Thèse Reconstitution Paléoenvironnementale de Mars à la Transition Noachien-Hespérien 38-36 Ga à Partir de l'Évolution Stratigraphique des Motifs Hexagonaux du Cratère Gale H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Laboratoire de recherche : IRAP - Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie Direction de la thèse : Dov CORENBLIT ORCID 0000000224317913 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 Cette thèse de doctorat a pour objectif une reconstitution paléo-environnementale martienne via la détermination des mécanismes de formation des motifs hexagonaux centimétriques découverts par le rover Curiosity dans le cratère Gale, sur Mars. Ces structures géomorphologiques, observées dans la stratigraphie de la transition Noachien-Hespérien (3,8-3,6 Ga), présentent une organisation en réseaux hexagonaux avec des jonctions triples à 120°. La première hypothèse est celle de paléosols columnaires formés par des cycles répétés d'imbibition et de dessiccation de sédiments argileux, témoignant d'une cyclicité hydroclimatique régulière. D'autres processus, tels que la contraction thermique ou la convection saline en surface ou la compaction et l'expulsion de l'eau interstitielle dans les sédiments post-enfouissement, doivent être rigoureusement évalués. La méthodologie repose sur une approche intégrative combinant quatre axes complémentaires : (1) une caractérisation morphométrique multi-échelles des polygones martiens utilisant la photogrammétrie 3D et des analyses statistiques multivariées des données in situ du rover Curiosity ; (2) une contextualisation stratigraphique, sédimentologique et géochimique détaillée ; (3) l'identification et l'analyse d'analogues terrestres actuels (déserts évaporitiques, lagunes) et fossiles (paléosols permiens du bassin de Lodève) ; et (4) des expérimentations en laboratoire pour tester les scénarios de formation en conditions contrôlées. Cette recherche contribuera à la compréhension de la transition climatique Noachien-Hespérien et de ses implications pour l'habitabilité potentielle de Mars ; les cycles d'imbibition-dessiccation étant considérés comme favorables à l'évolution chimique prébiotique. Le développement d'une méthodologie intégrée d'analyse morphométrique des formes polygonales combinant photogrammétrie, analyses spatiales multi-échelles et apprentissage machine constituera un apport méthodologique transférable à l'étude d'autres sites martiens. Le ou la doctorant.e sera intégré.e à l'équipe internationale Mars Science Laboratory (MSL) et participera aux opérations du rover Curiosity, notamment pour l'instrument ChemCam, permettant d'optimiser la collecte de nouvelles données sur ces motifs dans les parties supérieures encore inexplorées de la stratigraphie. Cette thèse s'inscrit in fine dans une perspective d'astrobiologie pour la recherche de traces de vie anciennes ou de reconstitution du contexte d'émergence de la vie sur Mars. La reconstitution paléo-environnementale martienne constitue un enjeu scientifique majeur pour comprendre l'évolution de la planète et évaluer son potentiel d'habitabilité dans le passé (Cabrol et al., 1999 ; Milliken et al., 2010). Le cratère Gale, exploré depuis 2012 par le rover Curiosity de la NASA, offre une fenêtre d'observation sur environ 800m de stratigraphie du Mont Sharp datant de la transition Noachien-Hespérien (3,8-3,6 Ga). Cette période critique correspond à la transition globalement observée sur Mars entre des environnements dominés par les phyllosilicates (argiles) et ceux enrichis en sulfates, témoignant d'un changement climatique majeur vers des conditions plus arides et la disparition de l'eau liquide en surface (Bibring et al., 2006 ; Carr and Head, 2010 ; Grotzinger et al., 2014, 2015 ; Batalha et al., 2021).
Les investigations menées dans le cratère Gale visent deux objectifs fondamentaux : (1) Reconstituer l'histoire de la présence d'eau liquide en surface et comprendre les mécanismes paléoclimatiques qui ont contrôlé sa disponibilité ; et (2) Rechercher des traces potentielles de vie passées ou, à défaut, identifier les environnements favorables à l'émergence de processus prébiotiques conduisant au développement de la vie. La présence d'eau liquide de manière pérenne ou épisodique est documentée dans les strates inférieures du Mont Sharp, avec l'identification d'anciens environnements fluvio-lacustres. Cependant, la nature exacte des fluctuations hydroclimatiques à court terme (saisonnières ou pluriannuelles) reste largement méconnue et requiert une contextualisation stratigraphique fine.
Au printemps 2021, lors de la traversée de la zone de transition entre l'unité argileuse (formation Murray) et l'unité sulfatée basale, Curiosity a découvert des motifs polygonaux formés par des arêtes en relief, organisés en réseaux hexagonaux réguliers rappelant des structures en « nid d'abeille » (Rapin et al., 2023). Ces formations, observées sur plusieurs dizaines de mètres d'extension latérale, et à minima 18m d'intervalle stratigraphique, présentent des caractéristiques morphométriques distinctives correspondant à des polygones d'environ 4cm de diamètre en moyenne, des jonctions triples avec des angles convergeant vers 120°, et une propagation verticale sur plusieurs centimètres de profondeur au sein d'une matrice présentant un litage fin et régulier (Rapin et al., 2023). Les analyses géochimiques par l'instrument ChemCam ont révélé que ces arêtes polygonales sont enrichies en sulfates de calcium et de magnésium et incorporent des sédiments détritiques, tandis que le substrat matriciel à l'intérieur des polygones présente une composition basaltique moins enrichie en sulfates. Cette distribution différentielle des sulfates évaporitiques suggère des processus de concentration sélective liés à des cycles répétés d'évaporation. L'hypothèse privilégiée par Rapin et al. (2023) présente ces structures comme des sols columnaires, dont le motif est lié à des fentes de dessiccation fossilisées, formées lors de cycles répétés d'imbibition et d'assèchement de sédiments fins argileux. La géométrie hexagonale mature avec des jonctions en Y à 120° constituerait une signature diagnostique de cycles de dessiccation multiples et réguliers, par opposition aux fentes de dessiccation simples qui forment des motifs orthogonaux avec des jonctions en T à 90°. Ces observations fournissent ainsi un argument fort en faveur d'une cyclicité hydroclimatique soutenue et régulière à la surface de Mars à la transition Noachien-Hespérien (Rapin et al., 2023). Il est néanmoins nécessaire de considérer de manière approfondie les autres causes plausibles pouvant également expliquer la formation de tels patterns hexagonaux, tels des phénomènes de convection saline (Ibne Haque et al., 2024), et en particulier des fissures de synérèse après enfouissement et expulsion de l'eau interstitielle (Wang et al., 2024).
Le cratère Gale (155 km de diamètre), sur Mars, s'est formé entre 3,8 et 3,6 Ga suite à un impact météoritique. Le Mont Sharp (ou Mont Aeolis), qui s'élève en son centre sur environ 5km de hauteur, expose une succession stratigraphique exceptionnelle documentant l'évolution hydroclimatique martienne. L'objectif de cette thèse est de déterminer l'origine des motifs hexagonaux centimétriques observés depuis 2021 par le rover Curiosty dans les archives sédimentaires du cratère Gale et de comprendre les mécanismes de formation et d'évolution de ces structures géométriques dans leur contexte stratigraphique et paléo-environnemental. Il s'agit de déterminer dans quelle mesure ces motifs autoorganisés peuvent résulter de cycles répétés d'imbibition/dessiccation, comme proposé par Rapin et al. (2023), ou d'autres processus en surface (e.g. contraction/expansion et fracturation thermique de la roche ou mouvement de convection dans une saumure) ou diagenétiques post-enfouissement (e.g. compaction des sédiments et expulsion de l'eau interstitielle). Ce travail permettra d'évaluer leur signification paléoclimatique et in fine astrobiologique dans une optique de recherche de traces de vie anciennes dans Gale, ou du moins de reconstitution du contexte d'émergence de la vie. Les analyses reposeront sur une quantification de la variabilité des motifs polygonaux hexagonaux via une approche morphométrique multi-échelle, afin de caractériser l'évolution paléo-environnementale de Mars lors de la transition Noachien-Hespérien (3,8-3,6 Ga) et d'en déduire les conditions d'habitabilité.
Les objectifs spécifiques seront : (1) La caractérisation quantitative des motifs hexagonaux à travers une approche morphométrique multi-échelles intégrant les données orbitales et in situ du rover Curiosity ; (2) Le replacement de ces structures dans leur contexte stratigraphique et géochimique pour reconstituer l'évolution spatio-temporelle des conditions paléo-environnementales ; (3) L'évaluation des variations géométriques des polygones le long des gradients stratigraphiques et géomorphologiques pour identifier et hiérarchiser les facteurs de contrôle environnementaux ; (4) Le teste expérimental de scénarios de formation des motifs hexagonaux en contrôlant les paramètres nécessaires à leur développement (e.g. quantité d'eau, d'argile et de sel, nombre de cycles); (5) L'identification et l'analyse d'analogues terrestres actuels (e.g. désert de l'Atacama ; lagunes méditerranéennes) et fossiles (e.g. formes de dessiccation permiennes dans le bassin de Lodève) afin d'affiner et de mieux contraindre l'interprétation des processus formatifs et des conditions environnementales de formation et de préservation ; (6) la contribution à la compréhension de la transition hydroclimatique Noachien-Hespérien et de ses implications pour l'habitabilité potentielle de Mars primitif.
Cette recherche présente plusieurs enjeux scientifiques : (1) L'évaluation de différents scénarios de formation des patterns hexagonaux enregistrés dans une stratigraphie primitive de Mars de plusieurs centaines de mètres d'épaisseur, dont l'hypothèse de cycles d'imbibition/dessiccation soutenus et réguliers et celles d'hypothèses alternatives. Une telle élucidation constituerait une avancée importante pour la compréhension de l'évolution hydroclimatique martienne, actuellement mal contrainte. Ce travail pourrait fournir des arguments en faveur de modèles hydroclimatiques comportant des phases avec des variations saisonnières (ou infra) plus ou moins régulières, par opposition à des modèles reposants sur une activité hydrologique sporadique de type « catastrophique » liée à des impacts météoritiques ou à des éruptions volcaniques ; (2) Les cycles d'imbibition-dessiccation sont considérés comme favorables pour une évolution chimique prébiotique et pour l'émergence de la vie microbienne. L'identification et la confirmation d'environnements ayant subi de nombreux cycles humides-secs confirmerait que certains secteurs au sein du bassin sédimentaire de Gale sont particulièrement propices pour la détection de traces de vie anciennes; (3) Le développement d'une méthodologie intégrée d'analyse morphométrique et statistique des structures polygonales, combinant photogrammétrie 3D, analyses spatiales multi-échelles, modélisation statistique et apprentissage machine constituera un apport méthodologique transférable à l'étude d'autres sites martiens et potentiellement à d'autres corps planétaires.
La thèse s'appuiera sur une approche interdisciplinaire intégrative combinant quatre axes méthodologiques complémentaires : (1) Synthèse bibliographique critique et analyse théorique ; (2) Caractérisation empirique et modélisation statistique des polygones martiens dans leur contexte de formation, de préservation et d'altération ; (3) Recherche et analyse d'analogues terrestres ; et (4) Expérimentations en laboratoire.
Axe 1 (synthèse critique) : Une revue exhaustive de la littérature permettra d'établir un cadre conceptuel robuste pour identifier les lacunes de connaissance et orienter les analyses et l'interprétation des résultats. Elle couvrira des aspects tels que : (1) La formation des motifs hexagonaux dans différents contextes environnementaux (e.g. convection saline ; compaction et expulsion de l'eau interstitielle après enfouissement ; dessiccation de sédiments cohésifs) ; (2) Les mécanismes physiques de fracturation et maturation des réseaux de fissures lors de cycles répétés ; (3) Les environnements de dépôt et les marqueurs d'altération de la transition Noachien-Hespérien enregistrés dans la stratigraphie du Mont Sharp ; (4) Les analogues terrestres de milieux évaporitiques avec cycles humides-secs ; (5) Les implications astrobiologiques des cycles d'imbibition-dessiccation pour la chimie prébiotique et la préservation des signatures de la vie de type Microbially Induced Sedimentary Structures (MISS) dans les roches sédimentaires.
Axe 2 (caractérisation des polygones dans le cratère Gale) : Les premiers motifs polygonaux étudiés se situent dans la zone de transition entre l'unité argileuse (formation Murray) et l'unité sulfatée basale, dans un intervalle stratigraphique d'environ 18m verticaux autour de l'altitude -4050 m. Plusieurs autres niveaux ont ensuite été découverts plus haut entre -3740 m et -3620 m comportant des motifs hexagonaux. Les données utilisées proviennent des instruments Mastcam (caméra stéréoscopique fournissant des images couleur à résolution modérée et haute résolution, permettant la création de mosaïques et de modèles stéréoscopiques 3D) ; Navcam (caméras de navigation stéréoscopiques à grand angle, utilisées pour le contexte topographique et géomorphologique) ; MAHLI (Mars Hand Lens Imager ; caméra de proximité montée sur le bras robotique, fournissant des images en couleur à très haute résolution - jusqu'à 14µm par pixel - pour l'analyse texturale détaillée) ; ChemCam (spectromètre Raman induit par laser permettant l'analyse élémentaire à distance avec une résolution spatiale submillimétrique, couplé à un imageur à distance fournissant des images contextuelles à haute résolution).
Une méthode sera développée en amont de la thèse pour l'acquisition systématique et l'archivage des images et métadonnées associées (e.g. géométrie d'acquisition, localisation, attribution stratigraphique) depuis la base de données du Planetary Data System de la NASA. Les images seront sélectionnées selon une combinaison de critères (e.g. état de préservation des structures, résolution spatiale, couverture stéréoscopique). Chaque site d'observation sera caractérisé en termes de position stratigraphique (formation, membre, altitude relative), de contexte géomorphologique (unité géomorphologique, proximité à des structures particulières), et des données géochimiques disponibles (analyses ChemCam, APXS).
La reconstruction tridimensionnelle des affleurements présentant des motifs polygonaux sera réalisée par photogrammétrie multi-images en utilisant les paires ou triades stéréoscopiques Mastcam, Navcam et les séquences MAHLI. Des logiciels de photogrammétrie (e.g. Agisoft Metashape) seront utilisés pour générer les modèles 3D en utilisant les paramètres de calibration instrumentale fournis par les instruments et/ou des indicateurs d'échelle tels que les roues du rover. Les modèles 3D générés permettront l'extraction de données topographiques fines (e.g. rugosité de surface, courbure, pente, géomorphons) et la visualisation sous différents angles pour optimiser la détection des structures. À partir des modèles 3D, des orthophotos géoréférencées seront produites par projection orthogonale des images texturées sur des surfaces aplaties représentant les plans de stratification. L'analyse géométrique des hexagones sera structurée autour de deux niveaux hiérarchiques complémentaires : (1) L'échelle du polygone individuel (i.e. unité statistique primaire), et (2) L'échelle du quadrat décimétrique (i.e. unité statistique standard secondaire organisées dans une grille regroupant des assemblages cohérents de polygones).
Des analyses statistiques descriptives et multivariées seront menées pour explorer la gamme de variabilité des motifs hexagonaux selon le contexte stratigraphique et environnemental. En particulier, des outils multivariés du type CCA (Analyse canonique des correspondances) et RDA (Analyse de redondance) seront utilisés pour la mise en relation de la variation géométrique des polygones avec les gradients stratigraphiques et environnementaux et l'identification/hiérarchisation des variables environnementales exerçant le plus fort contrôle sur la variation de la morphologie des polygones.
L'exploration du Mont Sharp par le rover Curiosity fait l'objet d'une mission étendue en cours durant la période de la thèse. Le ou la doctorant.e sera amené.e à intégrer l'équipe franco-américaine pour participer aux opérations, en particulier pour l'instrument ChemCam. En effet, le rover doit atteindre les parties supérieures de la stratigraphie encore inexplorées, et la découverte de nouveaux motifs polygonaux est probable étant donné la répétition déjà observée. L'intégration dans l'équipe du ou de la doctorante permettra d'influencer des campagnes de mesures in situ afin de maximiser la collecte de nouvelles données sur ces motifs et leur contexte. Elle permettra également de se familiariser avec les données du rover et de discuter des résultats avec l'équipe scientifique/opérationnelle.
Axe 3 (recherche et analyses d'analogues terrestres) : Un volet de la thèse sera consacré à l'identification, la caractérisation et l'analyse comparative d'analogues terrestres présentant des motifs polygonaux de dessiccation similaires en hexagones. Cette démarche comparative permettra de mieux contraindre les processus formatifs et les conditions environnementales nécessaires à leur formation dans l'environnement passé martien. Deux types d'analogues seront recherchés : (1) Des analogues actuels (e.g. playas, lacs salés temporaires, marges de lacs évaporitiques, vasières côtières soumises à marées) ; (2) Des analogues fossiles (e.g. paléosols columnaires, formations évaporitiques anciennes, dépôts de playas fossiles, environnements de transition lacustre-évaporitique préservés dans l'archive sédimentaire). Les critères de sélection incluront : la présence de motifs polygonaux plus ou moins matures dans des contextes évaporitiques avec dépôts de sulfates ou autres évaporites ; si possible un litage fin régulier suggérant des dépôts en milieu aquatique calme ; une lithologie argileuse cohésive ; une cyclicité humides-secs documentée ou inférée. Sites potentiels actuels : Racetrack Playa et Death Valley, Californie USA ; Salar d'Atacama (Chili), Bassin de l'Èbre (Espagne), diverses lagunes méditerranéennes, notamment en France. Sites potentiels fossiles : formations du bassin de Lodève du Cambrien au Jurassique en France.
Pour chaque site analogue sélectionné, une approche intégrée sera mise en oeuvre : cartographie et photogrammétrie aérienne (drone) et terrestre des motifs polygonaux ; analyse morphométrique comparative utilisant la même méthodologie que pour les données martiennes ; caractérisation sédimentologique, minéralogique et géochimique ; reconstruction des conditions paléo-environnementales (e.g. profondeur d'eau, salinité, fréquence des cycles, climat). Des collaborations sont envisagées dans le cadre des analogues avec le Pr Neil S. Davies (Université de Cambridge, Royaume-Uni) et le Dr Kimberley Warren-Rhodes (NASA Ames Research Center, USA / SETI Institute). Ces collaborations permettront l'accès à des sites de référence, le partage de données existantes et l'enrichissement de l'interprétation par expertise complémentaire.
Axe 4 (analyses expérimentales) : Des expérimentations ex situ en conditions contrôlées seront développées au Centre de Recherche sur la Biodiversité et l'Environnement (CRBE) et au laboratoire Géosciences Environnement Toulouse (GET) à Toulouse pour tester différents scénarios de formation des motifs hexagonaux et contraindre les paramètres environnementaux contrôlant leur développement. Le ou la doctorante pourra profiter de l'expérience du CRBE dans ce type d'expérimentation déjà soutenue par le projet AO1 de l'OMP « EXOBIOGEO » (2021-2022), le projet AAP Hors-piste de l'OMP « EXOMISS » (2023-2024) (Corenblit et al., 2019, 2023 ; Arrignon et al., 2025) et au travers de la thèse de doctorat en cours de Liza Alexandra FERNANDEZ « Detecting biogeomorphological signatures of life in rocks on Earth and Mars : Contribution of microbial mats in the biogeomorphological responses of desiccated sediments » financée par la Graduate Track Changing Environments Clemont-Auvergne (2023-2026). Elles viseront à : analyser les trajectoires de maturation géométriques des polygones de dessiccation lors de cycles d'imbibition-dessiccation répétés ; quantifier l'influence de paramètres clés tels que le type et la composition des argiles, l'épaisseur des couches, la concentration en sels, la fréquence et intensité des cycles ; tester différents modes d'imbibition (inondation superficielle vs. remontée capillaire) ; caractériser l'évolution temporelle des réseaux de fissures (nombre de cycles nécessaires pour atteindre une géométrie hexagonale mature).

Les candidat.e.s devront être titulaires d'un diplôme de Master en géosciences, sciences de la Terre ou disciplines équivalentes (géologie, géomorphologie), et manifester un intérêt marqué pour la planétologie. Une expérience avérée en modélisation statistique et numérique et/ou en programmation (notamment Python et/ou C++) est requise. Une maîtrise des outils de systèmes d'information géographique (SIG), tels que QGIS et ArcGIS, ainsi que des techniques de photogrammétrie (Agisoft Metashape), est également appréciée.