Modélisation conjointe de la lithosphère martienne : apport des déformations tectoniques globales pour lever la non-unicité de l’inversion gravimétrique et topographique

Kurzfassung

Comprendre comment s’est formée et différenciée la croûte d’une planète tellurique passe en premier lieu par la caractérisation de son épaisseur crustale (Zuber2000; HauckPhillips2002). Sur Mars, cet exercice se complique considérablement du fait de l’absence d’un réseau sismique à l’échelle planétaire : seules les données de la mission InSight, géographiquement limitées à un unique point d’ancrage, fournissent des informations sismologiques directes (KnapmeyerEndrun2021). Pour le reste de la planète, on doit se rabattre sur l’inversion conjointe du champ de gravité G et de la topographie H (Wieczorek2004; Banerdt1986); une approche robuste, malgré son défaut structurel bien connu : le problème est intrinsèquement mal posé. Pour un même couple de données (G, H), il existe une infinité de modèles internes compatibles, depuis une croûte à densité variable mais d’épaisseur uniforme, jusqu’à une croûte à densité constante mais d’épaisseur variable (Wieczorek2004; Wieczorek2007). A priori, ni l’une ni l’autre de ces bornes extrêmes ne semble véritablement satisfaisante : la réalité se situe quelque part entre les deux. Ce travail propose une voie pour sortir de cette impasse, en exploitant une source d’information observationnelle supplémentaire : le registre des déformations tectoniques gravées en surface. Mars est une planète à plaque unique (Breuer2003; Nimmo2000) dont la lithosphère froide et rigide a accumulé, sans jamais les effacer, les cicatrices de milliards d’années d’activité géodynamique. L’idée directrice est de transformer le catalogue de failles de Knapmeyer2006 en une troisième observable géophysique indépendante : un champ de déplacement vertical observé Wobs. L’ajout de cette troisième contrainte permet de formuler un système déterminé degré par degré, Aℓ [∆cℓm, ∆ρℓm]⊤ = [Gℓm, Hℓm, Wobs,ℓm]⊤, résolu au sens des moindres carrés. Ce champ est construit en convertissant la géométrie des failles en une carte continue de deformation horizontale εh, puis en appliquant une fonction de transfert spectrale R(ℓ) (admittance), calibrée sur le modèle de coque mince élastique (Banerdt1986), pour obtenir Wobs. Les amplitudes de déformation obtenues, de l’ordre de 10−3, sont physiquement plausibles : elles correspondent à des contraintes voisines de 400 MPa, compatibles avec le critère de Byerlee (Byerlee1978), et impliquent des profondeurs sismogènes comprises entre 19 et 40 km, tout à fait cohérentes avec les enregistrements d’InSight (Giardini2020). Le modèle hybride (G, H, Wobs) produit une gamme d’épaisseur crustale de 15–95 km, intermédiaire entre les deux end-members classiques et compatible avec les contraintes sismologiques d’InSight (KnapmeyerEndrun2021; Wieczorek2022). Appliqué à la question de la dichotomie martienne, structure fondamentale dont l’importance géodynamique est comparable à celle de la tectonique des plaques sur Terre, le modèle révèle une asymétrie d’épaisseur crustale très faible entre les deux hémisphères, sans contraste de densité hémisphérique significatif dans le manteau. Ces résultats témoignent d’un contrôle majoritairement compositionnel, hérité de la différenciation primitive du manteau, et orientent l’interprétation vers un mécanisme de formation endogène par convection mantellique asymétrique (Zhong2001).