La planète Mars a l’avantage d’avoir conservé des roches beaucoup plus anciennes que celles de la Terre, grâce à l’absence de tectonique des plaques et à la disparition de son eau liquide, qui est le principal facteur d’érosion. On peut évaluer l’âge de sa surface grâce au comptage des cratères. Le principe est simple : plus une région est ancienne, plus elle est cratérisée. C’est la Lune qui sert de référence car on connaît l’âge de sa croûte grâce à des mesures directes. Sur Mars, il existe plus de 384 000 cratères d’impact d’un diamètre supérieur à un kilomètre. Ils sont surtout situés dans les hautes terres, lesquelles recouvrent une grande partie de l’hémisphère Sud. Ces terres sont donc les plus anciennes.
L’échelle des temps géologiques sur Mars
De grandes unités géologiques ont été définies sur Mars comme sur la Terre : le Noachien, qui est définie comme la zone la plus cratérisée, l’Hespérien, marquée par une grande abondance de roches volcaniques, et l’Amazonien, la zone la moins cratérisée. Les basses terres de l’hémisphère Nord sont hespériennes tandis que la région de Tharsis Montes, avec le volcan Olympus Mons, est amazonienne.
Une correspondance entre ces unités géologiques et les minéraux d’altération a été remarquée grâce au spectromètre OMEGA embarqué sur la sonde Mars Express. Les terrains noachiens portent des argiles (phyllosilicates) qui attestent de la présence d’eau liquide : elles se forment par réaction chimique des silicates avec de l’eau. Les terrains hespériens, en revanche, sont plutôt caractérisés par des sulfates hydratés. Ils résultent d’une altération en milieu acide vraisemblablement moins humide et se sont accumulés sur des kilomètres d’épaisseur au fond des gigantesques canyons de Valles Marineris. L’émission de dioxyde de soufre par les volcans hespériens en est la cause. Les oxydes de fer formés de manière anhydre correspondent approximativement à l’Amazonien et donnent sa couleur rouge à Mars. Si la limite Noachien-Hespérien se situe entre 3,7 et 3,5 milliards d’années, il existe une incertitude considérable sur la datation de la limite Hespérien-Amazonien.
L’absence de tectonique des plaques sur Mars n’implique pas que sa croûte n’ait pas subi de déformation. Valles Marineris donne un exemple d’événement tectonique : ce système de canyons résulte d’une extension de la croûte. Il a provoqué l’apparition de deux failles normales disposées en V. L’écartement de la croûte des deux côtés a entraîné l’effondrement de la partie centrale, qui s’est remplie de sédiments comprenant des sulfates (gypse, kiesérite, sulfates polyhydratés). Ce fossé comparable à la plaine d’Alsace est désigné par le terme allemand de graben. On note que les parois des canyons font apparaître une couche d’argiles surmontées de roches volcaniques antérieures à l’effondrement. Les argiles se sont donc bien déposées plus tôt que les sulfates. Dessous, se trouvent des roches riches en orthopyroxènes qui formaient sans doute la croûte primitive de Mars et qui ont plus de 4 milliards d’années. Leur altération a engendré les argiles.
Structures extensives et compressives dans les hautes terres
Il existe aussi des structures compressives sur Mars, témoignant d’une contraction de la croûte. Ce sont des crêtes désignées par le nom latin de dorsa (dorsum au singulier) et des escarpements lobés, les scopuli (scopulus au singulier). Elles sont l’objet d’un article publié dans la revue Geoscience Frontiers par les planétologues Trishit Ruj, Goro Komatsu, Jan Henrik Pasckert et James M. Dohm. La région étudiée se trouve dans les hautes terres (ou hauts plateaux) . Elle est délimitée par deux bassins d’impact majeurs : Argyre Planitia au sud-ouest et Isidis Planitia au nord-est. Elle comprend un bassin encore plus grand, Hellas Planitia. Le comptage de cratères a fourni pour ce dernier un âge de 3,99 Ga (milliards d’années). Isidis est plus récent, avec 3,96 Ga. Argyre le serait encore un peu plus, mais il y a une incertitude plus importante sur son âge. Ces trois bassins paraissent liés au Grand Bombardement Tardif, qui a affecté tout le Système solaire interne et qui est particulièrement visible sur la Lune.
Sur le planisphère, les zones comprenant des grabens sont délimitées par des polygones. Dans la première d’entre elles, ils ont une direction NNE-SSW, une longueur et une largeur maximales respectivement de 1 200 km et de 100 km. Ceux de la seconde zone sont plus petits, avec des longueurs de 250 à 300 km et des largeurs tournant autour de 30 km, et ils ont une orientation ENE-WSW légèrement différente. Les âges obtenus par les chercheurs sont d’environ 3,80 Ga. Ces grabens sont par conséquent nés après le bassin d’Argyre, mais d’après l’explication retenue, ils sont liés au bassin plus ancien et plus proche d’Hellas. Ils sont à peu près parallèles à sa bordure. Une telle structure, lors de sa formation, est gravitationnellement instable, à cause de la quantité de matière qui a été excavée. La croûte a tendance à fluer vers le cratère, ce qui crée des contraintes d’extension dans les régions environnantes. Pour expliquer l’apparition des grabens, les chercheurs ont cherché des analogies sur la Lune, mais aussi au sud de l’Éthiopie, où un effondrement gravitationnel a provoqué une extension de la croûte et un rift.
Les dorsa et les scopuli sont plus récents, avec des âges de 3,6 à 3,5 Ga. Les deux dorsa datés sont indiqués sur le planisphère par des marques noires et les quatre scopuli par des marques blanches. Ces structures ont toutes une direction NNW-SSE et ont une explication claire : ils résultent du refroidissement de la planète, qui s’est accompagné d’une contraction. L’histoire thermique de Mars a été modélisée dès 1990 par Gerald Schubert et Tilman Spohn. L’accrétion de la planète a été suivie par une courte période d’extension, puis par une phase de compression avec une intensité des contraintes d’abord élevée. Elle est devenue plus faible quand la température interne de Mars a chuté. L’âge obtenu des dorsa et des scopuli correspond au pic de contraction et coïncide avec le début de l’Hespérien, donc avec une forte activité volcanique.
Alors que la phase d’extension à l’origine des grabens n’a affecté qu’une région limitée de Mars, la phase de contraction a eu des répercussion globales à la même époque, ce qui indique l’absence de tectonique des plaques : la planète n’était recouverte que par une seule plaque. Les dorsa représentent 80 % des structures compressives et se trouvent dans des plaines interprétées comme volcaniques. Les scopuli sont dominants dans les hautes terres.
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Trishit Ruj et al., Timings of early crustal activity in southern highlands of Mars: Periods of crustal stretching and shortening, Geoscience Frontiers 10, 1029-1037, 2019.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987118301427
Les deux figures sont extraites de cet article, où elles ont été éditées sous licence CC BY-NC-ND 4.0.
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