Interprétation des données magnétiques martiennes : contraintes sur l’évolution primitive de Mars

Interprétation des données magnétiques martiennes :

contraintes sur l’évolution primitive de Mars

Yoann Quesnel

Directeur de thèse : Christophe Sotin Co-encadrant : Benoit LanglaisLaboratoire de Planétologie et Géodynamique de

Nantes UMR-CNRS 6112

Soutenance de thèse – Lundi 20 Novembre 2006

Plan

1. Introduction Problématique

2. Description de la méthode

3. Tests avec des données synthétiques ou réelles

4. Application aux mesures magnétiques martiennes

5. Implications sur l’évolution de Mars

6. Conclusions - Perspectives

1. INTRODUCTION 2. Méthode 3. Tests 4. Résultats sur Mars 5. Implications 6. Conclusions

Comparaison Terre / Mars

(Crédit photo : Hubble Space

Telescope)

(Crédit photo : NASA Apollo 17 Mission)

• Rayon = 6371 km

• Eau liquide stable

• Atmosphère dense (1014 mbar ; N2 + O2) avec une dynamique complexe

• Rayon = 3389 km

• Eau liquide instable

• Atmosphère peu dense (6.35 mbar ; CO2)

TERRE MARS


Comparaison Terre / Mars

(Crédit photo : Hubble Space

Telescope)

(Crédit photo : NASA Apollo 17 Mission)

• Rayon = 6371 km

• Eau liquide

• Atmosphère dense (1014 mbar ; N2 + O2) avec une dynamique complexe

• Rayon = 3389 km

• Eau liquide instable

• Atmosphère peu dense (6.35 mbar ; CO2)

• Croûte primitive et épaisse (~50 km)

• Manteau non-différencié

• Noyau de Fer, avec ~15 % de Soufre

Différencié ?

• Croûte évoluée (tectonique des plaques)

• Manteau différencié

• Noyau de Fer, différencié

TERRE MARS

Liquide

Solide


Sources du champ magnétiqueterrestre

1. Noyau externe : dynamo champ magnétique global, axial et dipolaire (~50000 nT)

2. Lithosphère : aimantation induite et/ou rémanente (T° < T°Curie)

anomalies magnétiques < 1000 nT,de courte longueur d’onde et reliées à la géologie

3. Sources externes

CHAMP

Champ magnétique lithosphérique à 400 km (Maus et al., 2006)

Champ magnétique de Mars


(Acuña et al., 1998)

262ème jour de mission Orbite n°5

Premières mesures magnétiques de Mars Global Surveyor (1997)

Absence de champ magnétique global et dipolaire !

MGS



Prédictions à 200 km

Tharsis

HellasArgyre

Valles Marineris

Isidis

(Langlais et al., 2004)

MGS



Tharsis

HellasArgyre

Valles Marineris

Isidis

Champ magnétique rémanent d’origine lithosphérique !

MGSPrédictions à 200 km

(Langlais et al., 2004)

Corrélation des anomalies magnétiques avec l’âge des terrains


Anomalies acquises il y a plus de 3.7 milliards d’années !

HeHe

HeHe

He + Am

No

No NoNo

Noachien Hespérien Amazonien4.6 Ga 3.7 3.2 Aujourd’hui

(Hartmann et Neukum, 2001)

(d’après Scott et Tanaka, 1986, Greeley et Guest, 1987, Tanaka et Scott, 1987)

Problématique


• Les anomalies magnétiques martiennes témoignent de l’évolution primitive de la croûte martienne comment retrouver les propriétés d’aimantation à partir des mesures ?

• Quelles contraintes sur l’évolution de Mars apportent ces propriétés ?

matériel géologique en jeu ? processus géologique ? évolution du champ magnétique global au Noachien ?

Mesures magnétiques de MGS

Propriétés des sources aimantéesInterprétation

Approche directe

1. Introduction 2. METHODE 3. Tests 4. Résultats sur Mars 5. Implications 6. Conclusions

• Sphère : ~ dipôle (Blakely, 1995)

• Prisme rectangulaire : (Talwani, 1965 ; Plouff, 1976)

• Cylindre horizontal : ~ ligne de dipôles (Blakely, 1995)

.b M V

. 2m5

Cb 3 m r r r mr

. 2m4

2Cb 2 m r r r mr

Inversion


• Processus itératif : inversion généralisée (Tarantola et Valette, 1982)

• Critère : minimum• Tests a posteriori : RMS résidus, distribution gaussienne

0 0 0 0 0 0

11 1 11 0 0 0

T Tk k d d k p p k d d k k kp p G C G C G C d g p G p p

• Équations du dipôle (~ sphère)• Inconnues : moment (mx, my, mz) et position (x, y, z) d’un ou plusieurs dipôles ( lat, lon, z, m, I, D)

• Données : Bx, By, Bz

Vecteur des paramètres

à (k+1)Vecteur des paramètres

a priori

Matrice de covarianceassociée aux mesures

Matrice des dérivées partielles

Matrice de covarianceassociée aux paramètres

Vecteur desmesures

Vecteur desprédictions

0 0

2Nk 0 d di 12

g p d C

N

Inversion


• Processus itératif : inversion généralisée (Tarantola et Valette, 1982)

• Critère : minimum• Tests a posteriori : RMS résidus, distribution gaussienne

0 0 0 0 0 0

11 1 11 0 0 0

T Tk k d d k p p k d d k k kp p G C G C G C d g p G p p

• Équations du dipôle (~ sphère)• Inconnues : moment (mx, my, mz) et position (x, y, z) d’un ou plusieurs dipôles ( lat, lon, z, m, I, D)

• Données : Bx, By, Bz

Vecteur des paramètres

à (k+1)Vecteur des paramètres

a priori

Matrice de covarianceassociée aux mesures

Matrice des dérivées partielles

Matrice de covarianceassociée aux paramètres

Vecteur desmesures

Vecteur desprédictions

0 0

2Nk 0 d di 12

g p d C

N

Algorithme


Identification d’une ou plusieurs anomalies locales et comparaison avec autres

données (géologie, géophysique, etc…)

Modélisation directe

Inversion

Propriétés des sources

crustales

Position

Valeurs a priori des paramètres de position et d’aimantation

Jeu de mesures correspondantaux anomalies

Mesures magnétiques satellitairessynthétiques

1. Introduction 2. Méthode 3. TESTS 4. Résultats sur Mars 5. Implications 6. Conclusions

• Variations de la latitude, de l’inclinaison et de la déclinaison

• En tout, plus de 40000 configurations



Résultats concernant l’influence de

l’altitude

• 1 seul dipôle

• 39 profils

• non-bruitées

• altitude constante

• 1 pt = 1 inversion

• variation de la profondeur a priori pour chaque profondeur initiale

h = 400 km

h = 100 km

h = 100 km et 400 km



Résultats des tests :

• intérêt de mesures à deux altitudes différentes

• importance des valeurs a priori des paramètres, déterminées lors de l’approche directe

• le nombre de sources influe peu sur la robustesse de l’inversion• apport de la méthode pour différencier des sources proches (170 km) à partir d’une simulation de la mission Swarm

Quesnel, Y., Langlais, B. et Sotin, C., Derivation of local crustal magnetization using multiple altitude magnetic data, Acte du premier colloque Swarm, Nantes, 3-5 mai 2006

47°N

Mesures aéromagnétiques réelles


Contexte géologique

• Sud du Massif Armoricain

• Étude de la Nappe de Champtoceaux,contenant des unités de péridotites serpentinisées

(modifié d’après Chantraine et al., 1996)

48°N-2°E -1°E



Anomalies du champ

magnétique total à 3 km d’altitude

• Corrélation entre la position des unités de la Nappe de Champtoceaux et les anomalies positives

Étude de 3 zones :

A = 4287 mesuresB = 5101 mesuresC = 4696 mesures

Pour chaque zone :

- 1 dipôle = unités de Champtoceaux- autres = encaissant

Champ magnétique local :

I = 63° ; D = 3°



Paramètres du dipôle le plus superficiel :zone Lat. (°N) Lon.

(°E) z (km) m (1011 A.m2) I (°) D (°)

A 47.46 -1.91 4.7 1.04 68.4 -117.1B 47.43 -1.65 3.3 0.75 36.0 -152.5C 47.38 -1.30 7.1 2.20 61.1 -0.9



Paramètres du dipôle le plus superficiel :zone Lat. (°N) Lon.

(°E) z (km) m (1011 A.m2) I (°) D (°)

A 47.46 -1.91 4.7 1.04 68.4 -117.1B 47.43 -1.65 3.3 0.75 36.0 -152.5C 47.38 -1.30 7.1 2.20 61.1 -0.9



Paramètres du dipôle le plus superficiel :

Résultats :

- aimantation assez intense (5 à 10 A/m), plus rémanente dans la partie centrale

- accord avec l’interprétation géologique d’un anticlinal régional penché vers l’est

- accord sur la position des unités aimantées

zone Lat. (°N) Lon.

(°E) z (km) m (1011 A.m2) I (°) D (°)

A 47.46 -1.91 4.7 1.04 68.4 -117.1B 47.43 -1.65 3.3 0.75 36.0 -152.5C 47.38 -1.30 7.1 2.20 61.1 -0.9

Quesnel, Y., Langlais, B., Sotin, C. et Galdéano, A., 2006, Local inversion of magnetic anomalies : application to the Champtoceaux belt (Armorican Massif, France), en cours de soumission

- accord sur les volumes de roches mis en jeu, par rapport aux données gravimétriques et géologiques


1. Introduction 2. Méthode 3. Tests 4. RESULTATS SUR MARS 5. Implications 6. Conclusions

Phases AB + SPO :• Orbites elliptiques• Périapses parfois < 100 km• Couverture incomplète• 80 % diurne

Phase MO :• Orbites circulaires• Couverture répétitive• Altitude ~ 400 km

Magnétomètre tri-axial : Bx, By, Bz

(Acuña et al., 1999) (Connerney et al., 2001)



Magnétomètre tri-axial : Bx, By, Bz

(Acuña et al., 1999) (Connerney et al., 2001)

HN HN

SMSM

TSTS

Phases AB + SPO :• Orbites elliptiques• Périapses parfois < 100 km• Couverture incomplète• 80 % diurne

Phase MO :• Orbites circulaires• Couverture répétitive• Altitude ~ 400 km

Terra Sirenum


AB+SPO (100-250 km)

MO (~390 km)

Champ magnétique mesuré par MGS (composante totale : B )

nT

Caractéristiques générales :• Terrains de composition basaltique (Opx, Cpx, Ol ; données du spectro-imageur OMEGA à bord de Mars Express)• Âge moyen de la surface : Noachien (3.8 – 4.0 Ga)• Région élevée : altitude moyenne ~ 1.5 km

Terra Sirenum


Jeu de mesures (RMS observations)

RMS résidus / RMS observations (coef. corrélation) suivant les jeux de mesures inversées

AB+SPO MO AB+SPO+MO

AB+SPO (353 nT) 25% (0.96) 63% (0.75) 35% (0.94)MO (54 nT) 70% (0.60) 30% (0.92) 42% (0.90)

Terra Sirenum


Jeu de mesures (RMS observations)

RMS résidus / RMS observations (coef. corrélation) suivant les jeux de mesures inversées

AB+SPO MO AB+SPO+MO

AB+SPO (353 nT) 25% (0.96) 63% (0.75) 35% (0.94)MO (54 nT) 70% (0.60) 30% (0.92) 42% (0.90)

12.6921.081431.8531.35203.59-33.12C53.23-50.73322.5857.64198.45-35.33B80.75-56.97543.8255.29189.91-32.42AD (°)I (°)M* (A/m)m (1016 A.m2)z (km)Lon. (°E)Lat. (°N)Dipôles

A B C

Br BrB BAB+SPO MO

Observations

Prédictions

Quesnel, Y., Langlais, B. et Sotin, C., Local inversion of magnetic anomalies : Implication for Mars’ crustal evolution, Planetary and Space Science, doi:10.1016/j.pss.2006.02.004, 2006

Sud de Syrtis Major


AB+SPO

MO


Caractéristiques générales :• Composition basaltique• Noachien (3.8 – 4.0 Ga) + dépôts datant de l’Amazonien (2.8 Ga)• Région en pente vers Hellas

Sud de Syrtis Major


35.942.161.31.033.970.94-15.83C-14.5-2.71.51.9145.558.50-7.30D

--90.04.10.670.269.00-6.47B12.8-49.673.11.133.065.01-6.32AD (°)I (°)M* (A/m)m (1016 A.m2)z (km)Lon. (°E)Lat. (°N)Dipôles

AB+SPO MO

Observations

Prédictions

Br B Br B

Hémisphère Nord


AB+SPO MO


Caractéristiques générales :• Dépôts datant de l’Amazonien (2.8 Ga) superposés sur des unités datant de l’Hespérien (3.5 Ga)• Région basse de Vastitas Borealis : altitude moyenne = -3.8 km

Hémisphère Nord


-69.84-20.028.310.2943.6828.1258.19B-42.8231.312.231.37113.5524.6864.22AD (°)I (°)M* (A/m)m (1016 A.m2)z (km)Lon. (°E)Lat. (°N)Dipôles

AB+SPO MO

Observations

Prédictions

Br B Br B

Synthèse des résultats


- nécessité d’utiliser les jeux AB, SPO et MO pour bien contraindre les sources

- des sources adjacentes n’ont pas forcément les mêmes propriétés d’aimantation : plusieurs âges d’aimantation ? plusieurs processus d’aimantation ?

- les sources de la lithosphère de l’hémisphère sud sont plus aimantées que celles du nord, pour des profondeurs équivalentes : différents processus d’aimantation ? désaimantation ?

Synthèse des résultats


- nécessité d’utiliser les jeux AB, SPO et MO pour bien contraindre les sources

- des sources adjacentes n’ont pas forcément les mêmes propriétés d’aimantation : plusieurs âges d’aimantation ? plusieurs processus d’aimantation ?

< 10 A/m 30 à 60 A/m> 60 A/m

< 5 A/m

0

50

z (km)

0

50

80

(MOLA Science Team)

Pôle N Pôle S

z (km)

Comparaison avec d’autres études

Aimantation rémanente de la lithosphère océanique terrestreRefroidissement basalte : aimantation thermo-rémanente (ATR) = 20 A/m si champ magnétique ambiant ~ 50000 nTMais… - cette ATR diminue jusqu’à moins de 5 A/m en 20 Ma… (Bleil & Petersen, 1983)

- épaisseur aimantée < 4 km environ

Auteurs Valeurs d’aimantation

Études locales

Connerney et al., 2001 60 A/mFrawley & Taylor, 2004 20 A/mSmrekar et al., 2004 6, 9, 12 ou 20 A/mLanglais & Purucker, 2006 1 à 10 A/m

Études globale

s

Purucker et al., 2000 20 A/m (sur 50 km)

Arkani-Hamed, 2003 20-30 A/m (sur 30 km)

Parker, 2003 > 5 A/m (sur 50 km)

Langlais et al., 2004 ±12 A/m (sur 40 km)

Whaler & Purucker, 2005 20 A/m (40 km)

1. Introduction 2. Méthode 3. Tests 4. Résultats sur Mars 5. IMPLICATIONS 6. Conclusions

Comparaison avec d’autres études

Aimantation rémanente de la lithosphère océanique terrestreRefroidissement basalte : aimantation thermo-rémanente (ATR) = 20 A/m si champ magnétique ambiant ~ 50000 nTMais… - cette ATR diminue jusqu’à moins de 5 A/m en 20 Ma… (Bleil & Petersen, 1983)

- épaisseur aimantée < 4 km environ

Les intensités d’aimantation sont ~10x plus fortes par rapport aux intensités maximales sur Terre, et l’épaisseur d’aimantation est plus grande

Auteurs Valeurs d’aimantation

Études locales

Connerney et al., 2001 60 A/mFrawley & Taylor, 2004 20 A/mSmrekar et al., 2004 6, 9, 12 ou 20 A/mLanglais & Purucker, 2006 1 à 10 A/m

Études globale

s

Purucker et al., 2000 20 A/m (sur 50 km)

Arkani-Hamed, 2003 20-30 A/m (sur 30 km)

Parker, 2003 > 5 A/m (sur 50 km)

Langlais et al., 2004 ±12 A/m (sur 40 km)

Whaler & Purucker, 2005 20 A/m (40 km)

matériel aimanté : magnétite (Dunlop et Arkani-Hamed, 2005)


Processus géologiques au Noachien


Formation de magnétite ?Sur Terre :- Basalte océanique frais Ti-magnétite primaire : ATR- Croûte océanique plus vieille magnétite secondaire par serpentinisation : ACR

(Nazarova, 1994)



Formation de magnétite ?

Conditions sur Mars au Noachien :

Sur Terre :- Basalte océanique frais Ti-magnétite primaire : ATR- Croûte océanique plus vieille magnétite secondaire par serpentinisation : ACR

(Nazarova, 1994)

1. Lithosphère de compositionbasaltique

2. Abondance de l’eau (Médard et Grove, 2006)

3. Champ magnétique intense (dynamo)

4. Convection dans le manteau primitif

30 (Mg0.8 ; Fe0.2) SiO3 + 18 H2O 8 Mg3Si2O5(OH)4 + 2 Fe3O4 + 2 H2 + 14 SiO2

Enstatite (20 % Fe) Eau Lizardite Magnétite Dihydrogène Quartz



Formation de magnétite ?

Conditions sur Mars au Noachien :

Sur Terre :- Basalte océanique frais Ti-magnétite primaire : ATR- Croûte océanique plus vieille magnétite secondaire par serpentinisation : ACR

(Nazarova, 1994)

Mr = 9 à 90 A/m

La serpentinisation a pû être un des mécanismes à l’origine de l’aimantation profonde et intense de la lithosphère martienne au Noachien

1. Lithosphère de compositionbasaltique

2. Abondance de l’eau (Médard et Grove, 2006)

3. Champ magnétique intense (dynamo)

4. Convection dans le manteau primitif

Les pôles magnétiques au Noachien


I tantan I

2

Hypothèse : champ magnétique axial dipolaire

Position d’anciens pôles magnétiques virtuels

Application des équations du paléomagnétisme


I tantan I

2

Hypothèse : champ magnétique axial dipolaire

Position d’anciens pôles magnétiques virtuels

Région Lat. (°N) Lon. (°E) I (°) D (°)

Terra Sirenum

-32.4 189.9 -57.0 80.7-35.3 198.4 -50.7 53.2-33.1 203.6 21.0 12.7

Sud de Syrtis Major

-6.3 65.0 -49.6 12.8-6.5 69.0 -90.0 --15.8 70.9 42.1 35.9-7.3 58.5 -2.7 -14.5

Hémisphère Nord

64.2 24.7 31.3 -42.858.2 28.1 -20.0 -69.8

Lat. (°N) Lon. (°E)25.7 309.645.9 299.244.3 221.163.0 220.16.5 249.036.7 112.774.4 350.234.6 256.81.5 275.6

Les pôles magnétiques au Noachien

Application des équations du paléomagnétisme


Les paléopôles magnétiques martiensLes pôles magnétiques au Noachien


Un mouvement de l’axe de rotation ?


• Tharsis a stabilisé l’axe de rotation de Mars (Spada et al., 1996)

• Mouvement apparent de l’axe de rotation proche de 60°

• Autres études : 30° à plus de 90° (Schultz et Lutz-Garihan, 1982 ; Schultz et Lutz, 1988 ; Melosh, 1980 ; Sprenke et al., 2005 ; Wieczorek et al., 2005 )

• Vitesse ?

Un mouvement de l’axe de rotation ?

Moins de 100 Ma(Spada et al., 1996 ; Wieczorek et al., 2005 ;Rouby et al., 2006)

Conclusions

1. Introduction 2. Méthode 3. Tests 4. Résultats sur Mars 5. Implications 6. CONCLUSIONS

Objectif initial : retrouver les propriétés d’aimantation des sources lithosphériques martiennes à partir des mesures magnétiques

Développement d’une méthode d’inversion d’anomalies magnétiques locales

Validation de cette méthode à l’aide :

• de tests avec des données synthétiques aéromagnétiques ou satellitaires importance des estimations a priori (+ incertitude) ; pas d’influence du nombre de sources

• d’une étude des anomalies aéromagnétiques au-dessus de la Nappe de Champtoceaux (Massif Armoricain, France) accord avec les résultats d’autres études géophysiques, et avec la géologie de cette région mise en évidence de variations latérales d’aimantation

Conclusions


Étude de trois cas sur Mars :

• nécessité d’utiliser de façon conjointe les jeux AB, SPO et MO pour mieux contraindre les propriétés des dipôles

• sources aimantées intenses (souvent > 30 A/m) et profondes (> 30 km) dans l’Hémisphère Sud, faiblement aimantées dans l’Hémisphère Nord accord avec d’autres études

Implications sur l’évolution primitive de Mars

Proposition d’un modèle de serpentinisation produisant beaucoup de magnétite, à l’origine des anomalies magnétiquesMise en évidence (et confirmation) d’un mouvement du pôle probablement lié à la mise en place de Tharsis

Perspectives


• Sur la méthodologie : - critère pour choisir le nombre de dipôles- relation profondeur / aimantation au cours de l’inversion

• Sur l’aimantation de la lithosphère martienne : - étudier d’autres régions- évaluer les effets de la désaimantation- connaître les âges absolus

• Sur de futures missions :- martiennes : nouveaux tests pour montrer l’intérêt de

cette méthode couplée à une couverture complète à basse altitude (MEMO, ARES,…)

- terrestres : continuer les tests pour Swarm, et mettre en valeur l’intérêt du couplage entre mesures

aéromagnétiques et satellitaires (étude d’anomalies locales : Bangui, etc…)

MERCI À

VOUS TOUS !

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