Impacts de météorites sur Mars : Observations sismiques, théorie et modélisation de la source

Les impacts de météorite sont des acteurs majeurs de l’évolution du système solaire et des planètes telluriques. Les expériences de sismologie menées sur la Lune durant les missions Apollo ont permis de découvrir que ces impacts sont également une source importante de signal sismique. L’intérêt pour ce type de source s’est accru avec l’atterrissage de la sonde InSight sur Mars en novembre 2018, qui y a placé deux sismomètres large-bande et courtes périodes. Durant les quatre ans de la mission, ces instruments ont détecté huit impacts de météorites. Comme sur la Lune, les signaux d’impacts diffèrent de ceux, plus classiques, d’origine tectonique. Aucun modèle ne permet encore d’expliquer tout à la fois leur spectre en fréquence, leur magnitude, l’amplitude relative de leurs ondes P et S, ainsi que le mécanisme de la source sismique.

La chute et l’impact final des météores produit également des ondes de choc dans l’atmosphère martienne. Sur Mars, ces chocs peuvent être piégés dans un guide d’onde atmosphérique à basse altitude, et se propager ainsi sur de longues distances sous forme d’infrasons. Ces infrasons ont pu être détectés par les sismomètres d’InSight après s’être couplés à la surface. De tels signaux sismo-acoustiques contiennent des informations sur leur milieu de propagation, l’atmosphère martienne, ainsi que sur le milieu de couplage, le sous-sol d’InSight, et peuvent donc permettre d’interroger la structure de Mars.

A travers cette thèse, nous proposons d’analyser ces deux types de signaux. Premièrement, nous modélisons la source sismique liée à la formation d’un cratère d’impact. Nous élaborons un modèle analytique de la source d’un impact à l’aide du Théorème de Représentation sismique et de la notion de « stress glut ». L’impact peut ainsi être vu comme un champ étendu de force équivalentes, ou comme une source ponctuelle, combinant un tenseur de moment sismique et une force vectorielle. Nous développons une méthode numérique pour calculer le stress glut d’un impact à grande vitesse à partir de simulations numériques basées sur la méthode des éléments finis-discrets (FDEM). Ce modèle est testé via un système de couplage logiciel : à une certaine distance du cratère, le signal produit par le modèle de stress glut est comparé au « vrai » signal prolongé de la simulation FDEM. Notre modèle parvient ainsi à expliquer le contenu basse-fréquence des signaux d’impacts, mais des termes de source supplémentaires sont nécessaires pour modéliser leur énergie à haute-fréquence. Nous montrons que ce modèle éclaire les dif-férences de mécanisme sismique entre les impacts obliques et verticaux, et reproduit certaines caractéristiques clefs des signaux martiens et lunaires.

En parallèle, nous examinons les signaux sismo-acoustiques liés aux impacts martiens. Grâce à un model 1D de la propagation et du couplage des infrasons guidés, nous montrons que la vitesse de groupe de ces signaux dépend du profile de vitesse sonore dans l’atmosphère martienne. De même, le ratio des amplitudes sismiques radiales et verticales dépend principalement du profil de vitesse des ondes S sous InSight. Nous dérivons la structure de l’atmosphère et du sous-sol mar-tien via une inversion bayésienne à partir de trois des signaux sismo-acoustiques d’impacts. Les profils de vitesse sonore obtenus sont en accord avec ceux prédits par les simulations climatiques du Mars Climate Database. En revanche, la structure souterraine est dépendante des paramètres de l’inversion. Deux modèles sont ainsi possibles, l’un ayant de fortes vitesses sismiques dans les premiers 20 m sous InSight, l’autre ayant une simple interface vers 40 m de profondeur. Ces solutions s≥’approchent de celles obtenues par de précédentes études. Ai≥nsi, combiner le