Effet de la dichotomie Nord/Sud sur l’évolution thermique et la structure de Mars

La dichotomie d’aspect et d’altitude entre les hémisphères nord et sud de Mars est l’une des plus anciennes et des plus impressionnantes structures qui marquent la surface de la planète. Cette dichotomie de surface s’étend probablement en profondeur, impliquant des différences en termes d’épaisseur, et potentiellement de composition, entre les croûtes des deux hémisphères. Dans ce manuscrit nous étudions les conséquences d’une éventuelle dichotomie entre les propriétés crustales nord et sud sur l’évolution thermique et la structure interne de Mars. Afin d’explorer de vastes gammes de paramètres, l’utilisation de modèles thermiques 1-D paramétrés est nécessaire. En comparant des modèles 1-D et 3-D dans des simulations Monte Carlo, nous déterminons des paramètres d’échelle appropriés (arh et βu dans cette étude) pour décrire le flux de chaleur observé à travers les couches supérieures du manteau lors du refroidissement d’une planète présentant une couche stagnante à sa surface. Bien que ces paramètres d’échelle soient sensibles, en particulier, au mode de chauffage du manteau qui évolue dans le temps, une unique paire de arh and βu peut décrire de manière satisfaisante l’évolution thermique de Mars. Nous testons par ailleurs l’effet de différents paramètres (rayon du noyau, températures interne et de surface…) et montrons qu’une paire identique de paramètres arh = 2.54 et βu = 0.335 peut être utilisée pour tous ces cas de figure. En utilisant ces lois d’échelle dans des modèles thermiques 1-D, nous recherchons les propriétés des croûtes nord et sud pouvant expliquer l’existence d’un volcanisme récent sur Mars ainsi que les estimations des épaisseurs de la lithosphère élastique : ∼ 25 km durant le Noachien et une grande différence actuelle sous les deux calottes polaires (> 300 km au nord et > 110 km au sud). Nos résultats indiquent que 55 − 65 % de la totalité des éléments radioactifs de la planète doivent être concentrés dans la croûte, principalement dans celle du sud (43 − 51 %) qui peut être moins dense que la croûte nord et contenir une proportion non négligeable de roches felsiques. Nous prédisons des flux de chaleur de surface actuels de 17.1 − 19.5 mW/m2 dans le nord et 24.8 − 26.5 mW/m2 dans le sud, ainsi qu’une grande différence entre les températures lithosphériques des deux hémisphères (170 − 304 K dans le manteau peu profond). Dans le contexte de la mission InSight, nous étudions également l’effet de nos modèles thermiques sur la propagation des ondes de surface. Nous trouvons que les vitesses des ondes de surface dépendent principalement de l’épaisseur de la croûte ainsi que, dans une moindre mesure, de la composition de la croûte et des températures lithosphériques. Le long d’un grand cercle, elles sont influencées par les propriétés des deux hémisphères mais probablement sur- tout par celles de l’hémisphère sud qui est plus vaste. Si l’hémisphère nord n’est pas assez représenté sur ce trajet, ou si le contraste entre les épaisseurs crustales nord/sud est faible (∼ 20 km), les propriétés de la croûte nord devraient difficilement être contraintes par la seule analyse des ondes de surface.