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

Meteorite impacts on Mars : seismic observation, source theory and modeling.

• Auteur / Autrice : Marouchka Froment
• Direction : Philippe Lognonné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Eléonore Stutzmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lognonné, Eléonore Stutzmann, Jeroen Tromp, Kai Wünnemann, Carène Larmat, Gareth Collins, Ingrid Daubar, Alexis Le Pichon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jeroen Tromp, Kai Wünnemann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compliance

Ondes de choc

Infrasons

Séismes

Mars (planète)

Cratères météoritiques

Mots clés libres

Impacts de météorites

Mars

InSight

Source sismique

Stress glut

Compliance

Infrasons

Ondes de choc

Meteorite impacts

Mars

Insight

Seismic source

Stress glut

Compliance

Infrasound

Shock waves

Résumé

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 les 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. Huit impacts de météorites ont été détectés par ces sismomètres durant les quatre ans de la mission. Comme sur la Lune, leurs signaux diffèrent de ceux d'origine tectonique. Aucun modèle ne permet encore d'expliquer leur spectre en fréquence, l'amplitude de leurs ondes P et S, ainsi que le mécanisme de la source sismique. La chute et l'impact des météores produit également des ondes de choc dans l'atmosphère martienne. Sur Mars, elles peuvent être piégée 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 différences 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. Par une inversion bayésienne, nous dérivons la structure de l'atmosphère et du sous-sol martien 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. Ainsi, combiner les signaux d'infrasons à d'autres données pourra permettre de trancher entre différents modèles.

Meteorite impacts are important actors in the evolution of the solar system and of planetary surfaces. With the first seismic exploration of the Moon during the Apollo missions, it was revealed that meteorite impacts can also be a significant source of seismic signal. The interest in this type of source has been renewed since the landing of the InSight mission on Mars in November 2018, which brought a short-period and a very broadband seismometer on the surface. Eight signals of impact origin were detected by InSight seismometers during the four-year mission. As on the Moon, these signals differ from those of more classical tectonic origin. Today, no model is able to explain the signal spectrum, its P- and S- wave amplitudes and the seismic source mechanism. In addition to seismic waves, the fall and impact of the meteor produces a shock wave in the Martian atmosphere. On Mars, such shock can be trapped in a low-altitude atmospheric waveguide, and can thus propagate over long distances as a guided infrasound wave. Such infrasound was recorded by InSight seismometers after coupling to the ground surface. These seismo-acoustic signals carry information about their propagation medium, the Martian atmosphere, and their coupling medium, the subsurface below InSight. Hence, they can help understand the structure of Mars. In this work, we propose to investigate both types of seismic signals. First, we model the seismic source related to the impact cratering process. We design a new analytical model of the impact seismic source using the seismic Representation Theorem and the notion of stress glut. The impact can be seen as an extended field of equivalent forces, or as a point source, combining a seismic moment tensor and a vector force. We develop a numerical method to compute the stress glut associated to a hypervelocity impact using numerical simulations based on the Finite-Discrete Element Method (FDEM). We test this numerical model thanks to a coupling method: at some distance from the crater, the signal produced by the stress glut model is compared to the prolongated FDEM signal. Our model succeeds in representing the low-frequency amplitude of impact generated signals, but additional terms are needed to explain the signal cutoff-frequency and high-frequency energy content. We show that this model of the impact seismic source brings insight into the difference in source mechanism of vertical and oblique impacts, and reproduces key properties of Lunar and Martian recordings. In parallel, we investigate Martian impact-generated seismo-acoustic signals. Thanks to a 1D model of the propagation and coupling of guided infrasound, we show that the group velocity of these signals depend on the effective sound speed profile in the Martian atmosphere. On the other hand, the amplitude ratio of horizontal to vertical displacement is shown to depend on the shear wave velocity structure below InSight. With a Bayesian inversion and using three impact-generated seismo-acoustic signals, we infer the Martian atmospheric and subsurface structure. The obtained sound speed profiles are in agreement with simulations of the Martian Climate Database. However, the inversion of the subsurface is shown to be dependent on the choice of inversion priors. Two models are possible: one with high seismic velocities in the first 20 m below InSight, and the other with a single interface at 40 m depth. These solutions are consistent with those obtained by previous near-subsurface studies. Hence, a better discrimination between models can be achieved in the future by combining multiple datasets.