Étude sismo-tectonique des sources sismiques détectées par la mission InSight dans la province d’Elysium Planitia, Mars

La mission InSight s’est posée dans la province d’Elysium Planitia sur Mars le 26 novembre 2018. Depuis février 2019, grâce au déploiement du sismomètre SEIS à la surface de la planète, plus d’un millier d’événements sismiques, les « marsquakes », ont été enregistrés, prouvant que Mars est active sismiquement. L’analyse de ces séismes a alors permis de sonder pour la première fois la structure interne de Mars, de la croûte au noyau. Les marsquakes sont divisés en plusieurs catégories, dont notamment les événements basses fréquences et ceux à large bande. Ces événements ressemblent le plus aux séismes terrestres et sont qualifiés de « tectoniques », c’est-à-dire qu’ils auraient certainement été générés par des sources sismiques telles que des failles ou fractures. Une dizaine d’entre eux ont été localisés dans Elysium Planitia, et plus précisément sur le système de Cerberus Fossae. Ce dernier est une structure majeure de plus de 1200 km de long, composée de 4-5 fossés principaux, et dont l’activité est supposée très jeune (moins de 10 Ma). Sa formation est certainement liée à la propagation de réseaux de dikes volcaniques en profondeur, qui se répartissent radialement autour du volcan d’Elysium Mons.

Afin de comprendre l’implication de Cerberus Fossae dans le déclenchement de ces événements, et dans le but de discuter de l’activité tectonique actuelle de la région, nous faisons une étude sismo-tectonique de Cerberus Fossae et identifions les sources sismiques potentielles. En première partie de ce travail, une analyse fine de la morphologie du système de Cerberus Fossae est effectuée. Des images très hautes résolutions sont utilisées afin de cartographier précisément les fractures et de calculer des modèles numériques de terrain. Les mesures de largeurs et de rejets des fossés diminuent vers l’est, indiquant la direction de propagation à long terme du système de fractures, suivant celle des dikes volcaniques.

La préservation exceptionnelle des fossés nous permet de détecter jusqu’à quatre échelles de segmentation, où chaque échelle de segmentation est formée par 3 à 4 segments. À partir de l’ensemble de ces observations, nous déduisons que Cerberus Fossae est un système de grabens, bordés par des failles normales, et nous suggérons que les zones entre les segments et aux extrémités est des grabens concentrent des contraintes plus élevées, potentiellement à l’origine de séismes. En deuxième partie, nous réalisons une étude sismo-tectonique d’Elysium Planitia, en développant une méthode de calcul des tenseurs des moments sismiques pour neuf marsquakes tectoniques localisés dans la région.

Dans notre approche, nous inversons les formes d’ondes de volume et les phases secondaires, entre les sismogrammes d’InSight et des sismogrammes synthétiques martiens.  Aussi, pour représenter au mieux une des spécificités des données martiennes, l’absence d’ondes de surface, les solutions retenues doivent présenter des ondes de surface plus faibles que le bruit martien observé. Les tenseurs des moments sismiques obtenus montrent que tous les événements sismiques ont été déclenchés à des profondeurs de 15-36 km. Sept événements ont des géométries en accord avec celles des fossés de Cerberus, et nous en déduisons que ces marsquakes ont certainement été générés par l’activité volcano-tectonique du système, liée à la propagation des dikes sous la surface.

Nos résultats pour les deux événements sismiques restants sont principalement en régime compressif, et auraient été générés par des failles inverses sous des rides situées plus au sud. Enfin, les conclusions de cette thèse couplées aux connaissances martiennes et aux résultats d’InSight, nous permettent de suggérer que l’activité volcano-tectonique est dominante dans la région d’Elysium Planitia, et Cerberus Fossae en serait la source sismique principale. Quant au reste de la planète, il y a eu très peu de détection d’événements sismiques plus lointains, et celles-ci ne sont pas encore bien contraintes. L’activité sismique globale, et son origine, ne sont pas clairement définies, mais il semblerait qu’une sismicité lointaine existe, notamment dans les régions les plus jeunes. Nous faisons alors l’hypothèse que l’activité tectonique de Mars résulterait de la contribution de la contraction planétaire et de la déformation générée par la flexure lithosphérique des grands édifices volcaniques.