Article | 08/01/2021

Les robots mobiles sur Mars : des moyens irremplaçables d'étude

08/01/2021

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Choix de quelques sites martiens visités par des rovers : paysages, formations, roches, minéraux, analyses et principaux apports avant l'arrivée de Perseverance.


Table des matières

Avertissement

Cet article est un développement, une mise en forme au “format” Planet-Terre de conversations téléphoniques, d'envois de photos, de mails… que j'ai eu pendant le confinement avec des étudiants en journalisme. Ces étudiants devaient faire, dans le cadre de leur cursus, un dossier web sur un thème d'actualité de leur choix. Parce qu'un robot de la NASA doit se poser sur Mars en février 2021, ils avaient choisi le thème “Les robots martiens, les résultats déjà obtenus, leurs méthodes de travail, leurs avantages sur les missions en orbite, leurs limites par rapport aux missions humaines…”. Normalement, ces étudiants auraient dû passer à l'ENS de Lyon pour m'y rencontrer, mais le confinement dû à la covid-19 en a décidé autrement. Les développements / mises en forme présentés ici ont été faits juste après ces échanges, en profitant du temps libre laissé par ce confinement, mais en gardant l'ordre et le “niveau” des échanges avec des étudiants non spécialisés en géologie.

Les voies “normales” d'exploration du système solaire

Cet été, trois sondes sont parties vers Mars, dont deux avec pour mission d'y poser un robot mobile : une sonde chinoise, Tianwen-1, et une sonde américaine, Mars 2020 et son robot Perseverance. Une sonde européenne, Exomars, aurait dû aussi profiter de cette fenêtre de tir. Mais des problèmes techniques ont fait reporter ce lancement pour la prochaine fenêtre de tir, en 2022. Comment s'intègrent ces sondes dans la “voie normale” d'exploration d'une planète ?

Il y a, en simplifiant, six étapes pour explorer un corps du système solaire.

  1. Un simple survol, la sonde ne faisant que passer au-dessus de la planète pour ensuite continuer plus loin sur sa lancée. Tous les corps majeurs du système solaire ont eu droit à de tels survols, mais Uranus, Neptune, Pluton (et leurs satellites), quelques comètes et certains astéroïdes n'ont, jusqu'à présent, été étudiés que de cette façon.
  2. Une mise en orbite autour du corps. Mercure, Vénus, la Lune, Mars, Jupiter, Saturne, Vesta et Cérès, une comète et trois petits astéroïdes ont été étudiés de cette façon.
  3. Se poser à la surface avec un robot fixe, et étudier l'éventuelle atmosphère en la traversant pendant les phases d'approche. Cela a été fait pour Vénus, Mars, la Lune, Jupiter et Saturne (sans bien sûr un atterrissage sur cette planète gazeuse mais simplement l'étude de la haute atmosphère), Titan, Éros (un astéroïde), la comète Churyumov-Gerasimenko, et récemment deux petits astéroïdes Bennu et Ryugu.
  4. Se poser avec un robot mobile (rover) capable de faire plusieurs centaines de mètres ou quelques kilomètres à la surface. Cela n'a été fait que sur la Lune (il y a plus de 40 ans avec des missions soviétiques et il y a quelques années par deux missions chinoises) et sur Mars (avec des missions américaines).
  5. Se poser avec un robot (fixe ou mobile), ramasser des échantillons, puis redécoller et les ramener sur Terre. Pour l'instant seuls les soviétiques et les chinois ont réussi cela sur la Lune et les Japonais sur les astéroïdes Itokawa et Ryugu. Une mission américaine de ce type a eu lieu durant cet été 2020 sur l'astéroïde Bennu (retour sur Terre prévu pour l'automne 2023).
  6. L'exploration humaine (avec retour d'échantillons), qui n'a été réalisée que sur la Lune par les américains. Pour ses missions Apollo, la NASA a sauté les étapes 4 et 5.

Pourquoi aller sur Mars, et pourquoi avec des robots mobiles ?

Mais pourquoi étudier Mars plus que Vénus ou Mercure par exemple ? C'est en 1965 avec la sonde Mariner 4 (simple survol) et surtout en 1972 avec la mission Mariner 9 (mise en orbite) qu'on a commencé à vraiment découvrir la surface de Mars. Cette première mission orbitale, puis toutes celles qui ont suivi ont montré que Mars, par certains côtés, ressemblait plus à la Terre qu'à la Lune, la seule référence qu'on avait à l'époque. En plus des calottes polaires qu'on connaissait depuis longtemps (elles ont été découvertes en 1666 par Cassini) et une atmosphère, on voyait des failles et des volcans géants, des lits de rivières… Les rivières étaient asséchées, les volcans semblaient éteints, mais cette “inactivité” semblait relativement récente (géologiquement parlant), c'est-à-dire postérieure à la fin du bombardement intense des premiers temps du système solaire. Ce qu'on voyait posait plein de questions purement scientifiques, dont une qui va plus loin que la seule soif de connaissances à cause de ses implications “philosophiques” : au temps où les volcans crachaient et les rivières coulaient, Mars a-t-il été habitable, voire habité, ne serait-ce que par les plus simples des micro-organismes possibles ? Il ne faut pas oublier que, quand de l'eau coulait sur Mars, la vie naissait sur Terre. Et si une forme de vie est née sur Mars, cette planète ne serait-elle pas encore habitée dans quelques recoins à l'abri du rayonnement solaire et des peroxydes qu'il engendre ?

Pour répondre à ces questions, les études « à distance » depuis l'orbite (et il y en a eu beaucoup), si elles sont nécessaires, ne suffisent pas. Pour compléter les apports des sondes en orbite, de leurs caméras, de leur spectromètres (optiques, infrarouge, gamma…), il faut que des géologues aillent sur place indirectement par robots interposés, aillent « sur le terrain » pour employer leur jargon professionnel. Indirectement sur le terrain, ils vont faire le travail dont ils ont l'habitude : analyser l'état actuel de l'affleurement à toutes les échelles et reconstituer ce qui s'est passé sur ce site et à telle ou telle époque. Sur Terre, les géologues font ce travail soit pour des raisons de recherche fondamentale (quelle est l'origine de l'Himalaya, par exemple, où trouver des traces de vie les plus vieilles possibles) soit pour des raisons très appliquées (trouver du pétrole ou des minerais, par exemple, ou étudier la stabilité d'un versant…). Sur place, le travail du géologue terrestre consiste certes à reconnaitre les roches (la première et souvent la seule chose à laquelle pense un étudiant en géologie lors de sa première sortie sur le terrain), mais aussi à étudier la géométrie des affleurements pour retracer leur dynamique sédimentaire ou volcanique, à étudier leurs éventuelles déformations, altération…, à déterminer là où il va faire des mesures, et enfin à choisir les roches qu'il va prélever et ramener au laboratoire pour des analyses ultérieures.

Le robot Perseverance de la mission Mars 2020 a pour but ultime de sélectionner des échantillons, de les prélever et de les mettre « en dépôts », pour que de futures missions (à la fin des années 2020 / au début des années 2030 si tout se passe comme prévu) viennent les rechercher pour les ramener sur Terre. Ramener des échantillons sur Terre est en effet nécessaire pour analyser ultra-finement les éventuelles molécules carbonées qui se trouveraient dans les échantillons, déterminer si ces molécules ont un “intérêt” prébiotique, ou même si elles sont d'origine biologique, dater les roches par radiochronoologie... Les instruments capables de faire cela sont en effet trop massifs pour être spatialisés dans l'état actuel de techniques et des lanceurs. Mais ces échantillons à ramener sur Terre ne doivent pas être choisis “au hasard” contrairement à ceux ramenés de la Lune en décembre 2020 par la mission chinoise Chang'e-5 et prélevés sur place, là où s'est posé la sonde Chang'e-5. La collecte des échantillons martiens à ramener se fera “intelligemment”. Elle se fera là où les analyses morphologiques, puis minéralogiques et chimiques faites in situ suggèreront qu'ils sont “intéressants”. Et les analyses détaillées in situ, morphologiques et/ou chimiques ne se feront que là où des géologues, via les caméras du robot, penseront que les conditions géologiques (eau, argile…) auront été propices à de la chimie prébiotique, voire à une forme de vie, et à leurs préservations.

Dans le cas de Mars, on peut aller sur le terrain « par procuration » avec des robots, mais on pourra aussi y aller « en vrai » avec des missions habitées dans un futur plus ou moins lointain. Et un bon géologue sur Mars peut faire bien plus qu'un robot. Par exemple, un géologue équipé d'un véhicule semblable à la jeep lunaire des missions Apollo 15 à 17 aurait pu en moins d'une semaine obtenir la quasi-totalité des résultats qu'Opportunity a mis 14 ans à obtenir. Et si, en plus, il ramène des échantillons lors de son retour sur Terre… Mais si et quand les problèmes “techniques” des missions habitées seront résolus, quand il s'agira de choisir entre une (des) missions habitée(s) ou une (des) mission(s) robotisée(s), il se posera le problème du rapport “bénéfices scientifiques escomptés / couts financiers” entre ces deux options. En effet, on peut estimer le cout d'une mission habitée à 50 à 100 fois celui d'une mission robotisée. Ne vaudrait-il pas mieux, si on n'a que des buts purement scientifiques, explorer avec des robots 100 sites soigneusement choisis plutôt qu'en étudier un seul par des géologues en chair et en os ? Mais si les futurs explorateurs martiens ont le moyen de se déplacer sur très de longues distances à la surface de Mars, cela change les données du problème. Et aux buts scientifiques, se surajouteront forcément des buts politiques…

Les anciennes questions et les résultats déjà acquis

Cela fait donc presque 50 ans que l'on sait que de l'eau a coulé sur Mars. Mais cette eau était-elle pérenne ou très épisodique, douce ou salée, neutre, acide ou basique… ? Si la vie terrestre peut habiter dans des milieux aux conditions extrêmes (acides, basiques, haute température…, cf. Les extrémophiles dans leurs environnements géologiques - Un nouveau regard sur la biodiversité et sur la vie terrestre et extraterrestre), la chimie prébiotique terrestre semble nécessiter des pH neutres ou légèrement basiques mais semble impossible en milieu acide (cf. L'origine de la vie sur Terre vue par un géologue : quoi de neuf depuis 2015 ?). Et la vie terrestre nécessite une certaine “constance”.

Résumons quelques-uns des résultats géologiques auxquels sont arrivés les géologues des missions Spirit, Opportunity et Curiosity.

Spirit s'est posé en 2004 au fond d'un cratère à fond plat. Les images prises depuis l'orbite laissaient penser (il y a plus 16 ans) que le fond de ce cratère était recouvert de sédiments déposés dans un ancien lac. L'étude de ces sédiments devait permettre de reconstituer les conditions de l'époque de leur dépôt. Fatale erreur ! Les observations et analyses faites sur place ont montré que ce cratère était rempli d'anciennes laves et cendres basaltiques, qui avaient recouvert les éventuels sédiments lacustres. Mais, aussi bien les analyses chimiques (faites automatiquement par le robot) que l'interprétation de la géométrie des affleurements d'après les photographies faites au sol, ont montré que ces éruptions volcaniques avaient parfois eu lieu sous l'eau d'un lac ou dans des terrains gorgés d'eau.

Opportunity (en 2004) et Curiosity (en 2012) se sont posés, eux, sur des terrains faits de roches sédimentaires bien stratifiées comme on l'avait déterminé (sans erreur cette fois) avec les sondes en orbite. En analysant les milliers de photographies faites durant leurs trajets et les analyses chimiques et minéralogiques effectuées sur place, on a pu reconstituer dans quels milieux et paysages s'étaient déposées ces roches il y a 3 à 4 milliards d'années (Ga) et ce qui leur était arrivé depuis. Dans ce passé lointain, la région de Mars où s'est posé Opportunity correspondait à une plaine parfois recouverte de dunes éoliennes faites de sable basaltique, parfois inondées sous une faible tranche d'eau (quelques centimètres), eau temporaire et alors parcourue de courants déposant du sable. Cette eau était salée et très acide. Curiosity s'est posé dans une région successivement occupée, dans ce même passé lointain, par deux épisodes lacustres (lacs plus ou moins profonds et temporaires), séparés par une longue période d'émersion avec érosion. Les eaux de ces lacs étaient salées, mais non acides. Les sites où a roulé Curiosity pendant ses trois premières années correspondaient aux bords du lac le plus récent, bords parfois sous l'eau, parfois en position littorale avec des dunes éoliennes. Puis, au bout de 3 ans, Curiosity a atteint des couches sous-jacentes, qui correspondaient au centre du lac le plus vieux. Ces deux lacs successifs parfois s'asséchaient temporairement et étaient remplacés par des plaines vaseuses ou des champs de dunes. Dans l'ancienne vase, Curiosity a trouvé des traces de matière carbonée, mais trop dégradée et en teneur trop faible pour savoir si elle avait ou non une origine biologique. Après le dépôt de ces sédiments, aussi bien dans la région explorée par Opportunity que dans celle explorée par Curiosity, de l'eau circulait en profondeur dans le sous-sol, en altérait les roches et déposait des minéraux dans les fractures.

Pour choisir les affleurements à étudier en détail, puis pour tirer ces conclusions, les géologues des équipes scientifiques qui se trouvaient derrière les caméras et autres instruments des robots devaient avoir une très bonne culture géologique et une solide expérience du terrain. Comment ces géologues, sur place par procuration via les robots, ont-ils pu arriver à de telles conclusions ?

Plutôt que de longs discours théoriques, nous allons vous montrer, avec les exemples de douze sites explorés par des missions précédentes, la démarche des géologues et le type de conclusions qu'ont pu tirer les scientifiques avec les images et mesures des robots mobiles Spirit, Opportunity et Curiosity. Ce sont des études de ce genre (mais avec de nouveaux instruments) que mènera l'équipe de géologues pilotant Perseverance afin de choisir le plus judicieusement possible les sites d'analyses fines in situ puis de prélèvements. Et les équipes devront travailler vite : le prélèvement du jour J dépendra des conclusions tirées le jours J−1 à partir des observations du jour J−2 sur un site choisi le jour J−3…

Des sites sur Mars

Nous allons donc regarder quelques exemples d'études de terrain et de conclusions qu'on peut tirer de 12 sites martiens, conclusions qu'on ne peut pas (dans l'état actuel des sondes) tirer d'études depuis l'orbite. Un site étudié sera tiré des explorations du robot de la NASA Spirit (2004-2009), deux seront tirés de la missions Opportunity (2004-2018), et neuf de la mission Curiosity (fonctionnant depuis 2012). Dans la mesure du possible, nous comparerons roches et paysages martiens avec des équivalents terrestres probables. Nous avons volontairement choisi des exemples de milieux les plus différents possibles caractérisés par ces trois robots, avec une logique “géologique” et non dans l'ordre chronologique de leur étude, ordre chronologique dépendant beaucoup des facilités / difficultés de progresser sur le terrain. Nous verrons ensuite six résultats d'analyses chimiques ou minéralogiques effectuées par cinq des instruments d'analyse présents sur Opportunity et Curiosity.

Site 1 – Spirit près de Home Plate, février 2005

Sur cet affleurement martien, on voit des roches stratifiées

Figure 1. Sur cet affleurement martien, on voit des roches stratifiées.

Les couches inférieures sont constituées de “grains” d'une taille d'environ 0,5 cm. Les grains sont beaucoup plus fins dans les couches supérieures. L'analyse chimique faite sur place montre que ces couches ont la chimie d'un basalte altéré par de l'eau. Ce sont des dépôts de cendres basaltiques, grossières en bas, fines en haut. Au niveau de la flèche blanche (détail en bas à gauche), on voit que les couches sont défléchies sous un bloc, figure caractéristique que fait un gros bloc projeté par une éruption volcanique qui retombe sur des niveaux de cendres non consolidées. Un tel dynamisme, commun sur Terre, implique un milieu ou un magma très riche en gaz. Et, sur Terre, l'eau, sous forme de vapeur, est le principal gaz moteur des explosions volcaniques. Tout cela fait penser à des éruptions phréatomagmatiques.


Une analogie terrestre (ile Lipari, Italie) des affleurements martiens de Home Plate

Figure 2. Une analogie terrestre (ile Lipari, Italie) des affleurements martiens de Home Plate.

On voit les figures provoquées par la chute de blocs volcaniques projetés par des éruptions volcaniques riches en vapeur d'eau (éruptions phréatomagmatiques). C'est la comparaison entre des cas terrestres et des cas martiens similaires qui permet au géologue de proposer des interprétations de ce qu'il voit sur Mars par robot interposé.


Site 2 – Le site d'atterrissage de Curiosity, aout et septembre 2012

Figure 3. Le paysage près du site d'atterrissage de Curiosity.

Le substratum est constitué de couches horizontales qu'on peut suivre sur plusieurs centaines de mètres. Strates sédimentaires ou strates volcaniques ?


Détail d'une des couches photographiées près du site d'atterrissage de Curiosity

Figure 4. Détail d'une des couches photographiées près du site d'atterrissage de Curiosity.

Même à cette échelle, on voit que cette couche est constituée d'une accumulation de galets maintenant soudés, ce que les géologues appellent un conglomérat.


Figure 5. Zoom rapproché du conglomérat martien de la figure précédente, et d'un équivalent terrestre, les deux roches étant faites d'une accumulation de galets.

Certains galets sont émoussés voire arrondis. Ces galets ont été roulés par des courants d'eau. La similitude des roches suggère fortement une similitude d'origine.


Lits de galets déposés par la Durance à Manosque (Alpes-de-Haute-Provence)

Figure 6. Lits de galets déposés par la Durance à Manosque (Alpes-de-Haute-Provence).

Les conglomérats du site d'atterrissage de Curiosity ont dû se déposer dans un contexte analogue, à la végétation près.


Images brute et interprétée du site d'atterrissage de Curiosity (punaise jaune) vue depuis l'orbite

Figure 7. Images brute et interprétée du site d'atterrissage de Curiosity (punaise jaune) vue depuis l'orbite.

Trouver des galets sur ce site n'était pas une surprise. En effet, ce robot s'est posé sur la partie distale du cône alluvial (= cône de déjection), surligné en rouge, d'un ancien torrent, surligné en bleu, dévalant du plateau entourant la dépression périphérique du cratère Gale (cf. PIA16058: Curiosity Cradled by Gale Crater), cône et torrent étant parfaitement visibles sur les photos satellites détaillées prises avant l'arrivée de Curiosity. Il est à noter que les communicants de la NASA, quand on a découvert ces lits de galets et pour faire “mousser” leur agence, ont dit aux journalistes (qui n'y connaissaient rien) : « ça y est, on à la confirmation que de l'eau a coulé sur Mars ! » Et les journalistes s'adressant au public qui en connaissait encore moins ont dit : « ça y est, on a la preuve que de l'eau a coulé sur Mars. » Trouver des galets et la preuve que de l'eau a coulé au niveau d'un ancien cône alluvial, quelle nouvelle ! La surprise serait de ne pas en trouver.


Image aérienne d'un cône alluvial juste au centre de l'image

Figure 8. Image aérienne d'un cône alluvial juste au centre de l'image.

Ce cône se situe au Sud du Xinjiang, analogie terrestre du site d'atterrissage de Curiosity.


Figure 9. Harrison, un galet martien constitué d'une roche magmatique.

Les photos prises depuis l'orbite montraient que Curiosity s'était posé sur la terminaison d'un cône de déjection. On pouvait s'attendre à y trouver des galets, provenant de l'amont du torrent, quelque part sur le plateau ou dans les remparts du cratère Gale. Des galets du conglomérat ont été étudiés de près, comme ce galet nommé Harrison. Avec les photos disponibles, un géologue reconnait les minéraux blancs en latte, très probablement des feldspaths. Il est plus difficile de reconnaitre simplement avec une photo la nature du matériel sombre entourant les feldspaths. Verre volcanique foncé, ou pyroxène comme dans un gabbro ? Une analyse chimique (cf. fig. 39) permettra de trancher et d'identifier cette roche à une trachy-andésite.

Voir : V. Sauter et al, 2015. In situ evidence for continental crust on early Mars, Nature Geoscience [pdf]


Site 3 – Curiosity dans Yellowknife Bay, décembre 2012

Les strates de Yellowknife Bay

Figure 10. Les strates de Yellowknife Bay.

Vues de loin, ce sont des strates horizontales, sans galets visibles, mais faites de grès, ancien sable argileux consolidé. Comme le site 2, ce site 3 est situé dans la partie distale du cône alluvial visible sur la figure 7, à 400 m à l'Est du site d'atterrissage (site 2). La figure 11 montre un détail de ces strates.


Gros plan sur la roche constituant les strates de Yellowknife Bay

Figure 11. Gros plan sur la roche constituant les strates de Yellowknife Bay.

La forme arrondie des grains de sable constituant ce grès est tout à fait compatible avec sa situation à l'aval d'un cône de déjection. Le site 2 correspondait à d'anciens bancs de galets ; ce site 3 correspond à d'anciens bancs de sable. Ce sable a une composition de sable basaltique légèrement argileux. C'est dans de telles couches (un peu plus argileuses) que Curiosity a trouvé les premières traces de molécules carbonées sur Mars (cf. fig. 42).


Images brute et annotée montrant la géométrie de détail des couches de grès de Yellowknife Bay

Figure 12. Images brute et annotée montrant la géométrie de détail des couches de grès de Yellowknife Bay.

Ce dispositif de strates de 2e ordre inclinées contenues dans des strates de 1er ordre plus épaisses et horizontales est appelé “stratifications entrecroisées”. Un tel dispositif est caractéristique de sable déposé par des courants, coulant dans ce cas de droite à gauche.



Site 4 – Curiosity près du Mont Remarkable, le 15 mai 2014

Couches horizontales recouvrant des couches inclinées toutes dans le même sens sur plusieurs dizaines de mètres

Figure 14. Couches horizontales recouvrant des couches inclinées toutes dans le même sens sur plusieurs dizaines de mètres.

Il s'agit du même dispositif que dans les figures 12 et 13, mais à une beaucoup plus grande échelle. Très probablement, en ce lieu, un courant d'eau coulant de droite à gauche a déposé des strates inclinées sur une grande épaisseur, ce qui montre une certaine pérennité dans la géométrie des courants dans ce secteur.


Analogie terrestre de l'affleurement de la figure 14, grès fluviatiles de l'Éocène (50 Ma), La Caunette, Hérault

Figure 15. Analogie terrestre de l'affleurement de la figure 14, grès fluviatiles de l'Éocène (50 Ma), La Caunette, Hérault.

En bas, les couches inclinées ont été déposées par un courant allant de gauche à droite pendant un temps assez long. Les couches du haut, plus horizontales ont dû être déposées sur une topographie plus plate et presque sans courant (cf. Stratifications obliques dans les grès du Cuisien de La Caunette, Hérault).


Site 5 – Curiosity dans Hidden Valley, 8 décembre 2014

Image de couches régulières mais relativement épaisses, et très régulières

Figure 16. Image de couches régulières mais relativement épaisses, et très régulières.

De telles strates sont caractéristiques d'un milieu relativement stable, mais avec d'importants apports (sable et argile) venant du bord du lac.



Site 7 – Opportunity près du cratère Erebus, 31 décembre 2005

Images brute et annotée d'un affleurement où un voit que certaines couches (F) sont comme festonnées

Figure 21. Images brute et annotée d'un affleurement où un voit que certaines couches (F) sont comme festonnées.

Ces sortes de rides, nommées ripple marks sont ici symétriques, avec des pentes identiques de part et d'autre des crêtes sommitales. Un tel dispositif avec rides symétriques se crée sous de l'eau “clapotante”, les ondulations de la surface de l'eau déplaçant/regroupant les grains de sable du fond de l'eau. Dans la nature comme au laboratoire, l'écartement entre deux rides symétriques (ici environ 5 cm) est du même ordre de grandeur que la profondeur de l'eau. Ce sable martien s'est donc déposé, il y a 3 à 4 Ga au fond d'une étendue d'eau agitée par le vent, mais profonde de seulement quelques centimètres.


Affleurement terrestre constitué d'un ancien sable âgé de plusieurs milliers d'années où on voit que certaines couches sont comme festonnées (ancien lac glaciaire du Chili)

Figure 22. Affleurement terrestre constitué d'un ancien sable âgé de plusieurs milliers d'années où on voit que certaines couches sont comme festonnées (ancien lac glaciaire du Chili).

Ces sortes de rides, nommées ripple marks sont ici symétriques, avec des pentes identiques de part et d'autre des crêtes sommitales. Un tel dispositif avec rides symétriques se crée sous de l'eau “clapotante”, les ondulations de la surface de l'eau déplaçant/regroupant les grains de sable du fond de l'eau. Dans la nature comme au laboratoire, l'écartement entre deux rides (ici environ 10 cm) est du même ordre de grandeur que la profondeur de l'eau. Ce sable terrestre s'est donc déposé, il y a environ 150 000 ans au fond d'une étendue d'eau profonde de seulement quelques centimètres.


“Flaque d'eau” dégagée par la marée basse en Normandie

Figure 23. “Flaque d'eau” dégagée par la marée basse en Normandie.

Avant de se vider au bout de 2 ou 3 heures, cette ”flaque d'eau” d'environ 10 cm de profondeur avait sa surface agitée par le vent. Le sable au fond de la flaque s'est organisé en ripple marks symétriques, que la “vidange” de la flaque d'eau a mis en évidence.


Site 8 – Curiosity près de la roche Old Soaker, le 17 janvier 2017


Détail de la dalle rocheuse du centre de la figure précédente (à gauche) et équivalent terrestre (à droite)

Figure 25. Détail de la dalle rocheuse du centre de la figure précédente (à gauche) et équivalent terrestre (à droite).

Ces dalles, à gauche, sont constituées d'un ancien sable argileux (maintenant consolidé et transformé en roche). Le réseau polygonal qu'on y voit correspond à des fentes de dessiccation, figures classiques de sable argileux déposé sous l'eau et qui se craquelle dès que l'eau disparait. Ce sable argileux s'est déposé à une période où le lac était très peu profond, et s'asséchait pendant les périodes chaudes et sèches. À droite, équivalent terrestre (en bordure du désert de Gobie, Mongolie) des fentes de dessiccation martiennes.


Site 9 – Opportunity près du rocher El Capitan le 2 mars 2004

Figure 26. Affleurement photographié par Opportunity montrant des strates horizontales perforées de “trous” de forme géométrique.

Un géologue expérimenté reconnait des emplacements de cristaux solubles qui ont cristallisé dans la roche en formation, et qui ensuite ont été dissouts. Ces “trous” sont nommés “pseudomorphoses”. La forme de ces pseudomorphoses suggère fortement que ces cristaux disparus étaient des cristaux de gypse, sulfate de calcium hydraté. Sur Terre, le gypse se dépose classiquement au fond de lac salé (ou de lagune côtière) en voie d'évaporation.


Exemple de roche sédimentaire terrestre âgée de 20 Ma (Peyriac-de-Mer, Aude) et contenant des cristaux de gypse

Figure 27. Exemple de roche sédimentaire terrestre âgée de 20 Ma (Peyriac-de-Mer, Aude) et contenant des cristaux de gypse.

Cette roche et ses cristaux ont été dégagés par un éboulement récent. Le gypse étant soluble, il suffira d'attendre quelques années d'humidité et de pluie pour que le gypse disparaisse et qu'il ne reste plus que des trous de forme géométrique, comme sur Mars à la figure 26.


Exemple d'un milieu terrestre (le désert d'Atacama, au Chili) où l'on voit, du premier à l'arrière-plan   (1) des fentes de dessiccation, (2) des croutes de sel et de gypse, (3) des plans d'eau très peu profonds, (4) des épandages de sables volcaniques provenant (5) d'une chaine de volcans

Figure 28. Exemple d'un milieu terrestre (le désert d'Atacama, au Chili) où l'on voit, du premier à l'arrière-plan   (1) des fentes de dessiccation, (2) des croutes de sel et de gypse, (3) des plans d'eau très peu profonds, (4) des épandages de sables volcaniques provenant (5) d'une chaine de volcans.

Ce paysage terrestre est l'équivalent d'une synthèse des paysages martiens révélés par (dans le même ordre) les figures 24 et 25 (fentes de dessiccation), 26 (cristaux de gypse), 21 (rides de clapot), 11(sable basaltique) et 1 (paysage volcanique). Ce paysage montre en plus quelque chose de jamais vu sur Mars : la vie, sous la forme, ici, de trois flamants roses volant à droite du volcan, et d'un autre tout à droite fouillant la vase de son bec pour en extraire sa nourriture constituée de petits crustacés et bactéries diverses qui abondent dans ces milieux terrestres sursalés.


Site 10 – Curiosity, entre Pahrump Hills et Gobabed, le 27 août 2015



Images dessinées par la NASA reconstituant ce que pouvaient être différents paysages à différentes périodes dans la région explorée par Curiosity

Figure 31. Images dessinées par la NASA reconstituant ce que pouvaient être différents paysages à différentes périodes dans la région explorée par Curiosity.

Sur la photo de gauche, des argiles se déposent dans des étendues d'eaux peu profondes qui s'assèchent souvent. Tout à gauche, des petites dunes de sable rouge recouvrent les argiles.

Sur la photo du centre, la région au pied d'un cône alluvial est inondée. Des bancs de sables et de galets se déposent sur les bords des torrents coulant sur le cône, ou sous l'eau près du “rivage”. Des sédiments plus fins et en couches régulières se déposent au milieu du lac.

Sur la photo de droite, on est à une époque avec forte érosion et où le cône alluvial progresse beaucoup, en déposant des galets à son pied.


Entre le moment où se forment les roches et aujourd'hui, il peut leur arriver beaucoup de choses. Elles peuvent être déformées, altérées, érodées… Dans les régions explorées par Opportunity et Curiosity, les roches ont été fracturées et parcourues par des eaux riches en sels divers.

Site 11 – Curiosity au pied de Naukluft Plateau le 17 février 2017

Réseau de filons de gypse (CaSO4, 2 H2O) recoupant des roches martiennes

Figure 32. Réseau de filons de gypse (CaSO4, 2 H2O) recoupant des roches martiennes.

Il s'agit d'anciennes fissures dans lesquelles a circulé de l'eau riche en sulfates (eaux acides), sulfates qui se sont déposés sur les bords des fractures.


Gros plan sur un filon de gypse martien

Figure 33. Gros plan sur un filon de gypse martien.

On reconnait bien les cristaux de gypse, et on remarque qu'ils ont crû perpendiculairement aux épontes, comme dans les filons de gypse terrestres. L'analyse chimique a confirmé qu'il s'agissait de sulfate de calcium (cf., plus loin, la figure 41).


Vues d'ensemble et de détail sur un filon de gypse du Pays basque, équivalent terrestre des deux photographies précédentes

Site 12 – Curiosity près de Maria Pass, mai à juillet 2015

Contact entre deux unités de terrains martiens

Figure 35. Contact entre deux unités de terrains martiens.

En haut, avec des strates visibles, on voit des grès fluviatiles et/ou éoliens semblables à ceux du site 3. En bas, plus clairs et plus roses, on voit des sédiments beaucoup plus fins (strates invisibles depuis cette distance), semblables à celles des sites 6 et 6 bis. Des mini-dunes actuelles de sables, mobiles au grès de vents, recouvrent partiellement ce contact.


Plan rapproché sur le contact entre les deux unités de terrains martiens visibles sur la photo précédente

Figure 36. Plan rapproché sur le contact entre les deux unités de terrains martiens visibles sur la photo précédente.

En haut les strates de grès formant des couches relativement épaisses identiques à celles du site 3, très vraisemblablement déposées par des cours d'eau.

En bas des strates fines (épaisseur < 1 cm), identiques à celles du site 6 bis (fig. 19), très vraisemblablement déposées dans des eaux calmes d'un lac assez profond. Cette unité inférieure est traversée de filon de gypse, comme au niveau du site 11. Ces filons s'arrêtent au sommet de l'unité inférieure, sans pénétrer l'unité supérieure.

On peut reconstituer l'histoire de ce site 12 de la façon suivante. Dans un premier stade, se déposent des couches fines et régulières dans un lac calme et relativement profond. Dans un deuxième temps, ces couches sont fracturées, et les fissures sont remplies de gypse par des circulations d'eau. Dans un troisième temps, une érosion enlève une certaine épaisseur de l'unité inférieure et des filons qui la recoupent. Enfin, dans un quatrième temps, des cours d'eau déposent des sables relativement grossiers. Une érosion “récente” donne au site son visage actuel.


Des analyses sur Mars

En plus des observations “visuelles”, les robots étaient pourvus de divers instruments d'analyse minéralogique ou chimique, plus performants pour Curiosity que pour Spirit et Opportunity. Nous vous montrons six résultats d'analyses et les conclusions qu'on peut rapidement en tirer.

Analyse 1 – Découverte de la jarosite et d'un milieu acide

Figure 37. Exemple d'un résultat d'une analyse Mossbauer faite par Opportunity près du site 9.

Cette technique permet d'identifier les minéraux contenant du fer. Un spécialiste de cette spectroscopie identifierait sans problème de la jarosite, un sulfate hydraté de potassium, sodium et fer. L'intérêt géologique de la jarosite, c'est que ce sulfate ne précipite qu'en milieu très acide (pH de 2 à 4). Le milieu aquatique dans lequel se sont formés les sédiments explorés par Opportunity avait donc un pH inférieur à 4. Sur Terre, un tel milieu peut abriter de nombreuses formes de vie (dites acidophiles). Mais les chimistes nous disent que les réactions chimiques nécessaires à la formation des molécules prébiotiques et à leur polymérisation sont impossibles à un pH aussi bas. Si la vie est née sur Mars avant que ce pH n'existe, ou ailleurs sur Mars, elle aurait pu continuer à se développer. Mais elle n'aurait pas pu apparaitre dans un tel milieu acide, si la vie martienne était basée sur le même genre de molécules que la vie terrestre.


Analyse 2 – Découverte des smectites et d'un milieu neutre

Exemple des 1re et 2e diffractions X faites par Curiosity, la première sur le sable d'une dune active (Rocknest Sand, à gauche), et la 2e sur les sédiments gréseux de Yellowknife Bay (John Klein, à droite)

Figure 38. Exemple des 1re et 2e diffractions X faites par Curiosity, la première sur le sable d'une dune active (Rocknest Sand, à gauche), et la 2e sur les sédiments gréseux de Yellowknife Bay (John Klein, à droite).

Un spécialiste de diffraction X identifierait sans problème de la smectite, une variété d'argile (phyllosilicate) dans les sédiments gréseux de l'affleurement nommé John Klein. L'intérêt géologique des smectites, c'est que cette famille d'argiles ne se forme qu'en milieu neutre. Le milieu aquatique dans lequel se sont formés les sédiments explorés par Curiosity dans Yellowknife Bay avait donc un pH voisin de 7. Un tel pH est favorable et à une chimie prébiotique et au développement de la vie, du moins la vie “à la mode” terrestre.


Analyse 3 – Mesure des relations SiO2/Na2O+K2O, découverte d'une série alcaline

Résultats de très nombreuses analyses chimiques dans un diagramme alcalin / silice (diagramme TAS = Total Alkali Silica) faites sur échantillons magmatiques martiens, analyses faites par spectroscopie X-a et/ou par ChemCam

Figure 39. Résultats de très nombreuses analyses chimiques dans un diagramme alcalin / silice (diagramme TAS = Total Alkali Silica) faites sur échantillons magmatiques martiens, analyses faites par spectroscopie X-a et/ou par ChemCam.

Ces résultats montrent que la chimie des roches magmatiques analysées par Spirit est “monotone”, et proche de celle des basaltes. Par contre, l'analyse des roches magmatiques de Curiosity dans le cratère Gale (éléments trouvés dans les conglomérats) montre qu'une différenciation magmatique a eu lieu dans ce secteur de Mars. Cette différenciation ressemble beaucoup à celle conduisant, sur Terre, à la série alcaline. Le galet nommé Harrison (figure 9) est représenté par des étoiles vertes. Il a la chimie d'une trachy-andésite, ce qui est tout à fait compatible avec l'observation macroscopique (feldspath et verre assez sombre).

Voir : V. Sauter et al, 2015. In situ evidence for continental crust on early Mars, Nature Geoscience [pdf]


Analyse 4 – Mesure des relation SiO2/TiO2, découverte d'une altération acide

Figure 40. Exemple de résultats obtenus par l'analyse (spectroscopie X-a) de la composition chimique de nombreuses roches analysées par Curiosity le long de son trajet, analyses concernant les teneurs en silicium et en titane.

La teneur en ces deux éléments varie de façon conjointe dans les roches altérées et enrichies en silice. Un spécialiste de l'altération reconnaitrait l'évolution caractéristique de roches silicatées altérées en milieu légèrement acide. Si cette interprétation est correcte, cela signifie que ces roches ont été déposées en milieu neutre (elles contiennent des smectites, cf. figure 38) puis ont été altérées au contact d'une eau plus acide. On assiste là à l'acidification des eaux martiennes.


Analyse 5 – Identification du sulfate de calcium

Figure 41. Résultat de l'analyse de deux filons blancs (nommés Crest et El Capitan) semblables à ceux du site 11 (fig. 32 et 33) par la caméra chimique ChemCam (analyse spectrale d'un plasma engendré par un “flash laser”).

L'analyse d'un basalte voisin est donnée pour comparaison. Ces deux filons contiennent du calcium, du soufre et de l'hydrogène. Par comparaison, on voit que le basalte contient du calcium, mais quasiment pas de soufre ni d'hydrogène. Le minéral remplissant ces filons est donc très vraisemblablement du gypse (CaSO4 , 2 H2O), ou éventuellement de la bassanite (CaSO4 ,1/2 H2O). La présence de gypse remplissant des filons montre que de l'eau chargée en sulfates a circulé (à basse ou moyenne température) dans un réseau de fractures affectant les sédiments de Yellowknife Bay.


Analyse 6 – Il y a des molécules carbonées dans les roches martiennes, mais Curiosity ne peut pas les analyser

Exemple des résultats des premières recherches de molécules carbonées dans les sédiments de Yellowknife Bay par le spectromètre de masse de Curiosity installé à l'aval d'un chromatographe en phase gazeuse

Figure 42. Exemple des résultats des premières recherches de molécules carbonées dans les sédiments de Yellowknife Bay par le spectromètre de masse de Curiosity installé à l'aval d'un chromatographe en phase gazeuse.

Ces analyses prouvent qu'il y a des traces de molécules carbonées dans ces sédiments, mais la technique analytique employée (analyse des gaz dégagés par une pyrolyse) associée à la présence de perchlorates dans le sol a presque totalement détruit ces molécules carbonées, ce qui empêche d'en connaitre la masse et nature ; on ne récupère que de petits fragments organochlorés. Étaient-ce des molécules biologiques, prébiotiques, d'origine purement “minérale” ? D'autres techniques analytiques devront être employées lors des prochaines missions martiennes, comme la spectroscopie Raman.


Et Perseverance

C'est en combinant toutes ces observations faites sur des sites comme les douze sélectionnés dans cet article, sélectionnés pour leur variété et pour la richesse des conclusions qu'on peut en tirer, et faites bien sûr sur des centaines d'autres sites, que les géologues des équipes de Spirit, Opportunity et Curiosity ont pu reconstituer l'histoire géologique de ces trois sites d'atterrissage relatée au début de cet article.

Et c'est ce genre de démarche que devront faire « en direct » les scientifiques et les ingénieurs de Perseverance (robot de la mission Mars 2020 qui doit se poser le 18 février 2021 sur la planète rouge). Avec des vues orbitales et d'autres prises par Perseverance avec des caméras à grand angle, les ingénieurs et les géologues choisiront les sites à visiter et le trajet à prendre pour y aller. Avec les caméras à plus petit champ, donc à meilleure résolution, et avec le spectro-imageur à distance SuperCam, les géologues choisiront quelle(s) partie(s) du site étudier à haute résolution, « par contact ». Au contact de l'affleurement et grâce à un bras porte-outils, la spectrométrie X à haute résolution, la fluorescence UV et la diffusion Raman permettront aux ingénieurs et aux géologues de connaitre les compositions chimique, minéralogique et « organique ». En fonction de ces résultats, les géologues décideront ou non de prélever des mini carottes à ramener sur Terre dans une dizaine d'années. Comme Perseverance ne pourra recueillir au maximum que 43 carottes d'une dizaine de grammes chacune, les géologues n'auront pas intérêt à se tromper dans leur choix au risque de rapporter des « cailloux sans intérêt ».