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Traces d'eau à la surface de Mars

L'hématite (II)

La grande région de Terra Meridiani (3°S à 0°N de latitude et 352°E à 1°E de longitude) s'étend sur des milliers de kilomètres dans la région équatoriale de Mars. C'est une zone rocheuse qui peut être comparée aux terres de l'Utah ou du nord de l'Arizona. Ce patchwork de régions claires et sombres semble avoir subit tous les phénomènes météorologiques et géologiques : du volcanisme, de la sédimentation, l'érosion par les vents, et elle dû faire partie de l'écorce historique primitive de Mars. Mais elle est remarquablement exempte de cratères ce qui intrigua les scientifiques se demandant quelle force avait pu former cette région ? La relative absence de cratères d'impacts récents laisse à penser que cette région est relativement jeune.

A gauche, un exemple typique de sphérules ressemblant à des myrtilles découvertes par Opportunity dans une dépression sur le site de Meridiani Planum le 11 mars 2004. A droite, des concrétions amalgamées. Il s'agirait de structures minérales formées par percolation d'eau à travers des roches poreuses. Documents NASA/JPL/Cornell.

Plus intéressant encore, Terra Meridiani est riche d'un minerai cristallin gris, l'hématite. Considéré comme l'une des découvertes majeures de la mission Mars Global Surveyor, l'hématite se concentre principalement autour de Terra Meridiani. Sur Terre, l'hématite est presque toujours associée à de l'eau ayant filtrée à travers le sol lui donnant ces proportions uniques de matière cristalline. Mais dans certains échantillons terrestres (Chili et Mexique), des fluides riches en fer peuvent également donner naissance à des dépôts similaires à ceux découverts sur Mars, même en l'absence d'eau. Selon Brian Hynek de l'Université Washington à Saint Louis, ce minerai a pu se former par oxydation (rouille) des flots de lave, suivi d'une précipitation et d'une sédimentation par des flots fluides beaucoup plus tard.

Ce n'est que lorsque Opportunity commença à gravir les parois du cratère Eagle dans lequel il se posa qu'il put explorer les champs d'hématite, dont voici l'analyse spectrale, qui avaient attiré les scientifiques dans Meridiani planum. L'équipe de MER espère toujours découvrir si l'hématite, qui est plus jeune que l'affleurement, a également une "histoire d'eau" à nous raconter, et quelle peut être sa relation avec la Corniche d'Opportunity.

A lire : Mineral in Mars 'Berries' Adds to Water Story, NASA, 2004

Des champs de sphérules riches en hématite (de l'oxyde de fer) incrustées dans la roche martienne comme des myrtilles découverts par Opportunity sur son site d'atterrissage dans le cratère Eagle (gauche) et près du cratère Fram (droite). Ici également, leur présence est en relation avec l'histoire de l'eau sur Mars. Lire aussi Astrobioloy Magazine. Au sujet des sphérules et leur interprétation, lire aussi l'avis des pseudoscientifiques. Documents NASA/JPL/Cornell.

Pour Squyres, "c'est le premier rocher que nous avons découvert en ouvrant les yeux, et il est juste à 10 mètres de l'endroit où la sonde a atterri. Or il peut y avoir de bien plus belles choses alentour. Aussi si nous prenons plaisir à travailler sur chaque centimètre de cet affleurement, nous allons également aller voir plus loin pour découvrir d'autres choses." Le 3 mai 2004, au 94e sol de la mission MER, après avoir progressé durant 6 semaines dans une morne plaine, Opportunity atteignait le versant ouest du cratère Endurance de 130 m de diamètre. Il offrait une paroi assez raide plongeant plusieurs mètres en contre-bas. Endurance est composé de la même matière que la Corniche analysée quelque temps plus tôt par Opportunity.

Le détecteur infrarouge révéla que le cratère Endurance était riche en hématite. Ses versants sont constitués de basalte, d'origine volcanique, mais qui a très bien put être réduit en grains sous l'effet de l'érosion et être redéposé ensuite par l'action du vent ou de l'eau. Enfin, les crêtes du cratère sont couvertes de poussière martienne.

Cet endroit est très intéressant à explorer car il permet d'étudier différents niveaux géologiques et de remonter certainement à plusieurs millions d'années dans le passé de Mars. Toutefois pour élaborer l'histoire géologique complète de Meridiani Planum et établir sa relation avec les autres régions martiennes, les scientifiques devront attendre les prochaines missions martiennes.

Un ancien lac dans le cratère Gale ? Erratum

En explorant les versants et la plaine du cratère Gale, aux pieds du Mont Sharp culminant à 5500 m d'altitude au centre du cratère, le rover Curiosity trouva les sites de Kimberley et de "Whale rock" que l'on voit ci-dessous. Ces deux sites présentent des roches stratifiées et des traces de sédiments.

A voir : Curiosity Rover Report (August 5, 2016): Four Years on Mars, NASA/JPL

Les roches stratifiées et comblées de sédiments sur les sites de Kimberley exploré par le rover Curiosity le 25 mars 2014 (gauche) et de "Whale rock" (droite) exploré le 2 novembre 2014 situés aux pieds du Mont Sharp culminant à 5500 m au centre du cratère Gale. Le sol est couvert de sable et de limon provenant des aérosols et non d'un ancien lac comme on l'a longtemps cru. La balance des couleurs a été établie sur une lumière blanche similaire à celle qu'on observe sur Terre. Documents NASA/JPL/MSSS.

En 2014, les géologues pensaient que toute cette région fut comblée par un lac il y a des milliards d'années. Mais des études plus approfondies réalisées par des chercheurs de l'Université de Hong Kong suggèrent plutôt que le site subit les effets d'un lessivage subaérien intense qui altéra les roches (cf. Jiacheng Liu et al., 2021).

Les chercheurs ont procédé à des mesures chimiques et des mesures de diffraction des rayons X (XRD), en plus de l'analyse des images de la texture des roches. Les résultats indiquent qu'il s'agit de dépôts sédimentaires de sable et de limon déposés sous forme d'aérosols et sculptés par le vent.

Selon les chercheurs, les minéraux altérés formés par l'interaction entre l'eau et le sable ne se sont pas produits en milieu lacustre. L'environnement "humide" représente en fait un lessivage similaire à la formation du sol sous la pluie dans une atmosphère ancienne qui était très différente de l'actuelle.

A gauche, image composite prise le 9 septembre 2015 par la MastCam du rover Curiosity montrant des couches de roches sédimentaires sur le Mont Sharp situé au centre du cratère Gale. La crête située à l'avant-plan se situe à 3 km de distance. Elle contient de l'hématite et de l'oxyde de fer, autrement dit Mars rouille. L'analyse des roches permet de comprendre comment elles se sont formées à différents niveaux et donc à différentes époques. A droite, image composite du Mont Mercou, une butte de 7 m de haut (à l'avant-plan) située sur les flancs du Mont Sharp, photographiée par le rover Curiosity le 5 mars 2021, au sol 3049. A l'arrière-plan, quelques belles falaises. Image traitée par l'auteur. Voir aussi cette photo des nuages au-dessus du Mont Mercou prise le 19 mars 2021. Documents NASA/JPL Photojournal et NASA/JPL/MSL/T.Lombry.

Selon Joseph R. Michalski, coauteur de cette étude, "Jiacheng a mis en évidence des processus chimiques très importants dans les roches, qui ne peuvent pas être expliqués dans le contexte d'un environnement lacustre. Le point clé est que certains éléments sont mobiles, ou faciles à dissoudre dans l'eau, et certains éléments sont immobiles, ou en d'autres termes, ils restent dans les roches. Qu'un élément soit mobile ou immobile dépend non seulement du type d'élément mais aussi des propriétés du fluide. Le fluide était-il acide, salin, oxydant, etc ? Les résultats de Jiacheng montrent que les éléments immobiles sont corrélés les uns aux autres et fortement enrichis à des altitudes plus élevées dans le profil rocheux. Cela indique une altération descendante comme on le constate dans les sols. De plus, il a montré que le fer s'épuise à mesure que l'altération augmente, ce qui signifie qu'à l'époque l'atmosphère martienne était réductrice et n'était pas encore en train d'oxyder la planète rouillée qu'on observe aujourd'hui."

Nous verrons plus loin que d'autres sites supposés abriter des lacs souterrains ne contiendraient en fait que de l'argile.

De l'argile à Aberlady et Kilmarie

Grâce aux forages de Curiosity, en 2019 les planétologues de la NASA confirmèrent la découverte d'une zone argileuse dans les zones rocheuses appelées "Aberlady" et "Kilmarie". Comme on le voit ci-dessous, les deux sites de forage apparaissent dans un selfie pris par le rover le 12 mai 2019, au 2405e sol ou jour martien de la mission.

Cette région riche en argile fut d'abord détectée par les orbiters avant la mission de Curiosity en 2012. Elle se situe sur le flanc du Mont Sharp, dans le cratère Gale. Curiosity a donc exploré les flancs de ce mont pour vérifier s'il disposait jadis des conditions nécessaires au développement de la vie.

L'argile se forme souvent dans l'eau, d'où sa présence conjointe sur Terre avec des traces ou des formes de vie élémentaires. Deux forages furent effectués au Sol 2370 (Aberlady) et au Sol 2384 (Kilmarie). Les échantillons de roches furent analysés par l'instrument CheMin (chemistry and mineralogy) qui détecta de l'argile et un tout petit peu d'hématite qui était abondant juste au nord, sur la crête de Vera Rubin.

A gauche, un selfie réalisé par Curiosity le 12 mai 2019 au Sol 2405 dans une zone contenant de l'argile située sur le flanc du Mont Sharp, dans le cratère Gale. Il s'agit du photomontage de 57 images prises avec la caméra MAHLI (Mars Hand Lens Imager). Au centre et à droite, l'agrandissement des deux forages réalisés par Curiosity, respectivement Aberlady (situé en-dessous à gauche de Curiosity) et Kilmarie (situé à gauche de Curiosity) photographiés respectivement avec la caméra Mastcam et la caméra MAHLI. Les deux forages sont séparés de 50 cm et mesurent 2.5 cm de diamètre pour 5 cm de profondeur. Documents NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Mise à part la preuve qu'il y avait autrefois une importante quantité d'eau dans le cratère Gale, les chercheurs débattent encore du sens de ces nouvelles découvertes dans cette région. En effet, il est possible que les roches de la région formaient à l'origine des couches de boue au fond d'anciens lacs (comme Curiosity le découvrit sur le Mont Sharp). Au fil du temps, l'eau interagit avec les sédiments, laissant de grandes quantités d'argile dans les roches.

Notons que le jour du selfie Curiosity fit une pause pour observer des nuages aux Sol 2400 et 2405. Il photographia des nuages élevés, probablement des nuages de glace situés à environ 31 km au-dessus la surface.

Des ondulations pétrifiées de vagues sur le Mont Sharp

En explorant les contreforts du Mont Sharp, le rover Curiosity a découvert des roches portant des traces ondulées, similaires aux rides qu'on peut trouver sur une plage après la marée ou sur les fonds marins sablonneux. Ces empreintes offrent aux scientifiques la preuve la plus évidente à ce jour qu'il existait sur Mars de l'eau faisant des vagues dans un lointain passé. Les rides mesurent entre 30 cm et plus d'un mètre de longueur et sont espacées d'environ 5 cm.

A voir : Curiosity Rover Finds New Clues to Mars' Watery Past, NASA/JPL, 2023

A gauche, une vue à ~210° du site de "Marker Band Valley" (les couches plus sombres au centre) où le rover Curiosity a photographié des ondes ou rides pétrifiées créés il y a des milliards d'années bien visibles sur la partie avant droite. A droite, un agrandissement. Le panorama est un compositage de 137 photos prises le 16 décembre 2022 au Sol 3684 et colorisées pour la lumière blanche terrestre (sinon les couleurs seraient plus ternes et tirant sur le brun-olive). On aperçoit le sommet du Mont Sharp dans le fond à droite. L'image de gauche est un extrait du panorama à 360° corrigé par l'auteur. Documents NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Selon les chercheurs, ces empreintes représentent des vagues d'eau clapotant à la surface d'un ou plusieurs petits lacs peu profonds ayant existé il y a probablement plusieurs milliards d'années, à une époque où le climat de Mars était en train de s'assécher. C'est le mouvement de l'eau en surface qui souleva des sédiments du fond, formant la texture peignée.

Ces roches ondulées furent découvertes sur la pente du Mont Sharp à environ 800 m d'altitude dans une zone de dépôts lacustres, sur une formation appelée "Marker Band", une fine couche sombre de roche prise en sandwich entre des couches plus claires. Les chercheurs l'avait repérée sur les images prises par l'orbiteur plusieurs années avant la mission Curiosity.

Le cratère Gale photographié par la caméra stéréo haute résolution (HRSC) avec la localisation du ou des lacs peu profonds en incrustation bleue. A gauche, la topographie jusqu'à l'altitude de -4400 m estimée à partir du modèle de grand lac adopté par M.C. Palucis et al. (2016). À droite, le modèle de petits lacs décrit par J.Liu et al. (2021) qui se situent à environ -4500 m. L'ellipse et l'étoile sont la zone d'atterrissage du rover Curiosity. Documents ESA/HRSC/DLR.

Ce n'est pas la première fois que le rover Curiosity explore d'anciennes zones inondées mais c'est la toute première fois qu'il trouve des preuves comme celles-ci dans un endroit jugé a priori sec.

Rappelons que depuis 2014, Curiosity a lentement gravi la pente du Mont Sharp, haute de près de 5500 m par rapport au fond du cratère Gale et autrefois bordé de ruisseaux. Curiosity explore un environnement qui aurait pu être hospitalier pour des micro-organismes.

Après avoir découvert des concrétions formées par perculation, des lits de rivières, des vallées de débacles, des bassins grands comme des océans, ces traces de vagues d'un ancien lac apportent un indice de plus en faveur d'un passé liquide et d'une possible vie martienne primitive. Mais cela ne signifie pas que l'environnement était habitable. Il faut encore explorer d'anciens sites humides voire marins ainsi que les abords des calottes polaires et le sous-sol pour espérer trouver des preuves d'une vie microbienne.

En attendant, les géologues peuvent apprendre beaucoup de ces rides pétrifiées. L'espacement entre les rides par exemple, est un indicateur de la profondeur de l'eau et de la taille des vagues qui les ont modelées (cf. Vagues et houles).

Ces rides se forment comme les dunes ou les fonds sablonneux sur Terre : à partir d'une certaine vitesse de déplacement, l'eau (ou le vent) emporte les grains de sable et les dépose plus loin, en fonction de leur poids. Lorsque le mouvement de l'eau est provoqué par la houle, il se forme des rides symétriques appelées des rides d'oscillation. En revanche, si le mouvement est provoqué par un courant, les rides sont asymétriques (la face exposée au courant ou au vent est en pente douce, tandis que celle qui sous le courant ou sous le vent présente une pente plus abrupte) et forment ce qu'on appelle des rides de courant.

Des traces d'environnement aquatique près de Jezero

Des images prises par le rover Perseverance semblent révéler un ancien fleuve turbulent, plus profond et plus rapide que tout ce que les planétologues avaient vu jusqu'à présent. Ce fleuve faisait partie d'un réseau qui se déversait dans le cratère Jezero, la zone explorée par le rover depuis son atterrissage en 2021 (cf. JPL, 2023).

Une photo mosaïque prise par le rover Perseverance montrant des bandes incurvées au lieu-dit "Skrinkle Haven" sur le site de "l'Unité Curviligne". Document NASA/JPL-Caltech.

Les preuves laissées dans les roches forcent les scientifiques à repenser l'aspect des environnements aquatiques de l'ancienne Mars. Comprendre ces environnements aquatiques pourrait aider les scientifiques dans leurs efforts pour rechercher d'anciennes traces de vie microbienne qui auraient pu être préservés dans les roches martiennes.

Comme illustré à gauche, Perseverance a exploré le sommet d'un monticule de roches sédimentaires en forme d'éventail qui mesure 250 m de haut et présente des couches incurvées évoquant l'écoulement de l'eau. Cette formation avait déjà été identifiée depuis l'espace il y a plusieurs années et les spécialistes l'avaient surnommée "Curvilinear Unit" (l'Unité Curviligne), mais c'est la première fois qu'ils peuvent la voir de près. Ce site est surnommé "Skrinkle Haven".

Une question à laquelle les scientifiques veulent répondre est de savoir si cette eau coulait dans des fleuves ou des rivières relativement peu profondes - plus proches de ce que le rover Curiosity trouva dans le cratère Gale - ou dans un système fluvial plus puissant.

Les nouvelles images prises par Perseverance renforcent cette seconde hypothèse suite à la découverte de deux indices importants : des grains de sédiments grossiers et des galets.

Selon la postdocorante Libby Ives du JPL qui exploite les images prises par Perseverance, "[Ces incides] indiquent un fleuve (ou une rivière) à haute énergie qui transporte beaucoup de débris. Plus le débit d’eau est puissant, plus il est facile de déplacer de gros morceaux de matériau." Avec une formation dans l'étude des fleuves terrestres, Ives a passé six mois à analyser des images de la surface de la planète Rouge. Elle avoue que "Ce fut un plaisir de regarder des roches sur une autre planète et de voir des processus si familiers."

Les scientifiques sont certains que les couches incurvées furent formées par de l'eau qui coulait puissamment, mais les images de la Mastcam-Z ne permettent pas de savoir de quelle type de courant il s'agit, soit un fleuve lent qui serpente à travers le paysage (comme le Rhin en Allemagne ou le Mississippi aux Etats-Unis) soit un fleuve tumultueux et stressé qui forme des bancs de sable (comme la Loire en France ou le Platta au Nebraska).

La colline sédimentaire de "Pinestand" de "l'Unité Curviligne" photographiée par le rover Perseverance. Document NASA/JPL-Caltech.

Vues du sol, les couches incurvées sont disposées en rangées qui s'étendent à travers le paysage. Il peut s'agir des vestiges des berges d'un fleuve qui se sont déplacées au fil du temps ou des vestiges de bancs de sable qui se sont formés dans le fleuve. Les couches étaient probablement beaucoup plus hautes dans le passé. Les scientifiques soupçonnent qu'après la transformation de ces couches sédimentaires en roche (la lithification), elles furent sablées et sculptées par le vent au cours des éons jusqu'à leur donner leur taille actuelle.

Selon Michael Lamb de Caltech, spécialiste des cours d'eau et collaborateur de l'équipe scientifique de Perseverance, "Le vent a agi comme un scalpel qui coupa le dessus de ces gisements. Nous voyons des gisements comme celui-ci sur Terre, mais ils ne sont jamais aussi bien exposés que sur Mars. La Terre est recouverte d'une végétation qui cache ces couches."

Une deuxième mosaïque présentée à droite également prise par Perseverance montre une autre formation qui fait partie de l'Unité Curviligne située à environ 450 m de Skrinkle Haven. Dénommée "Pinestand", c'est une colline isolée présentant des couches sédimentaires courbées vers le ciel, certaines atteignant 20 m de hauteur. Les scientifiques pensent que ces couches surélevées pourraient également avoir été formées par un puissant fleuve, bien qu'ils explorent également d'autres explications.

Selon Ives, "Ces couches sont anormalement hautes pour des fleuves terrestres. Mais en même temps, le moyen le plus courant de créer ce type de relief serait un fleuve."

Selon Katie Stack Morgan du JPL, adjointe au projet Perseverance, "Ce qui est excitant ici, c'est que nous sommes entrés dans une nouvelle phase de l'histoire de Jezero. Et c'est la première fois que nous voyons des environnements comme ceux-ci sur Mars. Nous pensons aux fleuves à une échelle différente de celle que nous avions auparavant."

L'équipe continue d'étudier les images de la Mastcam-Z à la recherche d'indices supplémentaires. Ils explorent également le sous-sol en utilisant l'instrument radar RIMFAX (Radar Imager for Mars' Subsurface Experiment) de Perseverance.

Prochain chapitre

Les coulées sombres et les perchlorates

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