Study of the cryovolcanic activity on Europa
Etude du cryovolcanisme sur Europe
Résumé
Europa is a Jupiter’s moon covered with a water-ice layer, hiding a global liquid water ocean approximately 100 km thick. Europa’s interior is heated by the tidal forces induced by Jupiter, that provide enough energy to maintain a vigorous geological activity on this moon. Europa’s surface is very young, with an age estimated around 70-90 Ma, which demonstrates a recent resurfacing of the moon. Various geological features have been identified at Europa’s surface, and some of them, like the smooth plains, domes and chaos might indicate the presence of sub-surface reservoirs of liquid water or brines (cryomagma). In this thesis, we propose a cryovolcanic eruption model from a cryomagma reservoir stored in the ice crust. The overpressure generated during the cryomagma freezing could be high enough to fracture the ice crust and let the cryolava rise toward the surface and spread on it. This predictive model allows us to know the duration of an eruption, and the total cryolava volume erupted as a function of the reservoir depth in the ice crust. It also allows us to calculate the pressure in the reservoir and the fluid velocity in the fracture during the eruption. We investigated the influence of the cryomagma composition and the ice crust rheology on the possibility of an eruption. We finally modeled the deformation of a reservoir stored in a viscoelastic ice crust. A few images taken by the Galileo spacecraft during the 1990’s show quasi-circular smooth features, that may be interpreted as cryolava flows. We wanted to use these images to constrain our eruption model by measuring the volume of these objects. To do this, we generated digital elevation models (DEMs) of these images thank to the photoclinometry technique. We used the AMES StereoPipeline (ASP) tool, provided by the NASA. We estimated the uncertainties on the DEMs produced by the ASP by doing a sensitivity study of this tool. We also measured the volume of four smooth plains and deduced the size of reservoir needed to generate these thanks to our eruption model. Two missions, JUICE (ESA) and Europa Clipper (NASA) will be launch in the next years and should provide new insights on Europa’s sub-surface. In this context, this thesis could help to select the zones the more likely to show biosignatures. The smooth plains studied in this thesis might be linking the interior and the surface of the Europa, which could present a great interest for the future exploration of this moon.
Europe est une lune de Jupiter couverte de glace d’eau, et abritant un océan interne global d’eau liquide d’une centaine de kilomètres d’épaisseur. L’intérieur d’Europe est réchauffé par les forces de marées induites par la présence de Jupiter, qui fournissent une quantité d’énergie suffisante à maintenir une activité géologique vigoureuse sur ce satellite. La surface d’Europe est très jeune avec un âge estimé à 70-90 Ma, ce qui démontre son ressurfaçage récent. De nombreuses structures géologiques ont été identifiées à la surface d’Europe, et certaines comme les plaines lisses, les dômes ou les dépôts sombres pourraient indiquer la présence de réservoirs d’eau liquide ou de saumures (cryomagma) stockés dans la couche de glace. Nous proposons dans cette thèse un modèle d’éruption cryovolcanique depuis un réservoir de cryomagma contenu dans la couche de glaces. Le moteur de l’éruption est la surpression générée dans le réservoir par le gel du cryomagma, qui peut être suffisante pour entrainer la fracturation de la couche de glaces sus-jacente et laisser les cryolaves se répandre en surface. Ce modèle prédictif permet de connaître les caractéristiques d’une éruption telles que sa durée et le volume de cryolave émis en surface en fonction de la profondeur du réservoir. Il permet aussi d’évaluer la pression dans le réservoir et la vitesse du fluide s’en échappant au court de l’éruption. Nous avons testé l’influence de la composition du cryomagma et de la rhéologie de la couche de glace sur la faisabilité d’une éruption. Nous avons notamment modélisé la déformation d’un réservoir contenu dans une couche de glace viscoélastique. Quelques images d’Europe prises par la sonde Galileo dans les années 1990 montrent des structures lisses quasi-circulaires que nous interprétons comme de possibles écoulements de cryolaves à la surface. Nous avons souhaité utiliser le volume de ces objets afin de contraindre notre modèle d’éruption. Pour ce faire, nous avons généré des modèles numériques de terrain (MNT) de ces images grâce à la photoclinométrie, et plus particulièrement avec l’AMES StereoPipeline (ASP) fourni par la NASA. Nous avons porté une attention particulière à l’estimation des incertitudes sur les MNT en menant une étude de sensibilité de l’ASP. Nous avons pu mesurer le volume de quatre plaines lisses, et en déduire la taille des réservoirs de cryomagma requis pour les créer lors d’éruptions. Les missions JUICE (ESA) et Europa Clipper (NASA) devraient partir dans les prochaines années et permettront une étude plus poussée de la surface d’Europe. Cette thèse a pour vocation d’aider à la sélection des zones les plus susceptibles de présenter des bio-signatures en vue de ces missions. Les plaines lisses étudiées dans cette thèse peuvent possiblement représenter des zones d’échange d’eau liquide entre la surface et la sub-surface d’Europe, et sont donc d’un grand intérêt pour l’exploration future de cette lune.
Origine : Version validée par le jury (STAR)