l'image indiquent la positions des 4 méridiens « cardinaux ». Les longitudes sont indiquées à gauche. On voit très bien la chaîne de montagnes circumpolaires, centrée sur le pôle Sud, approximativement située à la latitude –55°, ainsi que les rayures de tigre, d'orientation approximative 225° / 45°. Les 4 principales rayures de tigre sont nommées respectivement Damas, Bagdad, le Caire et Alexandrie (initiales sur l'image). L'espacement entre ces 4 rayures de tigre est d'approximativement 40 km.


Figure 4. Gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Bagdad, Encelade

Gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Bagdad, Encelade

Largeur de l'image : 30 km.

La région cerclée de blanc correspond à l'un des points de sortie du volcanisme (d'H2O). Le panache, très ténu, est invisible dans ces conditions d'éclairement et de prise de vue.


Figure 5. Gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Damas, Encelade

Gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Damas, Encelade

Largeur de l'image : 30 km.

Les deux cercles blancs correspondent à deux des points de sortie du volcanisme (d'H2O). Les panaches, très ténus, sont invisibles dans ces conditions d'éclairement et de prise de vue.


Figure 6. Très gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Le Caire, Encelade

Très gros plan sur le sulcus (rayure de tigre) Le Caire, Encelade

Largeur de l'image : 18 km.

Ce sulcus, comme les 4 principaux, correspond à une dépressions en V, d'environ 1 km de large et 300 m de profondeur. Ces parois sont tapissées de gros blocs de la taille d'une maison.


En étudiant en détail les 4 principales rayures de tigre (ainsi que d'autres moins importantes), les géologues de la NASA se sont permis des comparaisons entre ces rayures de tigre et des dorsales océaniques avec rift.

Il ont ainsi interprété certaines structures comme des failles transformantes, d'autres comme des OSC ( Overlapping –ou Offset- Spreading Center ), deux structures classiques segmentant les dorsales (bien que les OSC ne soient pas au programme des lycées).

Interprétant donc les rayures de tigre comme des zones d'accrétion de lithosphère (de glace), les géologues de la NASA ont même « osé » faire des reconstitutions. Ils ont « enlevé » 73 km accrétés de part et d'autre de rayures, et ont reconstitué la région avant l'accrétion de ces 73 km.

Figure 9. Essai de reconstitution en enlevant 73 km de lithosphère qui se serait accrété au niveau de 3 rayures de tigre, Encelade

Essai de reconstitution en enlevant 73 km de lithosphère qui se serait accrété au niveau de 3 rayures de tigre, Encelade

Ces 73 km de lithosphère correspondraient aux segments AA' et BB'.


La chaîne de montagnes circumpolaires correspondrait, elle, à une zone plissée. Le raccourcissement s'y étant produit correspondant à l'accrétion au niveau des rayures de tigre (ou vice-versa). La NASA n'a pas pensé (ou pas osé) faire une comparaison « morphologique » entre cette chaîne circumpolaire d'Encelade et des chaînes de convergence terrestres. Voici un telle comparaison, à qui il ne faut pas faire dire plus qu'une ressemblance morphologique.

Figure 10. Gros plan sur un fragment de la chaîne de montagnes circumpolaires, Encelade

Gros plan sur un fragment de la chaîne de montagnes circumpolaires, Encelade

Il s'agit d'une zone plissée située par 315° long. et –55° lat. Sud. Les 2/3 en bas à gauche de l'image sont constitués de « terrains fracturés » avec quelques (2 gros et un petit) cratères d'impact. Le 1/3 en haut à droite correspond à la périphérie de la zone des rayures de tigre, sans aucun cratère d'impact visible. L'image mesure 150 km.


Figure 11. Image satellite des montagnes pakistanaises dont la morphologie, à comparer aux montagnes circumpolaires d'Encelade

Image satellite des montagnes pakistanaises dont la morphologie, à comparer aux montagnes circumpolaires d'Encelade

En bas à droite, la petite photo du « sous-continent » indien montre la localisation des montagnes pakistanaises (en haut au centre de l'image).


Il ne « reste plus qu'à » comprendre les modalités de cette activité tectono-magmatique, les causes de cette activité géologique extraordinaire, la source d'énergie la permettant... Une synthèse/discussion des différentes hypothèses est proposée dans le n° 316 (février 2009) de la revue « Pour La Science ».

Il y a une relative unanimité pour rechercher la source d'énergie dans les déformations dues aux marées. De nombreux modèles font intervenir la résonance 2/1 avec Dione et des variations périodiques de l'ellipticité de l'orbite d'Encelade. Par contre, de très nombreuses variantes proposent diverses modalités dans les frictions internes provoquées par ces marées d'amplitude variable. La majorité de ces variantes localise les déformations dans des niveaux particuliers très déformables (fractures, ou niveau(x) de glace ductile), et implique la présence locale d'une couche d'eau liquide. Cette couche d'eau liquide serait localisée sous le pôle Sud, là où l'épaisseur de la glace ductile serait la plus forte. Dans cette épaisse zone de glace ductile, une convection engendrerait l'extension (au centre) et la compression (en périphérie). De l'eau liquide profiterait de fractures pour atteindre la surface.

Figure 12. Synthèse (hypothétique) des différents modèles de structure interne et d'activité d'Encelade

Synthèse (hypothétique) des différents modèles de structure interne et d'activité d'Encelade

La masse volumique d'Encelade ( 1,6 g/cm3) implique qu'environ 60% de la masse d'Encelade est constituée de roches (+ de fer), et 40% d'H2O riche en matière organique (et peut-être en ammoniaque). La couche superficielle d'H2O serait divisée en 3 niveaux d'épaisseur variable (et difficilement chiffrable). La zone la plus chaude aurait été « déportée » à l'un des pôles par la rotation de la planète. C'est au niveau de cette zone chaude avec une épaisse couche de glace ductile surmontant un « océan » liquide profond qu'aurait lieu une convection, entraînant la majorité des déformations les plus récentes. De l'eau liquide profiterait de fractures pour atteindre la surface et engendrer les panaches volcaniques (que d'aucun préfère appeler geyser).


Encelade serait donc le seul corps du système solaire à avoir une tectonique qui n'est pas sans rappeler par certains côtés la tectonique des plaques terrestre.

Titan

Trois principaux résultats concernant Titan ont été publiés depuis avril 2008.

Dans le dernier article que nous avons écrit, nous proposions une synthèse des différents modèles de structure interne et d'activité de Titan. Cette synthèse proposait une tectonique, un volcanisme actuel, et de la pluie au niveau des pôles. Il s'agissait de prédictions, car aucune manifestation de tectonique, de volcanisme actif ou de pluies actuelles n'avait été formellement trouvées. C'est désormais choses faites !

Figure 13. Synthèse des différents modèles de structure interne et d'activité de Titan

Synthèse des différents modèles de structure interne et d'activité de Titan

Schéma de Titan proposé en avril 2008. Y étaient « déjà » figurés des mouvements dans la couche de glace supérieure engendrant de la tectonique, un volcanislme actif, de la pluie au pôle.


Le premier résultat concerne la tectonique. Si on connaissait des montagnes et autres reliefs sur Titan, on n'avait pas de manifestation évidente de déformations, du genre plis ou failles. C'est désormais chose faite grâce au survol du 12 mai 2008 qui a découvert ce qui ressemble beaucoup à des failles, à des blocs basculés pour être plus précis.

Figure 14. Image et coupe topographique de trois failles probables, découpant 4 « blocs basculés » sur Titan

Image et coupe topographique de trois failles probables, découpant 4 « blocs basculés » sur Titan

Y étaient « déjà » figurés des mouvements dans la couche de glace supérieure engendrant de la tectonique, un volcanisme actif, de la pluie au pôle.


On avait toutes les raisons de penser que le volcanisme était actif sur Titan, mais pas la moindre manifestation d'activité actuelle n'avaient été mise en évidence. Les interprétations d'anciennes données infra-rouge obtenues en 2005 et 2006 montrent que deux vastes régions ont « changé » d'aspect pendant ces deux années. Ces deux régions sont toutes deux situées sur des « continents ». Par contre, aucun « point de sortie » ne peut être identifié, ni avec les images infra-rouge (mauvaise résolution IR), ni avec les images radar (haute résolution).

Figure 15. Image et coupe topographique de trois failles probables, découpant 4 « blocs basculés » sur Titan

Image et coupe topographique de trois failles probables, découpant 4 « blocs basculés » sur Titan

Localisation sur un planisphère de Titan des 2 régions ayant montré des modifications d'aspect à plusieurs années d'intervalle. La région 2 va être illustrée par les 2 figures suivantes.


 

Figure 16.  Montage de 3 images infra-rouge de Titan montrant une vaste région (500 x 500 km) changeant d'aspect en 6 mois, entre octobre 2005 et mars 2006

Montage de 3 images infra-rouge de Titan montrant une vaste région (500 x 500 km) changeant d'aspect en 6 mois, entre octobre 2005 et mars 2006

Cette région a été recouverte d'un dépôt absorbant fortement les infra-rouges (dépôt paraissant sombre sur les images), très vraisemblablement des hydrocarbures crachés par un volcanisme actif.


Figure 17. Image radar de la région 2, Titan

Image radar de la région 2, Titan

La région recouverte par une substance absorbant les infra-rouges entre octobre 2005 et mars 2006 est cerclée de blanc. Aucune structure ressemblant à un « volcan » n'y est visible.


L'abondance des lits de rivières asséchés laissait supposer que parfois, il pleuvait (du méthane). Mais étaient-ce des pluies anciennes ou récentes ? On connaissait de nombreux lacs (de méthane) dans la région du pôle Nord (plongée dans la nuit polaire en cette fin d'hiver boréal), et quelques rares lacs près du pôle Sud où c'est actuellement la fin de l'été. En comparant des images infra-rouge 2004 et 2005, Cassini a découvert de nouveaux petits lacs près du pole Sud, lacs absents en 2004 et présent en 2005. Si des lacs sont apparus dans cette région souvent recouverte de nuages entre juillet 2004 et juin 2005, c'est très vraisemblablement parce qu'il a plu (encore qu'il ne faille pas exclure une remontée de la nappe phréatique).

Figure 18. Titan : comparaison entre 2 images Infra-rouge décalée dans le temps de la même région du pôle Sud (croix noire)

Titan : comparaison entre 2 images Infra-rouge décalée dans le temps de la même région du pôle Sud (croix noire)

Malgré un couvert nuageux fréquent, on voit peu de lacs en 2004 : seul le lac Ontario est nettement visible, ainsi qu'un petit lac à mi-chemin entre le pôle et le lac Ontario. On ne voit en particulier aucun lac dans la région cerclée de blanc. Un an plus tard, de nombreux nouveaux petits lacs sont identifiables dans la région cerclée de blanc. Baisse de la température entraînant des pluies en cette fin d'été austral ?


Téthys

Nous avions laissé Téthys avec le « mystère » de ses canyons. Ces canyons ont à nouveau été photographiés à « moyenne résolution » en mai et juillet 2008. Nous vous montrons deux nouvelles images, mais cela n'éclaircit pas le mystère de leur origine.

Saturne et ses anneaux

À chaque révolution, de près ou de loin, Cassini photographie la haute atmosphère de Saturne, ses anneaux, et ce sous tous les angles et avec toutes les longueurs d'onde possibles. Pour ne pas oublier ces aspects non directement géologiques, voici une sélection de 5 images parmi les milliers prises par Cassini depuis avril 2008.

Figure 23. Les anneaux de Saturne se révèlent toujours aussi complexes

Les anneaux de Saturne se révèlent toujours aussi complexes

Image (4000 x 4000 km) prise en bordure externe de l'anneau B.


Figure 24. Les anneaux de Saturne sont parmi les structures les plus minces (relativement parlant) créées par la nature

Les anneaux de Saturne sont parmi les structures les plus minces (relativement parlant) créées par la nature

D'une largeur de plus de 70 000 km du bord interne au bord externe, les anneaux de Saturne ne mesurent que quelques dizaines de mètres d'épaisseurs, soit un rapport épaisseur/largeur de 10-6. Cette minceur explique leur transparence, comme en témoigne cette image de l'étoile Beta Crucis vue à travers l'anneau A.


Figure 25. Les anneaux de Saturne sont des structures dynamiques en perpétuel remaniement

Les anneaux de Saturne sont des structures dynamiques en perpétuel remaniement

Un exemple de distorsion : image de l'anneau F tordu par le passage de Prométhée à proximité, le 30 septembre 2008.