Le cycle des sédiments sur Mars

Séminaire organisé par Gilles Dromart (ENS Lyon, France) et John Grotzinger (Caltech, Pasadena, USA) du 22 au 27 septembre 2014

Participants

Thomas Bristow, Gilles Dromart, Lauren Edgar, Ken Edgett, John Grotzinger, Sanjeev Gupta, Joel Hurowitz, Michael Lamb, Laetitia Le Deit, Bruce Levell, Kevin Lewis, Nicolas Mangold, Scott McLennan, Ralph Milliken, Tony Prave, Cathy Quantin-Nataf, David Rubin, Kathryn Stack-Morgan, Dawn Sumner, Nicholas Tosca

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Résumé

Les vingt participants réunis aux Treilles constituaient un assortiment de chercheurs aguerris à la géologie martienne, de membres de l’équipe du programme Mars Science Laboratory, i. e. le robot Curiosity, et de huit (8) chercheurs « juniors », assistant-professors et post-doctorants ainsi que deux (2) personnes hors communauté martienne qui ont livré un retour critique sur nos pratiques de l’exploration martienne. L’ensemble des participants représentait un large spectre d’expertises, incluant la sédimentologie, la géomorphologie, la minéralogie et géochimie, et l’analyse des bassins sédimentaires. Le séminaire a donné lieu à des discussions très ouvertes et vives organisées autour de présentations plus ou moins formelles d’études en cours et de résultats souvent inédits. De manière générale, ce séminaire a permis de conforter les hypothèses nouvelles d’un certain nombre de chercheurs, au point de sérieusement reconsidérer quelques paradigmes actuels et d’approcher un réel tournant dans nos pensées à propos des processus sédimentaires et géochimiques de la surface de Mars. Les hypothèses testables par la nouvelle mission Mars 2020 seront présentées à la prochaine réunion de pré-sélection des sites d’atterrissage.

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Compte-rendu

Ce séminaire faisait suite à la première conférence internationale sur la sédimentologie et stratigraphie martienne tenue à El Paso en 2010. Cette conférence avait permis de dégager un certain nombre de questions clés, par exemple : quels sont les compositions minéralogiques et chimiques des sédiments martiens ? ; quels étaient les cycles géochimiques globaux du soufre et du carbone et quels rôles jouaient les processus sédimentaires sur ces cycles ? ou encore : quels étaient les mécanismes contrôlant l’accumulation des sédiments et leur préservation ? Le présent séminaire a été construit autour de cette série de questions initiales.

En introduction, Ken Edgett et Nicolas Mangold ont présenté les grands traits de la géologie martienne et de l’histoire de l’eau et du climat à la surface de Mars au travers, respectivement, d’une revue de la répartition et de la forme des roches sédimentaires d’une part, et des réseaux de drainage d’autre part. Le séminaire a ensuite été articulé autour de quatre thèmes majeurs :

(i) Mars Exostratigraphy, incluant des présentations relatives à la stratigraphie minéralogique par Ralph Milliken, la typologie et la répartition globale des dépôts stratifiés à la surface de Mars par Kathy Stack-Morgan, et la stratigraphie physique orbitale par Kevin Lewis ;

(ii) Erosional/Depositional Processes, incluant une revue sur la production de sédiments clastiques et chimiques, par Scott McLennan, la présentation d’une méthode de calcul des vitesses d’érosion via l’étude de la dégradation des cratères d’impacts, par Cathy Quantin-Nataf, et enfin deux synthèses, sur les dépôts de cendres volcaniques et les dépôts éoliens, par Laetitia Le Deit et David Rubin respectivement ;

(iii) Source-to-Sink Systems, incluant une revue des processus et dépôts fluviatiles à la surface de Mars par Laureen Edgar et Sanjeev Gupta, la description de l’exemple de l’éventail alluvial de Peace Vallis, du cratère Gale, par Dawn Sumner, et la présentation de problématiques liées aux développements des éventails de dépôts, des deltas et des chenaux inversés sur Mars, et à la modélisation des écoulements intermittents par Michael Lamb ;

(iv) Chemical Sedimentation and Diagenesis, incluant un inventaire des différentes formes lithologiques et minéralogiques du matériel sulfaté reconnu dans la croûte martienne, par Kathy Stack-Morgan, une synthèse des cycles sédimentaires du fer et du soufre sur Mars, par Joel Hurowitz, et la présentation inédite de résultats expérimentaux sur la formation diagénétique des argiles et oxydes de fer, par Nicholas Tosca.

En conclusion et en retour, Bruce Levell et Tony Prave ont listé les forces et faiblesses de nos études en cours sur Mars, et mis l’accent sur des méthodes d’approche à revisiter, certains travaux à renforcer, et sur des lacunes thématiques à combler.

Certains points saillants et questions critiques relatifs à la stratigraphie et à sédimentologie physique et chimique sur Mars ayant émergé de ce séminaire sont les suivants :

• « Mars sedimentary rocks are everywhere » : la plupart des surfaces multicratérisées et des cratères remplis ne sont plus interprétés comme des écoulements de laves ; Curiosity a montré que les roches sédimentaires ne sont pas toujours « light-toned », i. e. grès de composition basaltique ; les dépôts pyroclastiques pourraient être un composant majeur des roches affleurant à la surface de Mars.
• Le remaniement des anciennes formations sédimentaires semble être systématique et multiple : la préservation de systèmes sédimentaires aux débouchés de réseaux de drainage, e. g. « delta fans », reste peu fréquente et restreinte aux bordures de cratères d’impacts ; les réseaux de distributaires de chenaux ne sont pas organisés ce qui témoigne certainement de la superposition et de l’amalgame de plusieurs générations d’entre eux. Sur Mars, et contrairement à la Terre, il n’y a pas d’équilibre topographique entre érosion et remontée crustale ou encore entre dépôt et subsidence mais plutôt un amalgame variablement prononcé entre érosion et dépôt au travers de zones non confinées. Les méthodes de comptage de cratères fournissent des taux de recyclage sédimentaire de l’ordre de 4 m/My pour le Noachien, i.e. Mars humide.
• La définition du concept de « faciès orbital » qui est un ensemble partagé de caractéristiques morphologiques et minéralogiques basées sur des données orbitales et qui définit un type de roche ou un groupe de types de roches. Ce concept est essentiel pour la cartographie des formations sédimentaires martiennes mais cette typologie descriptive devra être in fine calibrée, i. e. corrélée avec des processus et environnements de dépôt et de diagenèse.
• Les travaux précédents des robots MER par exemple avaient conduit à penser que le pH constituait le paramètre de contrôle de premier ordre des processus d’altération et de diagenèse des roches de surface, même si une incertitude demeurait sur la raison du maintien de conditions acides globales sur une planète couverte de roches basiques, e. g. les basaltes. Les témoignages de chimie redox, comme par exemple la formation des oxydes et sulfates de fer, étaient considérés comme des processus purement diagénétiques et donc locaux. Il s’agit dorénavant et certainement de l’inverse : le redox est probablement la « master variable », et quand le fer est engagé dans les processus géochimiques, c’est lui qui peut influencer le pH au travers de son oxydation, et ce sur des échelles locales et régionales.
• Parmi les forces sur lesquelles appuyer nos travaux futurs figurent notre approche multi-échelles et multidisciplinaire, ainsi que la diversité de nos hypothèses de travail -pas de blocage sur les paradigmes en vigueur. Les faiblesses sont relatives à notre expression insuffisante de l’incertitude de nos connaissances et au défaut d’une formalisation aboutie de nos hypothèses de travail.
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Participants “seniors” » : Pr. Gilles Dromart (organisateur), ENS de Lyon, France ; Dr. Kenneth Edgett, Malin Space Science Systems, CA, USA ; Pr. John Grotzinger (organisateur), California Institute of Technology, CA, USA ; Dr. Cathy Quantin-Nataf, Université de Lyon, France ; Pr. Mike Lamb, California Institute of Technology, CA, USA ; Pr. Bruce Levell, University of Oxford, UK ; Pr. Scott McLennan, State University of New York Stony Brook, NY, USA ; Dr. Nicolas Mangold, CNRS, Université de Nantes, France ; Dr Tony Prave, University of St Andrews, UK ; Dr. David Rubin, University of California Santa Cruz, CA, USA ; Pr. Sanjeev Gupta, Imperial College, London, UK ; Pr. Dawn Sumner, University of California, CA, USA ;

Participants “juniors” : Dr. Thomas Bristow, NPP Fellowship, Jet Propulsion Laboratory, CA, USA ; Dr. Lauren Edgar, USGS, AZ, USA ; Dr. Joel Hurowitz, State University of New York Stony Brook, NY, USA ; Dr. Ralph Milliken, Brown University, USA ; Dr. Laetitia Le Deit, Université de Nantes, France ; Dr. Kevin Lewis, Princeton University, USA ; Dr. Katherine Stack-Morgan, Jet Propulsion Laboratory, CA, USA ; Dr. Nick Tosca, University of Oxford, UK.