Reconstitution du flux d'impact et des variations paléoclimatiques martiennes par la datation des cratères à éjecta lobés

par Anthony Lagain

Thèse de doctorat en Structure et évolution de la Terre et des autres planètes

Sous la direction de Sylvain Bouley et de François Costard.

Soutenue le 17-11-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Géosciences Paris Sud (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Cécile Engrand.

Le jury était composé de Sylvain Bouley, François Costard, Cécile Engrand, Nicolas Mangold, Mark Wieczorek, Ernst Hauber, Francis Rocard.

Les rapporteurs étaient Nicolas Mangold, Mark Wieczorek.


  • Résumé

    Le comptage de cratères sur une surface planétaire est à l’heure actuelle le seul moyen de préciser la temporalité des événements ayant marqué l’histoire des corps telluriques. Cette technique nécessite de connaitre précisément le taux avec lequel se forme les cratères d’impact, c'est-à-dire le flux d’impact, mais aussi son évolution en fonction du diamètre des cratères, la fonction de production. Ensemble, ces deux variables forment le système de chronologie d’un corps planétaire. Il est relativement bien contraint entre 3,9 et 3,5 milliards d’années avant notre ère et considéré comme constant depuis 3 milliards d’années, une hypothèse remise en cause par des observations lunaires et terrestres. Les cratères d’impact à éjecta lobés sont très nombreux sur Mars. Leur morphologie traduit la présence d’une grande quantité de glace d’eau dans le sous-sol au moment de l’impact. La variation spatio-temporelle de cette couche est très peu contrainte. Celle-ci est principalement influencée par l’obliquité de la planète. Leurs nappes d’éjecta sont continues et constituent donc des surfaces idéales pour dater leur formation. L’objectif de cette thèse est de mieux contraindre la chronologie martienne et la variation de l’extension de la couche de volatiles présente sous la surface de Mars responsable de telles morphologies. Par la datation de la mise en place d’une population de cratères à éjecta lobés situés sur Acidalia Planitia, il a été possible de comparer leur fréquence de formation avec le flux d’impact qui a été utilisé pour les dater. Un important désaccord entre nos données et le modèle à flux constant a pu être observé. Un test d’autocohérence entre le flux d’impact mesuré et le flux utilisé pour dater chaque cratère a permis de montrer que le taux d’impact le plus en accord avec nos données était celui présentant un pic de cratérisation entre 0,5 milliards d’années et la période actuelle. Ce pic est associé à deux collisions dans la ceinture principale d’astéroïdes. Néanmoins, cette méthode inverse est soumise à un problème logique mis en évidence par la simulation d’une population de cratères synthétiques. Il apparaît à posteriori que la variable temporelle de la chronologie martienne doit être la fonction de production des cratères d’une centaine de mètres de diamètre. Ces résultats modifient profondément l’âge des surfaces martiennes qui peuvent être mesurés par comptage de cratères. La datation de l’ensemble des cratères martiens dont les nappes d’éjecta lobés sont très étendues a permis également de mettre en évidence une augmentation de l’âge de ces cratères avec la diminution en latitude. Nous avons interprété ces observations comme étant le résultat de l’évolution récente de l’extension de la couche riche en volatils sous la surface de Mars, en lien avec la variation de l’obliquité de la planète. En effet, une diminution de l’angle d’obliquité de Mars il y a 4 millions d’années a restreint l’extension de la couche de volatils à haute latitude. Le lien étroit entre la localisation de ces cratères et leurs âges a permis de poser certaines conditions quant à l’évolution possible de l’obliquité martienne sur les 80 derniers millions d’années. Enfin, la révision de la base de données de cratères martiens la plus complète à ce jour au moyen d’une interface accessible à tous a permis de créer le premier catalogue de cratères adapté à la datation de surfaces martiennes. Nous avons pour cela mis en place une classification des cratères permettant l’exclusion, lors d’une datation, des cratères de type secondaire, fantôme ainsi que des fausses détections contenus dans la base de donnée originelle.

  • Titre traduit

    Reconstitution of the impact rate and martian paleoclimatic variations by layered ejecta craters dating


  • Résumé

    Counting craters on planetary surfaces is currently the only way to precise the events temporality which have marked the history of terrestrial bodies. This technique requires the precise knowledge of the rate with which impact craters are emplaced over time, the impact flux, but also its evolution in function of crater diameter, the production function. Together, these two variables constitute the chronology system of a planetary body. This system is relatively well constrained between 3,9 and 3,5 billion years before present and considered to be constant since 3 billion years, a hypothesis challenged by earthly and lunar observations. Layered ejecta craters are numerous on Mars. Their morphology is related to the presence of ice-rich material in the subsurface at the moment of the impact. The spatial and temporal evolution of this layer is poorly constrained. This one is primarily influenced by the obliquity of Mars. Their ejecta blankets are continuous and therefore constitute ideal surfaces to date the impact itself. The purpose of this thesis is to better constraint the Martian chronology and to better understand the variation of volatiles layer extent present under the surface of Mars. By the dating of the formation of a layered ejecta crater population located on Acidalia Planitia, it has been possible to compare the emplacement frequency of these structures with the impact flux that has been used to date them. An important mismatch between our data and the constant flux has been noted. An auto-consistency test between the measured impact rate and the rate used to date each crater has shown that the most consistent flux with our data is a cratering spike between 0,5 billion years and the actual period. This spike is associated to two main asteroid break-ups in the main asteroid belt. Nevertheless, this inverse method is challenged by a logical problem highlighted by the simulation of a synthetic population of craters. It appears a posteriori that the temporal fluctuation of the Martian chronology comes from the production function of impact craters of hundred meters of diameter. These results modify considerably the age of the Martian surface that we can measure by counting craters. The dating of all craters which exhibits a high extent of their ejecta blankets has also allowed to highlight an increasing of their age with the decreasing of the latitude. We have interpreted this observation by the result of the late evolution of the volatiles layer extent under the surface of Mars, linked to the shift of the obliquity. A decreasing of the Martian obliquity angle there was 4 million years ago has restricted the volatiles layer extent to high latitude. The close link between the location of these craters and their ages has allowed us to set some conditions of possible evolution of the Martian obliquity during the last 80 Myrs. Finally, the correction of the most complete Martian crater database thanks to a web interface accessible to everyone has allowed to create the first crater catalogue adapted to the martian surface dating. We have developed a crater classification allowing the exclusion, during a surface dating, of secondary craters, ghosts craters as well as false detections contained in the original database.


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