Du méthane sur Mars, des fentes de dessiccation et des sédiments dans Gusev

Pierre Thomas

Laboratoire des sciences de la Terre, ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

17/10/2004

Résumé

La sonde Mars Express fournit un spectre de l'atmosphère de Mars qui indique la présence de méthane et cartographie la teneur en vapeur d'eau juste au-dessus du sol martien. Le robot Opportunity observe des structures ressemblant à des fentes de dessiccation sur des rochers du cratère Endurance. Spirit observe à la fois des roches litées et des basaltes altérés sur l'un des sommets des Columbia Hills .


Table des matières

Août et septembre ont été des mois peu riches en nouvelles intéressantes sur Mars ; mais en octobre, de nouveaux résultats "tombent ", et il est temps de refaire le point sur les trois sondes en activité.

Mars Express

Fidèle à sa politique, l'ESA ne délivre ses données et interprétations préliminaires qu'au compte goutte. Elle nous donne environ une photographie par semaine. En fait, elle en fournit plus car la même région nous est présentée en noir et blanc, en couleur, en relief et perspective, avec des vues sous différents angles…

Voici, tout d'abord, une sélection de quelques images du champ de failles de Claritas Fossae .

Pour d'autres images, consulter ce lien.

Figure 1. Vue en carte du champ de failles de Claritas Fossae

Vue en carte du champ de failles de Claritas Fossae

Claritas Fossae est une zone très faillée située à 2000 km au SO de Valles Marineris . Les failles sont des failles normales découpant la région en une multitude de horsts et grabens étroits et très allongés. Cette région montre à l'Ouest de vieux terrains (cratères nombreux), très fracturés, et à l'Est une plaine volcanique "récente" (peu de cratères), très peu fracturée. Dans la partie Ouest coexistent des failles traversant les cratères (tectonique plus jeune que les cratères) et des failles recoupées par les cratères (failles plus anciennes que la formation de ces cratères).


Figure 2. Le champ de failles de Claritas Fossae et Solis Planum , vue oblique prise en direction du Nord

Le champ de failles de Claritas Fossae et Solis Planum, vue oblique prise en direction du Nord

Claritas Fossae est une zone très faillée située à 2000 km au SO de Valles Marineris . Les failles sont des failles normales découpant la région en une multitude de horsts et grabens étroits et très allongés. Sur cette vue prise parallèlement aux failles, on voit très bien la topographie en horsts et grabens. Cette image n'est pas une vraie photographie, mais la reconstitution par ordinateur du relief avec l'emploi de vraies images stéréoscopiques.


Figure 3. Vue oblique de Claritas Fossae prise en direction de l'Ouest

Vue oblique de Claritas Fossae prise en direction de l'Ouest

Claritas Fossae est une zone très faillée située à 2000 km au SO de Valles Marineris . Les failles sont des failles normales découpant la région en une multitude de horsts et grabens étroits et très allongés. Cette image n'est pas une vraie « photo », mais la reconstitution par ordinateur du relief à cause de l'emploi de vraies images stéréoscopiques


Figure 4. Vue en carte d'un cratère de Claritas Fossae

Vue en carte d'un cratère de Claritas Fossae

Détail d'un grand cratère de la région de Claritas Fossae affecté par horsts et grabens.


En plus de ses photographies "hebdomadaires", l'ESA a publié deux résultats scientifiques très intéressants obtenus grâce au Planetary Fourier Spectrometer (PFS).

Le premier concerne un spectre indiquant la présence de méthane (CH4) dans l'atmosphère (35ppbv au maximum, ppbv = partie volumique par milliard).

Figure 5. Spectre de l'atmosphère de Mars obtenu au dessus des régions les plus "riches" en CH4 (gamme des IR)

Spectre de l'atmosphère de Mars obtenu au dessus des régions les plus "riches" en CH4 (gamme des IR)

Le trait noir représente le spectre mesuré (encadré de lignes grises indiquant les barres d'erreur). Le trait rouge représente le spectre d'absorption du méthane dans ces gammes de pression et de température. La teneur maximale mesurée est de 35 parties par milliard en volume –ppbv- (plus de 20 fois moins que dans la moyenne de l'atmosphère terrestre). Sur l'ensemble de Mars, cette teneur est en moyenne de 10 ppbv.


La présence de méthane dans l'atmosphère de Mars pose un problème majeur car le méthane est détruit par les UV solaires. Une quantité égale à la quantité actuellement présente devrait avoir complètement disparu en quelques siècles. Si donc il y a du méthane aujourd'hui, c'est qu'il y a un processus géologique (ou autre) qui en fabrique en permanence.

Sur Terre, il y a quatre origines principales pour le méthane atmosphérique.

  1. Les bactéries méthanogènes, qui font une fermentation produisant du méthane (ex : C6H12O6 → 3 CH4 + 3 CO2). On trouve principalement ces bactéries dans les sédiments anoxiques riches en matière organique et dans les intestins des ruminants et des termites.

    Il y a également des bactéries chimiolithotrophes qui produisent de l'énergie chimique (énergie de l'oxydation par H2O du Fe2+ des silicates en Fe3+, énergie utilisée ensuite pour leurs synthèses, comme les êtres phototrophes utilisent la lumière) ; elles produisent en même temps du méthane comme sous-produit (comme les êtres phototrophes produisent de l'O2) :

    8FeO + 2H2O + CO2 → 4Fe2O3 + CH4 + énergie chimique.

    De telle bactéries vivent dans les roches profondes, jusqu'à 2 à 3 km de profondeur, aussi bien dans la croûte continentale qu'océanique.

  2. La diagenèse et le cracking thermique de grosses molécules organiques qui se produit lors de la maturation de la matière organique des sédiments et de la formation des charbons, pétroles et autres roches sédimentaires et/ou métamorphiques riche en C réduit. Ce cracking s'accompagne d'une libération de méthane, libération concentrée (le grisou des mines de charbon, le méthane des « fontaines ardentes » et autres puits naturels enflammés), ou libération extrêmement diffuse.
  3. La "déstabilisation" des clathrates. En présence d'H2O, et dans une certaine gamme de pression et de température, l'eau réagit avec le méthane pour donner une glace, de formule (CH4)1 (H2O)n.

    La figure ci-dessous montre ce diagramme de phase (clathrates stables au-dessus et à gauche de la courbe, instable et se décomposant en H2O et CH4 en dessous à droite de cette courbe). Sur Terre, les clathrates sont stables dans deux sites privilégiés : dans les sols très froids (T< -20°C) gelés en permanence en Sibérie, Alaska…, et dans les sédiments en contrebas des talus continentaux sous plus de 1000 m de profondeur (P > 10 MPa, T< 10°C). Ce méthane a été produit (avant son accumulation sous forme de clathrates) par des bactéries méthanogènes vivant sous ces milieux froids (T plus élevée à cause du degré géothermique), ou alors il s'agit d'un dégagement diffus d'origine diagénétique. Il s‘accumule sous forme de glace dans les sols et/ou sédiments. Une subsidence (réchauffement) des sédiments, un réchauffement-fonte du pergélisol… déstabilisent les clathrates et libèrent le méthane dans l'atmosphère.

  4. Libération de méthane d'origine volcanique.

    Sur Terre, le méthane est un composant très mineur, mais présent dans les gaz volcaniques, à côté d'H2O, CO2, SH2… très largement majoritaires.

Figure 6. Diagramme de phases montrant la stabilité des clathrates de méthane

Diagramme de phases montrant la stabilité des clathrates de méthane

Diagramme de phase montrant la stabilité des clathrates de méthane, glace de formule CH4, nH2O. Il s'agit d'un diagramme de phase classique, comme celui indiquant température et pression de la fusion d'une roche. Au-dessus et à gauche de la courbe expérimentale, les clathrates de méthanes sont stables ; en dessous et à droite de la courbe, ils ne sont pas stables et CH4 et H2O sont séparés. Rappelons que : 1 atmosphère = 10-1 MPa, et que sous 1000 m d'eau, la pression est de 10 Mpa. Sous 1000 m d'eau, les clathrates sont donc stables pour une T< 10°C.


Sur ces quatre origines du méthane terrestre, une est purement abiotique (le volcanisme), une est purement biologique (bactéries méthanogènes), et les deux autres (diagenèse et clathrates) sous-entendent une activité biologique, plus ou moins ancienne.

Qu'en est-il sur Mars ? On peut exclure une activité biologique superficielle de nos jours (T= -40°C en moyenne, pas de possibilité d'eau liquide). Il ne reste donc que 5 hypothèses : (1) un volcanisme non complètement éteint, (2) une vie "profonde" actuelle, (3) une maturation profonde de matière organique (qui implique une vie passée), (4) une déstabilisation de clathrates (mais d'où viendrait ce méthane "fossile", si ce n'est des hypothèses 1, 2 et 3) ou (5) un processus purement martien sans équivalent terrestre. Si une des quatre premières hypothèses s'avérait correcte, ce serait un résultat scientifique formidable.

L'ESA a publié un autre résultat très intéressant, la carte de la teneur en vapeur d'H2O juste au-dessus du sol.

Figure 7. Carte de la teneur en vapeur d'eau juste au-dessus du sol martien

Carte de la teneur en vapeur d'eau juste au-dessus du sol martien

Et l'ESA a indiqué qu'il y avait un parallélisme entre la teneur en CH4 et H2O dans l'atmosphère martienne (voir le compte rendu de presse du 20 septembre 2004) sans indiquer si ce parallélisme concernait la teneur globale de l'atmosphère ou seulement celle au niveau du sol. Ce parallélisme eau/méthane renforce l'hypothèse "clathrate", la déstabilisation des clathrates libérant alors vapeur d'eau et méthane.

Il est dans l'état actuel des données disponibles impossible d'aller plus loin. Mais le sujet du méthane martien est prometteur, et est à creuser.

Opportunity

Depuis le 22 juillet, date de notre dernière chronique martienne, qu'a publié la NASA sur les activités d'Opportunity ?

La NASA a publié deux "cartes" du trajet d'Opportunity autour et dans le cratère Endurance.

Figure 8. Trajet du rover Oportunity en vue verticale

Trajet du rover Oportunity en vue verticale

Trajet d'Opportunity autour et dans le cratère Endurance, jusqu'au sol 220 (5 septembre 2004).


Figure 9. Trajet du rover Oportunity en vue oblique

Trajet du rover Oportunity en vue oblique

Trajet d'Opportunity jusque vers le 25 août 2004.


En chemin, il a fait des séries de forages-polissages et d'analyses, en donnant des "noms" à chaque site d'analyse.

Figure 10. Série de forage-polissage

Série de forage-polissage

Image en fausses couleurs de 7 "forages" faits par Opportunity lors de sa descente. Chaque cercle de forage (poussière rouge) mesure 4,5 cm de diamètre.


Figure 11. Nom des sites de forage-polissage d'Opportunity

Nom des sites de forage-polissage d'Opportunity

Figure 12. Résultats des analyses d'Opportunity sur 12 sites de forages

Résultats des analyses d'Opportunity sur 12 sites de forages

Teneur en Mg, S et Cl sur 12 sites de forage, s'échelonnant de Tennessee (le plus haut) à Axel Heiberg (le plus bas). De haut en bas, on assiste à une légère diminution du Mg et du S, et à une forte augmentation de la teneur en Cl.


 

En continuant sa descente, Opportunity a regardé les "myrtilles" de près, et a observé que, par endroit, elles étaient remplacées par des structures moins rondes, que les scientifiques de la NASA ont appelées pop corn . En regardant d'encore plus près, il s'avère que ces pop corns sont en fait des "myrtilles" ( berries ) enrobées, mais enrobées de quoi ?

Figure 13. Vue générale de structures en pop corn

Vue générale de structures en pop corn

Photographie de 6x6 cm, montrant la structure en pop corn . Le carré jaune correspond à l'agrandissement ci-après.


Figure 14. Vue de détail de pop corns martiens

Vue de détail de pop corns martiens

Détail du carré jaune de la photographie précédente. Les pop corns s'avèrent être des "myrtilles" ( berries ) enrobées de ?


Puis Opportunity a continué à descendre. Il a atteint le champ de dune du fond du cratère, et a commencé à légèrement s'enliser dans le sable.

Figure 15. Vue des dunes au fond du cratère Endurance

Vue des dunes au fond du cratère Endurance

Détail des dunes du fond du cratère Endurance


Prudemment, la NASA l'a fait battre en retraite vers un sol plus stable.

La NASA s'est mis alors à regarder autour pour se diriger vers des endroits "prometteurs". Elle a choisi de se diriger vers un groupe de roches, sous les falaises de Burns Cliff . En zoomant au maximum, ces roches avaient une allure étrange, dont l'une, Wopmay , que les scientifiques de la NASA ont décrit comme « rock with alien surface ». La surface de Wopmay ressemble, vue de loin, à la surface d'une boule stromatolithique.

Figure 16. Affleurement de blocs isolés, sous les falaises de Burns Cliff

Affleurement de blocs isolés, sous les falaises de Burns Cliff

Le gros rocher Wopmay se trouve presque au milieu de l'image, sous forme d'un ovoïde.


Figure 17. Le rocher Wopmay (environ 1 m de long)

Le rocher Wopmay (environ 1 m de long)

Vu de loin, il semble avoir une surface étrangement mamelonnée. On ne peut pas ne pas penser à une surface stromatolithique.


Figure 18. Stromatolithe oligocène de Limagne

Stromatolithe oligocène de Limagne

Noter la ressemblance (superficielle) avec la surface de Wopmay . (Image originale, voir Arrêt 4 d'une excursion en Limagne)


Sans trop croire à cette analogie morphologique, trop belle pour être vraie, le robot s'est approché de cet ensemble de roches, avec deux roches très proéminentes : Wopmay au premier plan et Earhart au deuxième plan. Puis il passe à côté d'une roche voisine nommée Escher , sur laquelle on voit le même genre de fentes dessinant un réseau polygonal.

Figure 19. Vue d'ensemble des rochers Wopmay et Earhart

Vue d'ensemble des rochers Wopmay et Earhart

Roches à l'étrange surface : Wopmay (au 1er plan) et Earhart . En arrière plan, les dunes du fond du cratère.


Figure 20. Surface d'une dalle observée en se dirigeant vers Wopmay

Surface d'une dalle observée en se dirigeant vers Wopmay

On retrouve le pavage polygonal bien connu, puisqu'Opportunity en a découvert de semblables tout au long de sa mission.


Figure 21. Surface d' Escher

Surface d'Escher

On retrouve encore ce pavage polygonal bien connu.


Pour la première fois, la NASA discute (sur le web) de l'origine de ce réseau de fentes. Elle propose trois hypothèses.

  1. Des fentes qui se seraient produites lors de l'impact ayant formé le cratère Endurance, hypothèse bien peu probable.
  2. Des fentes de rétraction due à une déshydratation (fentes de dessiccation) formées in situ dans la roche, avant la formation du cratère (fentes formées juste après le dépôt de la strate, ou au plus à quelques mètres de profondeur sous la surface selon cette hypothèse).
  3. Des fentes de rétraction-dessiccation formées tardivement, après la formation du cratère, la région ayant subit un tardif épisode d'humidification-dessèchement.

On peut remarquer que la ressemblance avec des figures de dessiccation est tellement frappante que nous avions proposé cette hypothèse dès le 2 mars 2004 (cf. ... y aurait-il des fentes de dessiccation ... dans Meridiani Planum  ? )

La NASA décide de ne pas aller jusqu'à Earhart (pente sableuse trop raide), mais Opportunity atteint Wopmay . Ce qui, vu de loin, ressemblait à une surface stromatolithique ressemble beaucoup plus à un réseau de fentes parfois profondes affectant la surface de la roche. La vue de près montre d'ailleurs que Wopmay contient des "myrtilles", et qu'il est donc (vraisemblablement) constitué de nos argiles évaporitiques, avec fente de rétraction-dessiccation.

Figure 22. Vue d'ensemble de Wopmay

Vue d'ensemble de Wopmay

Figure 23. Vue de détail de la surface de Wopmay

Vue de détail de la surface de Wopmay

Le caractère bosselé de cette surface semble bien être dû à un réseau de fentes affectant un bloc d'argile évaporitique à "myrtilles" classiques dans la région, et non pas une construction biologique. Dommage.


Si les fentes visibles sur Wopmay et Earhart sont bien des fentes de dessiccation comme celles que l'on voit sur Escher et les dizaines d'autres sites similaires, cela pose un problème formidable. En effet, on retrouve ces fentes sur toute la surface des deux rochers, en particulier sur leurs faces verticales. Fentes de dessiccation, ça veut dire assèchement. Sur une dalle plus ou moins parallèle aux strates, cela peut signifier qu'il y a eu un assèchement juste après le dépôt. Cela est tout à fait compatible avec la présence d'évaporites. Mais fentes de dessiccation sur les parois verticales d'un rocher… Cela voudrait dire que cette roche, avec sa forme d'aujourd'hui, a été "mouillée" quand elle avait cette forme, c'est-à-dire après son dépôt, après la formation du cratère Endurance, après l'érosion qui lui a donné cette forme… C'est-à-dire il n'y a pas très longtemps (géologiquement parlant). D'où serait venue cette eau, quand, et pourquoi ? Remontée d'une nappe phréatique, dégel, pluie, rosée… ?

Affaire à suivre donc !

Spirit

Le 22 juillet, nous avions laissé Spirit en cours d'ascension vers un des sommets des Columbia Hills . Il y est arrivé !

La série des trois images suivantes illustrent cette progression entre le 22 juillet et le 17 octobre 2004..

Figure 24. Vue panoramique générale depuis les Columbia Hills

Vue panoramique générale depuis les Columbia Hills

Vue générale montrant, à gauche, le sommet de la colline, avec le rocher West Spur , objectif décidé du bas des collines, et, à droite, la plaine basaltique de Gusev .


Figure 25. Vue en arrivant à quelques mètres de West Spur

Vue en arrivant à quelques mètres de West Spur

Figure 26. Vue en "vraies couleurs" du rocher West Spur

Vue en "vraies couleurs" du rocher West Spur

Arrivé près du sommet, Spirit étudie des roches qui, vues de près, ressemblent aux basaltes de la plaine en contrebas. Juste à coté de West Spur , il y a un vaste affleurement formant une "dalle", dalle rocheuse appelée Clovis . Après analyse, Clovis s'avère ressembler à Humphrey , basalte typique de la région de Gusev , mais considérablement enrichie en soufre, chlore et brome. Ce serait encore du basalte altéré.



Figure 29. Analyses comparées de Humphrey , basalte typique de la région, et de Clovis

Analyses comparées de Humphrey, basalte typique de la région, et de Clovis

En rouge, l'analyse de Clovis , en noir, celle de Humphrey . Quand les 2 spectres sont superposés, le trait noir se voit mal et on ne voit que la ligne rouge de Clovis . Clovis est plus riche en S, Cl et Br   ce serait un basalte altéré.


Même en haut des collines, la composition chimique change d'une roche à l'autre. Par exemple, la roche nommée Ebenezer a des teneurs en Si et K voisines de celles de Clovis . En revanche, elle a une plus forte teneur en Mg et des teneurs plus faibles en Ca et Na. Est-ce de l'altération différentielle, le résultat de différenciations magmatiques ?

Figure 30. Analyse comparée (spectro X) de deux roches des Columbia Hills

Analyse comparée (spectro X) de deux roches des Columbia Hills

La roche nommée Ebenezer a des teneurs en Si et K voisines de celles de Clovis . Par contre, elle a une plus forte teneur en Mg et des teneurs plus faibles en Ca et Na.


Puis Spirit revient sur ses pas, pour aller voir de l'autre côté de la ligne de crête. En regardant vers la gauche du paysage, il semble qu'on devine un litage dans les affleurements.

En s'approchant, on voit qu'en plus du litage "en grand" visible à l'échelle de l'affleurement, il y a un litage de petite dimension, visible au niveau de certaines roches, dont la roche nommée Tetl .

Figure 34. Roches litées dans les Columbia Hills

Roches litées dans les Columbia Hills

Ces roches sont particulièrement visibles vers le milieu gauche de l'image.


Figure 35.  Tetl , roche litée des Columbia Hills

Tetl, roche litée des Columbia Hills

Vue de côté, "fausses couleurs"..


Figure 36.  Tetl , roche litée des Columbia Hills

Tetl, roche litée des Columbia Hills

Vue de dessus, "fausses couleurs".


Figure 37. Gros plan sur Tetl, roche litée des Columbia Hills

Gros plan sur Tetl, roche litée des Columbia Hills

Mosaïque d'images. 17 cm de gauche à droite.


À propos de cette roche, la NASA fait le commentaire suivant : «  NASA's Mars Exploration Rover Spirit collected data on morphology, composition, and mineralogy of a rock nicknamed "Tetl" using the microscopic imager, the alpha particle X-ray spectrometer, and the Moessbauer spectrometer before moving on. Scientists are discussing a suggestion that this rock outcrop and others on the "West Spur" of the "Columbia Hills" in Gusev Crater on Mars may contain evidence of graded bedding, in which alternate layers of sediment are either coarser or finer depending on the turbulence of the processes that deposited them. Such layers could be deposited by water circulating in rivers or lakes, volcanic ash settling on the surface, wind carrying fine-grained sediments, or a combination of these processes  ».

Ce commentaire est très prometteur. Mais comme la NASA n'a pas encore diffusé ses analyses X et Moessbauer, toute discussion sur cette conclusion est délicate.

En revanche, on peut chercher dans les images brutes non commentées, fournies quotidiennement par la NASA ce qui peut faire penser à des sédiments ou des cendres volcaniques présentant des alternances de couches de compétence et de résistance à l'érosion (éolienne) différentes, alternances pouvant être dues à un granoclassement. Voici quelques-unes de ces images.

Encore une fois, attendons la suite !