Early Mars Water-Rock Interactions : Confronting Models and Experiments with the Observations from the MSL and Mars 2020 missions

L'exploration de Mars est une aventure scientifique majeure visant à comprendre les origines de la vie et des planètes. Contrairement à la Terre, Mars a conservé une surface beaucoup plus ancienne, offrant une fenêtre unique sur l'histoire planétaire. L'exploration de Mars a révélé de nombreuses preuves d'activité hydrique, sculptant des vallées et transformant les roches en minéraux secondaires, indices des paléoenvironnements. Actuellement, plusieurs orbiteurs et missions in situ explorent le passé aqueux de Mars, notamment les minéraux d'altération. Les rovers Curiosity et Perseverance ont montré des preuves de changements climats tantôt sec ou humides. Cependant, la chronologie de l'eau martienne et les conditions climatiques restent floues. Même si l'exploration robotique est à la pointe de la technologie, notre capacité à modéliser et interpréter les résultats pose encore des défis majeurs. Les conditions uniques sur Mars, tel que son climat froid, son atmosphère tenue et la nature épisodique de son activité hydrique, suggèrent que les interaction eaux roches sont régis par la cinétique, plutôt par la vitesse des réactions que par leurs équilibres. Une approche de modélisation différente de celles utilisées sur Terre doit être développée pour s'adapter aux contraintes des données in situ. Ce travail de thèse se concentre sur le développement de nouveaux modèles, intégrant des expériences et les résultats des missions. Des modèles ont été créés pour simuler l'altération martienne, proposant plusieurs approches incluant la cinétique. Un ensemble d'outils ont été développés, comme un calculateur thermocinétique accélérant l'utilisation des modèles cinétiques, et des tests de sensibilité à grande échelle permettant d'explorer les environnements martiens possibles. Des expériences d'altération ont été développés, avec la dissolution cinétique de roches naturelles dans des conditions imitant celles de Mars. Ces études ont permis d'améliorer le modèle et de démontrer que la cinétique est le principal facteur qui régis la composition des fluides. Elles ont aussi révélé que les éléments sensibles au redox tels que le Fe et Mn étaient relativement mobiles sur Mars. Des tests de sensibilité suggèrent que la formation de carbonates dans des conditions plus oxydantes que prévu, influencée par le temps de réaction et la quantité d'eau, suggérant une formation par évaporation plutôt que par altération in situ. Cependant, des expériences d'évaporation avec les solutions d'altération ont montré la précipitation de sulfates et de chlorures mais pas de carbonates, et ceux sous aucune des conditions martiennes. Les modèles ont révélé que la cinétique de précipitation et la composition des fluides inhibaient leur formation. Cela signifie que sur Mars, la précipitation des carbonates n'est probablement pas commune et nécessiterait des conditions spécifiques, même par évaporation. Les observations d'oxydes de Mn in situ sont une énigme, car ils nécessiteraient un pH élevé et des conditions oxydantes que l'on ne trouve pas à la surface de Mars. Nous avons étudié l'évaporation des fluides dans des conditions modérément oxydante, dans le but de démonter l'existence de pH élevés temporaires. Les expériences et modèles ont révélé que l'évaporation sur Mars pourrait élever le pH et favoriser la formation d'oxydes de Mn, tout en créant de nouvelles divisons chimiques par l'oxydation et la cinétique de précipitation. Enfin, des modèles conceptuels sont proposés pour se comparer aux données in situ : un modèle en régime permanent, pour expliquer les observations faites dans le cratère Gale, et un modèle à l'échelle du bassin versant pour tester les hypothèses climatiques. Ce travail a révélé que l'histoire des interactions eau-roche est plus dynamique et complexe qu'on ne le pensait, en mettant en lumière l'influence des facteurs cinétiques. Il fournit de nouvelles méthodes de modélisation et des outils pour les observations futures.