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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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Arrivée d’Ines Torres dans l’équipe

Après deux années de « Young Graduate Trainee » au site ESTEC de l’ESA pour préparer la mission du premier rover européen ExoMars, Inès rejoint e-Planets pour démarrer une thèse co-encadrée par Cathy Quantin Nataf (LGL-TPE) et John Carter (LAM) dans le cadre du projet ERC OCEANID.

L’objectif de sa thèse est de documenter l’enregistrement sédimentaire ancien de Mars au niveau de la transition entre les terrains hauts de l’hémisphère sud et les terrains bas du Nord et de préparer la mission ExoMars en analysant l’étendue et la nature des terrains sédimentaires qui composent le site d’atterrissage.

En effet, les missions martiennes des 20 dernières années ont révélé que Mars regorgeait de preuves d’un système hydrologique ancien complet favorable à l’émergence de la vie. Si tel est le cas, il y a tout lieu de croire 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 remise en question à plusieurs reprises au cours des deux dernières décennies. Le cas de l’océan martien primitif reste l’un des problèmes les plus controversés et non résolus de la planète.

Des découvertes récentes rouvrent cette question suggérant que la principale activité océanique est peut-être plus ancienne qu’on ne le pensait avec des sédiments océaniques en partie enfouis et exhumés. La mission ExoMars Rosalind Franklin ESA qui sera lancé en 2028 a pour site d’atterrissage les dépôts sédimentaires les plus anciens jamais explorés sur Mars avec une origine potentiellement océanique.

Nous sommes tous heureux d’acceuillir et souhaiter la bienvenue à Ines!

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    Soutenance de thèse : Valentin Bonnet Gibet

    Valentin Bonnet Gibet (LGL-TPE, ENS de Lyon) soutiendra sa thèse, intitulée « Formation de la croûte et histoire thermique Martienne » qui aura lieu le Lundi 23 octobre 2023 à 14h en salle des thèses à l’ENS Monod (46 allée d’Italie, Lyon).

    La sismologie a récemment apporté d’importantes informations sur la structure de l’intérieur de Mars et en particulier de sa croûte. L’épaisseur moyenne de la croûte est contrainte entre 50 et 67 km avec une différence de 12 à 34 km entre les hémisphères Nord et Sud. Cette dichotomie est une caractéristique essentielle de la surface Martienne. Dans cette thèse, je propose un nouveau mécanisme pour expliquer sa formation, basé sur un processus de rétroaction positive entre l’épaisseur de la croûte et son extraction. La croûte étant enrichie en éléments producteurs de chaleur, lorsqu’elle est plus épaisse, la base de la lithosphère, qui est une limite rhéologique et donc thermique, est atteinte à une profondeur moindre. Sous une lithosphère amincie, la fraction de liquide dans le manteau est plus élevée, car à une même température mais à plus faible pression. Les vitesses d’extraction de magma sont alors plus élevées et la croûte croit plus rapidement là où elle est plus épaisse. La diffusion de la chaleur dans la lithosphère favorisant les grandes longueurs d’onde, nous proposons que ce mécanisme ait pu générer la dichotomie martienne. Pour le tester, j’ai développé un modèle d’évolution thermique paramétré asymétrique incluant l’extraction de la croûte. Avec ce modèle, nous démontrons qu’une dichotomie crustale se développe et croit à partir d’une perturbation hémisphérique initiale négligeable. Pour une certaine gamme de paramètres, notre modèle est capable de reproduire les observations sur l’épaisseur de la croûte et la structure thermique du manteau. Nous montrons aussi qu’une planète en couche stagnante avec une forte dichotomie d’épaisseur de croûte se refroidit légèrement plus vite qu’une planète dont la croûte est d’épaisseur constante. Enfin, nous démontrons que notre modèle de croissance de la dichotomie fournit également une explication pour la formation de roches différenciées dans les Hautes Plateaux du Sud.

    Le jury sera constistitué de :

    • BARATOUX David, Rapporteur, Directeur de recherche, IRD – Université Félix Houphouët-Boigny
    • CHOBLET Gaël, Rapporteur, Directeur de recherche, LPG – Nantes Université
    • SAUTTER Violaine, Examinatrice, Directrice de recherche, MNHN – Sorbonne Université
    • LABROSSE Stéphane, Examinateur Professeur des universités, LGLTPE – ENS de Lyon
    • WIECZOREK Mark, Invité, Directeur de recherche, IPGP – Université Paris Cité
    • MICHAUT Chloé, Directrice de thèse Professeure des universités LGLTPE – ENS de Lyon

    Le traditionnel pot de thèse aura lieu dans la salle conviviale du laboratoire (bâtiment M8, 2e étage).

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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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    Merci, Oppy!

    Depuis la tempête de poussière globale de l’été 2018 (voir la note e-planets à ce sujet), le contact avait été perdu avec le rover Opportunity. La NASA a annoncé avec regret hier qu’elle considérait sa petite astromobile perdue.

    Opportunity, de son véritable nom MER-B, mais surnommé Opportunity ou « Oppy », était arrivé sur Mars en 2004, 21 jours après son jumeau Spirit. Sa mission était initialement prévue à 3 mois, mais Oppy nous a envoyé ses photos, observations, mesures pendant près de 15 ans.

    Vue d’artiste des modules MER

    Quelques uns des découvertes et moments mémorables d’Opportunity:

    • Découverte de petite hématites sphériques, minéraux qui se forment en la présence d’eau, prouvant que Mars avait du avoir une quantité d’eau considérable dans le passé [lien]
    • Parcours d’une distance marathonienne (plus de 45km!), observant pendant son trajet des micro-tornades à la surface [lien]
    • Traversé du purgatoire, une dune couverte de plus de 10cm de poussières [lien]
    • Vues de magnifiques levers et couchers de soleils [lien]
    • Observation des rares nuages martiens [lien]

    Opportunity était alimenté par les panneaux solaires sur son dos, qui ont du être recouverts de poussière durant la tempête de l’été 2018. Pendant 6 mois, l’équipe opérant le robot a essayé de rétablir le contact.

    Cette mission reste un succès, dont les résultats et la réussite ont pavé la voie pour la mission NASA/JPL suivante, Curiosity, qui est encore en cours. En 2020, deux autres robots faire passer la population robotique active de Mars à 3 : la mission NASA/JPL Mars2020 visant le cratère de Jezero et la mission ESA/Roscosmos visant la plaine d’Oxia Planum.

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    Oxia planum est le site recommandé pour l’atterrissage du rover ExoMars

    Les 8 et 9 novembre 2018 s’est tenue la 5ième conférence du groupe de travail des sites d’atterrissage pour la mission ExoMars 2020 à Leicester, au Royaume Uni. Au cours de cette réunion, la communauté d’ingénieurs et de scientifiques présents ont voté une recommandation pour atterrir sur Oxia Planum, site découvert par l’équipe e-Planets conjointement avec l’IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale) de Paris.

    La mission ExoMars, portée par l’ESA (l’Agence Spatiale Européenne) et Roscosmos (l’agence spatiale russe), verra l’envoi en 2020 d’un rover sur le sol martien. La sélection du site d’atterrissage est un processus assez long, au cours duquel plusieurs sites ont été proposés avant de procéder à des choix basés sur divers critères techniques et scientifiques. En 2015, Oxia Planum avait déjà été choisi comme site d’atterrissage, mais le retard de 2 ans de la mission a vu la ré-ouverture des sites à la sélection.

    Pour ce congrès, seuls restaient en course les sites d’Oxia Planum, soutenu par une équipe internationale dirigée par e-Planets et John Carter (IAS), et Mawrth Vallis, soutenu par une équipe international dirigée par l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS). Du groupe lyonnais e-Planets, Cathy Quantin-Nataf, Lucia Mandon et Lu Pan ont présenté les travaux de toute l’équipe sur le site d’Oxia Planum. Les deux sites, âgés de plusieurs milliards d’années (> 3,9 Ga), offrent une chance unique d’étudier l’histoire ancienne de Mars, et de remonter dans le temps où la planète était potentiellement habitable par la Vie.

    Les sites d’Oxia Planum et Mawrth Vallis, très proches, sont localisés en bordure du bassin de Chryse Planitia, au niveau de très anciens (> 3,9 Ga) dépôts, potentiellement sédimentaires riches en argiles. (c) image : ESA

    Pendant plus d’une heure, Cathy a pu présenter le site sous toutes ses coutures : sa géologie, son histoire (intimement reliée à la présence d’eau liquide), l’accessibilité des différentes unités… Mais également les nombreux exercices de simulation d’atterrissage réalisés par l’équipe (voir notre note de blog ici).

    Cathy Quantin-Nataf, professeur au LGL

    Lucia a présenté la minéralogie du site en détails, fruit du travail de l’équipe pendant plusieurs années grâce aux instruments HiRISE et CRISM, orbitant autour de Mars à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter.

    Lu, quant à elle, a présenté ses travaux sur les phases ferriques présentes sur le site.

    Les différentes équipes d’ingénierie de la mission étaient également représentées, et ont pu exposer leurs rapports concernant les risques (atterrissage et traficabilité) associés aux deux sites.

    Le prototype « Bruno » du rover, présenté par Thalès

    A la suite de nombreuses discussions, les membres présents ont été conviés à voter pour former une recommandation sur le site préférable. Le consensus, représentant l’avis des scientifiques et ingénieurs, a été que le site de Mawrth Valis et d’Oxia Planum présentaient tous les deux des opportunités pour la recherche de précurseurs de la vie. Cependant, les caractéristiques du module d’atterrissage et du rover rendent l’atterrissage, mais également l’exploration (traficabilité) de Mawrth Vallis sensiblement plus risqués. En conséquences, la communauté a recommandé le site d’Oxia Planum.

    Cette recommandation sera prise en compte par le projet pour l’annonce du choix final du site d’atterrissage, courant 2019. Toute l’équipe est néanmoins très fière d’avoir pu contribuer à ce projet !

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    Mars sous toutes ses coutures à Berlin :

    Clément et Sylvain se sont rendus à l’EPSC (European Planetary Science Congress) à Berlin pour présenter les derniers résultats de leur travail de thèse. Ces deux doctorants ont tout les deux parlé de Mars et de son histoire.
    Dans un poster Clément a expliqué comment il a réussi a estimer le volume de lave émis par la province volcanique de Tharsis : le plus gros volcan du système solaire. Pour réaliser cela il a du estimer à quel point le volcan a plié la croute martienne en regardant le materiel exhumé par les très gros cratères de météorite tout autour de Tharsis.
    Justement, c’est de cratères de météorites dont Sylvain a discuté au cours d’une présentation orale. En travaillant sur les cratères formés par les éjectas d’autres cratères il a découvert que à partir d’une certaine distance du premier cratère, certains des cratères secondaires formaient eux même d’autres cratères (cela fait beaucoup de cratères dans une seule phrase).
    C’est fatigués, mais content de leur travail que Clément et Sylvain sont rentrés à Lyon.
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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!