Rhéologie du pergélisol de Mars : applications géomorphologiques et structurales ; conséquences sur l'origine des contraintes compressives
Résumé
The climate of planet Mars is dry and cold. The ground is frozen and con tains large amount of ice. The occurrence of groundice has important consequences on the mechanical behavior of the ground. The goal of this study is (1) to measure relative viscosity of ice/rock mixtures using experimental deformation tests and (2) to apply these experimental results to the rheology of the frozen ground, to tectonics and morphology. Climatic and tectonic implications are deduced from the study of rock glaciers morphology and compressional wrinkle ridges. Experimental results show that ice-rock mixtures are viscous when porosity (ice/rock volume ratio), is higher than 28%. The deformation is brittle when porosity is lower than 28%. The frozen ground has then a ductile behavior if porosity is high enough. The strength of this ductile layer is much smaller than the strength of brittle ice-free layers. Porosity limits the depth at which the frozen ground is ductile. The viscous deformation of frozen ground appears at surface as rock glaciers. These morphologies are located between 35 and 50° latitude where current temperatures are about -60°C. Following rheological results and morphological observations, we show that formation of rock glaciers is possible on duration of billions of years without major temperature changes. Therefore no major climatic warming up happened in the recent evolution of Mars for about 2 Ga. Martian wrinkle ridges are compressional structures interpreted as thrusts rooted at shallow depth. Using structural observations and rheological results we show that (1) these structures are rooted on a shallow detachment about 1.5 km deep and (2) this detachment corresponds to the ductile rheological layer created by groundice. Finally we develop the problem of stress origin. Using observations, relative datation by crater counting and planetary secular cooling models, we conclude that compression results from the thermal stress due to the global contraction of the planet.
La planète Mars est pourvue d'un climat glaciaire et d'un pergélisol riche en glace. Le comportement mécanique du pergélisol est affecté par la présence de la glace. L'objectif de cette étude est (1) de mesurer expérimentalement la viscosité de mélanges glace-roche analogues au pergélisol et (2) d'appliquer ces résultats à la rhéologie du pergélisol, la tectonique et la morphologie. Des implications climatiques et tectoniques sont obtenues à partir de l'étude de glaciers rocheux et des rides compressives. Les résultats expérimentaux établissent que le mélange glace-roche se déforme de manière visqueuse pour des proportions de glace en volume, donc des porosités, supérieures à 28%. La déformation est cassante pour des proportions de glace inférieures à 28%. Ainsi, lorsque la porosité du pergélisol est élevée, celui-ci est ductile avec une résistance nettement inférieure aux niveaux fragiles. La profondeur à laquelle la déformation ductile du pergélisol peut s'effectuer est limitée par la porosité. La déformation visqueuse du pergélisol s'observe en surface sous la forme de glaciers rocheux situés dans les régions de latitude 35 à 50° où les températures sont actuellement d'environ -60°C. A partir des données de rhéologie et d'observations morphologiques, nous montrons que ces glaciers rocheux ont pu se former sur des durées de l'ordre du milliard d'années et des températures invariablement froides. Aucun réchauffement climatique important n'a pu survenir au cours de l'évolution récente de la planète, soit depuis environ 2 Ga. Les "rides" martiennes sont des structures compressives interprétées comme des chevauchements enracinés à faible profondeur. A partir d'observations structurales d'une part et des résultats expérimentaux d'autre part, nous montrons (1) que ces structures sont enracinées sur un niveau de décollement à environ 1.5 km de profondeur et (2) que ce niveau correspond à un interface ductile dû à la glace du sous-sol. Enfin nous développons le problème de la nature du champ de compression à l'origine des rides. En utilisant les observations, les méthodes de datation par cratères et les modèles de refroidissement de la planète, nous arrivons à la conclusion que la déformation compressive est générée par la contraction thermique globale de la planète.