Effect of the north/south dichotomy on the thermal structure and evolution of Mars

par Mélanie Thiriet

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers. Géophysique

Sous la direction de Chloé Michaut et de Doris Breuer.

Le président du jury était Philippe Lognonné.

Le jury était composé de Chloé Michaut, Doris Breuer, Ulrich R. Christensen, Gaël Choblet, Antoine Mocquet.

Les rapporteurs étaient Ulrich R. Christensen, Gaël Choblet.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    Mars’s crustal dichotomy in altitude and aspect between the southern highlands and the northern lowlands is one of the most stricking feature of the planet that probably dates back from the early stages of the planet. This surface crustal dichotomy probably extends in depth implying, in particular, north/south differences in crustal thickness and perhaps in composition. In this thesis, we focus on the consequences of such a potential dichotomy in crustal properties on Mars thermal evolution and structure. The use of 1-D parametrized thermal models is required to explore large ranges of crustal properties. By comparing 1-D and 3-D thermal models in Monte Carlo simulations, we first search for appropriate scaling parameters (arh and βu here) to describe the heat flux through the mantle’s upper layers for a cooling planet in stagnant lid convection. Although those sca- ling parameters are sensitive to the model set-up and, in particular, to the heating mode that evolves with time, we show that one pair of arh and βu can suitably describe the entire thermal evolution of Mars. We also test the effect of varying parameters such as the mantle aspect ra- tio, rheological parameters, surface and internal temperatures, and find that a unique parameter combination arh = 2.16 and βu = 0.345 can be used for all those models. Using these scaling laws in 1-D thermal models, we then search the northern and southern crustal properties that could explain the observations of recent volcanism and the elastic lithos- phere thickness estimates : ∼ 25 km during the Noachian in the south, and a large present-day difference below the two polar caps (> 300 km in the north and > 110 km in the south). We find that 55 − 65 % of the bulk radioelement content are in the crust, and most of it (43 − 51 %) in the southern one. The southern crust could be less dense than the northern one (up to 480 kg/m3) and might contain a non-negligible proportion of felsic rocks. Our models pre- dict present-day north/south surface heat flux of 17.1 − 19.5 mW/m2 and 24.8 − 26.5 mW/m2 , respectively, and a large difference in lithospheric temperatures between the two hemispheres (170 − 304 K in the shallow mantle). In the context of the InSight mission, we finally investigate the effect of our thermal mo- dels on surface wave propagation. We find that surface wave velocities mostly depend on the crustal thickness and, to a lesser extent, on the crustal composition and lithospheric tempe- ratures. Along great circles the dispersion curves are influenced by the properties of the two hemispheres but probably mostly by those of the southern one that covers a wider area. If the northern hemisphere is not enough sampled or if the north/south contrast in crustal thickness is small (∼ 20 km), constraining the northern crust’s properties might be hard with only surface wave analysis.


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