Author: Cathy Quantin

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La carte géologique d’Oxia Planum est publiée!

En 2018, la plaine d’Oxia Planum, dans la région d’Oxia, était sélectionnée comme site d’atterrissage de la mission d’investigation du rover « Rosalind Franklin »/Exomars (ESA). Cette mission d’exobiologie hors normes a un lancement prévu pour 2028.

Vue synthétique d’Oxia Planum à partir des données d’imagerie satéllite (CTX, HRSC)

Une des étapes suivantes de la missions était l’organisation par l’ESA d’un groupe de travail pour la création d’une carte de la géologie à haute résolution. Si les études de sélection de sites avait montré l’intérêt de la région, il s’agit désormais d’avoir une connaissance approfondie des types de sols présentés afin que, une fois arrivé, le rover Rosalind Franklin puisse être guidé vers les zones d’intérêt les plus proches (et les plus sûres).

C’était la mission du groupe « Macro » de l’équipe scientifique d’Exomars. Matthieu Volat (Observatoire de Lyon) a pu faire profiter de son expérience et du système MarsSI pour fournir des modèles 3D de terrain et de l’imagerie rectifiée sur la base des caméras CTX et HiRISE de la mission satellite NASA MRO. Ces données ont été également complétée par des détections minérales issues des instruments OMEGA (mission Mars Express de l’ESA) et CRISM (MRO) issues du travail de Cathy Quantin-Nataf, Lu Pan, Lucia Mandon (LGLTPE durant ces travaux) et John Carter (IAS durant ces travaux), ainsi que de données CASSIS (mission ESA TGO) fournies par l’équipe CASSIS elle-même. Ces données collectées ont alimenté le système de données ESA MMGIS et ont permis la réalisation d’une analyse collaborative : plus de 100 chercheurs volontaires ont parcouru la zone atterrissage durant l’été 2020 pour en annoter les caractéristiques.

Données d’élévation issues de CTX et HiRISE fournies par le groupe e-Planets dans le système de cartographie MMGIS de l’ESA pour la mission ExoMars.

La dernière étape n’était pas la moindre : regrouper, parfois arbitrer et réconcilier le travail du groupe de cartographie. Cette tâche a été confiée à Peter Fawdon (Open University, UK) et Csillia Orgel (ESA) dont la carte finale de géologie d’Oxia Planum a été publiée dans le volume 20 de la revue « Journal of Maps » (https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17445647.2024.2302361).

Carte des unités géologiques du site atterrissage ExoMars, Fawdon et al 2024

Cette cartographie synthétise l’état d’analyse de la zone d’investigations potentielle prévue pour le rover Rosalind Fanklin, telles que les données orbitales nous le permettent. Mais il s’agit également d’une occasion d’avoir les attentions de nombreux experts sur une zone spécifique, permettant de confronter et confirmer les méthodes et analyses de la surface martienne.

Il ne s’agit néanmoins pas de la fin des analyses de données orbitales de cette zones, car d’autres types de données (par exemple radar) ou méthodes d’analyses seront certainement utilisées d’ici le lancement de la mission!

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PhD proposal: Ground penetrating radar data analysis along the martian dichotomy

Encadrants

Cathy Quantin-Nataf (Université Lyon1/France) and Alain Herique (Université Grenoble Alpes/France)

Context

The Martian missions have gradually revealed that Mars abounds with evidence of a full ancient hydrological system favorable to life emergence. If so, we can expect ancestral sedimentary deposits in basins or in the Martian lowlands. Recent advances in the analyses of the surface of Mars suggest that buried Noachian deposits may be ubiquitous and locally exhumed. Different dataset can be used to study buried layers including surficial data (optical or hyperspectral), but also orbital low frequency radar data from MARSIS/Mex and SHARAD/MRO. However, penetrating radar data are still little used for subsurface geological investigations while they are crucial complementary dataset to surface data. The main reason is that the surface clutter of the rough surface of Mars is creating many reflectors inducing an ambiguity in radargrams between deep reflectors of interest and slant surface reflectors arriving at the time. The deconvolution of the surface clutter is so crucial to interpret the data in terms of subsurface structures. The classical approach for such deconvolution is to use the global altimetry data set (200m/pix) (Nouvel et al 2003, Carter et al., 2009), but at this low spatial resolution, many clutters are missed. Optical DTMs provide better resolution. However, their use remains limited due to their coverage and the presence of artifacts (Desage et al., 2023).

The goal of this PhD project is to better use higher resolution terrain models (10m/pix) to simulate the surface clutter in the goal to highlight geological reflectors possibly linked to buried layers especially in the region of the Martian dichotomy (transition between Martian low and highlands) and to complementary analyze their 3D geological context.

Methodology and work program

SHARAD (Mars SHAllow RADar sounder, onboard Mars Reconnaissance Orbiter) ground penetrating radar has the ability to sound the first few hundred meters of the subsurface with a vertical resolution of 15m and a horizontal resolution of few hundred meters (Seu et al., 2007).

To better simulate the surface clutter and remove ambiguities, we need elevation data at higher spatial resolution but with a coverage large enough to cover around 50 km on both side of the radar track. CTX Digital Elevation Models (DEMs), obtained by stereo-photogrammetry of CTX images (Beyer et al., 2018; Michael C. Malin et al., 2007), are about 10m/pix and cover about 17% of the surface of Mars allowing in certain places mosaicking of DEMs larger than 100 km. For instance, such mosaic of CTX DEMs has been produced and used to characterize the landing site of ExoMars (Volat et al., 2023).

We have developed a new pipeline allowing the mosaicking CTX images around SHARAD track to simulate the surface clutter of the observed SHARAD data. The pipeline has been delivered but all the tests and use cases in different geological context still need to be done.

The familiarization with methods and pipeline is the first part of the PhD. Geophysical interpretations and/or automated data analysis methods will be developed by the second part. The study of Oxia Planum region will for instance contribute to the characterization of the ExoMars landing site while being a study case for the pipeline validation. Then, key locations of the surfaces of Mars along the Martian dichotomy will then be analyzed and interpreted.

Required skills

The subject is between physics and planetary geosciences. We expect candidate to have solid physical background and knowledge (or at least interest) in Geosciences. Experience with penetrating radar data is not mandatory but is an advantage.

Application

CV and Cover letter to be send to cathy.quantin@univ-lyon1.fr before April 15st 2024.

Bibliography

  • Carter, L. M., Campbell, B. A., Watters, T. R., Phillips, R. J., Putzig, N. E., Safaeinili, A., et al. (2009). Shallow radar (SHARAD) sounding observations of the Medusae Fossae Formation, Mars. Icarus, 199(2), 295–302. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.10.007
  • Beyer, R. A., Alexandrov, O., & McMichael, S. (2018). The Ames Stereo Pipeline: NASA’s Open Source Software for Deriving and Processing Terrain Data. Earth and Space Science.
  • Malin, Michael C., Bell, J. F., Cantor, B. A., Caplinger, M. A., Calvin, W. M., Clancy, R. T., et al. (2007). Context Camera Investigation on board the Mars Reconnaissance Orbiter. Journal of Geophysical Research E: Planets, 112(5), 1–25. https://doi.org/10.1029/2006JE002808
  • Seu, R., Phillips, R. J., Biccari, D., Orosei, R., Masdea, A., Picardi, G., et al. (2007). SHARAD sounding radar on the Mars Reconnaissance Orbiter. Journal of Geophysical Research E: Planets. https://doi.org/10.1029/2006JE002745
  • Volat, M; Quantin-Nataf, C; Dehecq, Digital elevation model workflow improvements for the MarsSI platform and resulting orthorectified mosaic of Oxia Planum, the landing site of the ExoMars 2022 rover, PLANETARY AND SPACE SCIENCE, 10.1016/j.pss.2022.105552, 2022
  • Desage L., Herique A., Douté S., Zine S., Kofman W., Resolving Ambiguities in SHARAD Data Analysis Using High-Resolution Digital Terrain Models, Remote sensing, https://doi.org/10.3390/rs15030764, 2023
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Démarrage du projet « OCEANID »: à la recherche de l’océan martien

Le projet OCEANID démarre au sein du groupe e-Planets, pour 5 ans!

Ce projet est financé par le programme Horizon Europe de l’Union Européenne (Grant agreement ID: 101045260).

Contexte: la question de l’océan martien…

La vie est-elle unique à notre planète ? Telle est la grande question qui motive l’exploration de la planète Mars. L’eau liquide est indispensable au développement de la vie qui est apparue sur terre il y a plus de 3,5 milliards, très probablement dans les océans primitifs de notre planète. Les missions d’exploration martiennes ont révélé ces dernières décennies que Mars regorgeait de preuves d’un système hydrologique ancien favorable à l’émergence de la vie. Si tel est le cas, il y a tout lieu de penser que Mars a accueilli un océan hémisphérique couvrant les basses terres du nord. Cette hypothèse est aussi ancienne que l’exploration de Mars, mais a été mise à mal au cours des deux dernières décennies faute de preuves. La question de l’océan martien primitif reste l’un des problèmes les plus controversés et non résolus de l’analyse de la planète Mars.

Vue d’artiste de Mars avec un océan basée sur les informations géologiques disponibles (source: wikimedia)

Des découvertes récentes ré-ouvrent cette question montrant que si activité océanique il y a eu, elle est peut-être plus ancienne qu’on ne le pensait avec des dépôts qui ont été enfouis sous des roches plus jeunes mais qui sont aujourd’hui en cours d’exhumation (mis à l’affleurement par l’érosion). Aussi deux rovers (Mars2020/NASA arrivé en 2021 et ExoMars qui sera lancé en 2028) ont des sites d’atterrissage dans des terrains les plus anciens jamais explorés sur Mars, présentant des sédiments potentiellement liés à un système océanique global.

Objectifs d’OCEANID

Pour clore le débat, l’identification de dépôts de même âge, de même composition avec une répartition globale en accord avec un éventuel niveau océanique est nécessaire. Mais de tels indices sont des observations à petite échelle résolues uniquement par un ensemble de données orbitales à haute résolution (> 10 To de données) ou par une exploration in situ restreignant le lien direct avec le contexte global. OCEANID propose de relever ce défi en étudiant à différentes échelles : globale, mésoéchelle et microéchelle en utilisant des jeux de données complémentaires (données satellitaires, données des rovers explorateurs et données expérimentales). OCEANID s’appuiera également sur une méthodologie innovante de fouille de données orbitales : reconnaissance d’objets géologiques par intelligence artificielle, modèles d’évolution d’érosion/dépôt, imagerie du sous-sol par technique radar…

Les objectifs d’OCEANID sont de décrire les plus anciens dépôts sédimentaires martiens accumulés sous les niveaux océaniques possibles, d’établir une chronologie à petite échelle des événements primitifs et de contextualiser les missions Mars2020 et ExoMars au sein du système hydrologique global primitif.

Conclusion

De nouveaux membres (étudiants de thèses, post-doc) nous rejoindrons bientôt sur ce projet et et nous partagerons les résultats au fur et à mesure de notre progression sur ce sujet!

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Opérations nocturnes de Perseverance

Voilà maintenant plus de 250 jours que Perseverance est sur Mars, ce qui a beaucoup occupé l’équipe e-planets. Cette nuit, Erwin et Cathy étaient en charge des activités du lendemain de l’instrument SuperCam. Les instructions du rover sont envoyées in fine depuis la côte Ouest des Etats-Unis, d’où les horaires (très) décalés… Le laboratoire de géologie de Lyon était transformé cette nuit en salle de contrôle !

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Mars click and collect

Perseverance (NASA) qui va arriver sur Mars en février prochain entamera alors sa grande campagne de collecte d’échantillons martiens. Si tout va bien, ils seront récupérés par une vaste mission (ESA/NASA) dans la prochaine décennie.

Rendez-vous le 1er décembre pour un nouveau mardi de l’espace avec la participation de Michel Viso (CNES) et de Cathy. Au programme :18 février 2021 : le « Pick and Collect » de cailloux sur Mars commence !Objectif : rapporter des échantillons, bien choisis, sur Terre dans les années 2030. Même confinés, des centaines de scientifiques à travers le monde préparent ce retour. L’astromobile Perseverance de la NASA va assurer le prélèvement des échantillons. Où aller les chercher ? Comment les choisir ? Qu’allons-nous en faire avant qu’à la fin de la décennie un véhicule européen aille les récolter ?

C’est à suivre en direct dès 19h30 sur twitch.tv/cnes_france?

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Meeting scientifique de e-Planets

Lundi 16 décembre, toute l’équipe e-Planets était réunie pour partager les derniers travaux de recherche de chacun. Nous avons eu une belle session sur les petits corps du système solaire en particulier les comètes. Beaucoup de ses travaux sont réalisés dans le cadre du projet ERC THEMISS dirigé par Aurélie Guilbert Lepoutre qui vient de rejoindre l’équipe e-Planets.  Nous avons discuté des derniers résultats du Rover martien curiosity, de la géologie du futur site d’atterrissage du prochain rover américain Mars2020 et de la source possible des météorites martiennes. Nous avons aussi partagé des résultats sur la minéralogie de la croute lunaire et les mécanismes d’ascension des magmas dans cette croute lunaire. Nous nous sommes également intéressés aux modèles numériques de terrain martiens issus de stéréophotogrammétrie et à leur erreur. Enfin, nous avons eu de riches discussions sur la minéralogie martienne que ce soit sur les roches riche en silice ou les roches de la croute martienne riches en pyroxene. En résumé, l’équipe a été bien active en cette année 2019 et de nombreux résultats ont été produits. Vivement l’édition 2020!

Notez les magnifiques pulls de la compagnie norvégienne HYSPEX portés par Lu, Lucia, Melissa et Cathy
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Bassin d’impact géant sur Mars

L’équipe e-planet met en lumière un bassin d’impact enfoui de 1000 km de diamètre sur Mars, témoin du bombardement primitif de Mars. Lu Pan, Cathy Quantin-Nataf, Sylvain Breton et Chloé Michaut ont réuni leurs expertises pour identifier un bassin d’impact géant martien. Les cratères d’impact ont façonné les paysages planétaires. Contrairement à la Lune, Mars montre peu de bassins d’impacts datant du bombardement intense du début de l’histoire des planètes, dont l’activité coïncide avec l’émergence de la vie.  Ceci suggère que cette partie de l’histoire de Mars ne nous serait plus accessible. Mais cette étude met en évidence la présence d’un bassin d’impact d’environ 1000 km de diamètre enfoui sous des coulées de laves plus récentes masquant son expression topographique. Ce cratère localisé à l’ouest de Chryse Planitia près de l’équateur martien se serait produit il y a 4 milliard d’année par la collision d’un bolide de plus de 100 km et aurait été relaxé assez vite, puis enseveli sous des coulées de laves. Cette étude ouvre un nouveau regard sur l’enregistrement du bombardement primitif martien, d’autres bassins pouvant être mis à jour grâce à des techniques de reconstitution du sous-sol martien à partir des données orbitales similaires à celles utilisées dans cette étude. Ces techniques ont été développées par Sylvain Breton dans le cadre de sa thèse qui sera soutenue tout bientôt….

Pour ceux qui veulent en savoir plus, voici le lien vers le papier : https://hal-univ-lyon1.archives-ouvertes.fr/hal-02296349

Vue 3D de l’anomalie de gravité du cratère enfoui dans la région de Chryse Planitia, Mars.

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InSight à la Sorbonne !

Cette semaine, l’équipe de la mission InSight est réunie à Paris, dans ce magnifique grand amphithéâtre de la Sorbonne, pour discuter des fabuleux résultats de cette mission. Lu Pan et Chloe Michaut y donnent une présentation respectivement sur la structure des dix premiers kilomètres de la croûte martienne et sur les modèles de la lithosphère martienne. C’est un bel accomplissement pour Lu Pan qui est venue rejoindre l’équipe e-planets avec un financement européen ‘’ Marie Curie’’ pour préparer cette mission InSight en analysant la sous-surface de Mars dans la région où le sismomètre s’est posé. Après deux ans de travail, les résultats de Lu montrent que la sous-surface est complexe et probablement faite de plusieurs niveaux différents. Ce sont des contraintes majeures pour comprendre la propagation des ondes sismiques. Justement, plusieurs ‘’tremblements’’ ont été enregistrés (cf communiqué de Presse) inaugurant une toute nouvelle discipline scientifique : la sismologie Martienne. Mars n’est définitivement pas une planète morte !

  • Lulu pendant sa présentation à la Sorbonne
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Exomars a atterri sur Mars !

 

Virtuellement….Cette semaine, nous avons fait une simulation d’atterrissage du rover Exomars sur le site d’atterrissage que notre équipe e-planet propose : Oxia Planum. En collaboration avec des planétologues britanniques, nous (Lucia et Cathy) nous sommes entrainés à l’arrivée du rover Exomars. En début de semaine, nous avons découvert le site exact pour nous mettre dans des conditions inconnues.  Nous avions comme objectif de  1) cartographier 1 kilomètre à la ronde autour du site  les zones dangereuses pour la traficabilité du rover et  les zones à analyser en priorité pour remplir les objectifs scientifiques de la mission et 2) décider en fin de semaine la route à suivre pour les 90 premiers jours de la mission ainsi que la route et les objectifs à long terme. L’image jointe montre une vue du site sur lequel nous avons travaillé cette semaine en 3D. Les couleurs représentent les minéraux argileux. Les argiles sont des minéraux formés par action de l’eau qui sont la cible principale de ce site. Les roches présentant ces minéraux argileux pourraient avoir préservé des traces de vie potentielles.  Cet exercice nous aura permis de travailler en équipe internationale, de tester des outils de travail collaboratifs internationaux et tester notre capacité à prévoir une route pour le rover en moins d’une semaine : objectif atteint ! Vivement le vrai atterrissage!

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Portes ouvertes de l’observatoire

A l’occasion des portes ouvertes de l’observatoire de Lyon les 23 et 24 juin derniers, l’équipe e-planet proposait un atelier de formation des cratères d’impact en lançant un projectile dans de la farine soit à la main soit avec un paintball.  L’expérience montre aux petits comme aux grands l’influence de la vitesse d’impact sur la forme finale du cratère. Merci à Cédric, Matthieu, Lucia, Erwin et Cathy pour avoir tenu cet atelier et fait partager leur savoir avec le grand public. Voici un extrait en image  et en video !