Meteorite impacts on Mars - Seismic observation, source theory and modeling. - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Meteorite impacts on Mars - Seismic observation, source theory and modeling.

Impacts de météorites sur Mars - Observations sismiques, théorie de la source et modélisation.

Résumé

Meteorite impacts are important actors in the evolution of the solar system and 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 quakes. Today, no model can fully explain, the impact signal spectrum and magnitude, the P- and S- wave relative amplitudes and the seismic source mechanism. In addition to seismic waves, the fall and final 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 seismometer 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 FDEM signal, prolongated by coupling. 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 depends 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 ∼20m below InSight, and the other with a single interface at ∼40m 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.
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 ces 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. Durant les quatre ans de la mission, ces instruments ont détecté huit impacts de météorites. Comme sur la Lune, les signaux d’impacts diffèrent de ceux, plus classiques, d’origine tectonique. Aucun modèle ne permet encore d’expliquer tout à la fois leur spectre en fréquence, leur magnitude, l’amplitude relative de leurs ondes P et S, ainsi que le mécanisme de la source sismique. La chute et l’impact final des météores produit également des ondes de choc dans l’atmosphère martienne. Sur Mars, ces chocs peuvent être piégés 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. Nous dérivons la structure de l’atmosphère et du sous-sol mar- tien via une inversion bayésienne 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.
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Citer

Marouchka Froment. Meteorite impacts on Mars - Seismic observation, source theory and modeling.. Planetology. Université Paris Cité, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04461927⟩
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