L'atmosphère martienne primitive était autrefois riche en dioxyde de carbone, mais au fil du temps, cette atmosphère épaisse s'est considérablement amincie. Où est passé tout ce carbone ? La réponse se trouve peut-être dans les roches et les minéraux qui recouvrent la surface de Mars.

Les géologues Joshua Murray et Oliver Jagoutz, du Massachusetts Institute of Technology, ont découvert une solution potentielle à ce mystère de longue date. Leur nouvelle recherche, publiée dans la revue Science Advances, suggère que l'altération des roches riches en fer et en magnésium sur Mars pourrait avoir produit des quantités substantielles de méthane abiotique (non biologique). Ce méthane pourrait ensuite avoir été piégé et préservé dans des minéraux argileux à travers la croûte martienne, représentant ainsi un réservoir de carbone jusqu'alors méconnu.

"Sur Terre, nous savons que l'altération hydrothermale des roches ultramafiques peut produire du méthane abiotique", explique M. Murray. "Nous savons également que les minéraux argileux de Mars, comme la smectite, ont une grande capacité à adsorber et à protéger les composés de carbone organique. Nous voulions donc déterminer si ce processus avait pu jouer un rôle majeur dans la perte de l'atmosphère primitive de Mars."

On estime que l'atmosphère martienne primitive contenait entre 0,25 et 4 bars de dioxyde de carbone, ce qui est beaucoup plus épais que les 0,054 bars épars qui existent aujourd'hui. Cet amincissement spectaculaire laisse les planétologues perplexes depuis des décennies, car les modèles de fuite de l'atmosphère dans l'espace ne peuvent rendre compte de l'absence de carbone.

"Le problème est que les taux connus de perte de carbone dans l'espace sont trop faibles pour expliquer la disparition d'une telle quantité de CO2", explique M. Jagoutz. "Il doit y avoir un autre puits de carbone important qui nous échappe.

C'est là qu'interviennent les minéraux argileux. Les réactions eau-roche qui altèrent les roches ultramafiques riches en fer et en magnésium sur Mars peuvent produire à la fois de la serpentine (un minéral silicaté hydraté de couleur verte) et des argiles smectiques. Ces argiles ont une surface incroyablement élevée, ce qui leur permet d'adsorber et de protéger les molécules organiques.

"Essentiellement, l'oxydation du fer dans l'olivine au cours de la serpentinisation libère de l'hydrogène, qui peut ensuite réagir avec le CO2 pour former du méthane", explique M. Murray. "Ce méthane peut être piégé et conservé dans les espaces intercouches des minéraux argileux qui se forment.

À l'aide d'un modèle de bilan de masse, les chercheurs ont calculé qu'une couche globale de serpentine d'à peine 2 kilomètres d'épaisseur aurait pu réduire environ 5 bars de CO2 atmosphérique en méthane. Les minéraux argileux issus de l'altération de ces roches ultramafiques, en particulier la smectite, ont la capacité de stocker une quantité stupéfiante de ce carbone organique.

"Nous estimons qu'entre 0,07 et 1,7 bar de CO2 aurait pu être séquestré sous forme de méthane adsorbé dans la croûte martienne", explique M. Jagoutz. "Il s'agit d'un énorme réservoir potentiel, qui pourrait expliquer en grande partie l'absence de carbone.

Mais les implications de ce travail vont au-delà du simple cycle du carbone. Les chercheurs montrent également que la formation et la préservation de ce méthane abiotique pourraient avoir eu un impact significatif sur la composition isotopique de l'atmosphère de Mars au fil du temps.

"La formation du méthane incorpore de préférence l'isotope 12 du carbone, plus léger", explique Murray. "Ainsi, lorsque le CO2 atmosphérique est converti en méthane et enfoui dans la croûte terrestre, on peut s'attendre à ce que le CO2 restant s'enrichisse progressivement en isotope plus lourd, le carbone 13."

En effet, les modèles de l'équipe indiquent que pour leur "meilleure estimation" des volumes d'argile, le δ13C atmosphérique (le rapport entre le carbone 13 et le carbone 12) aurait pu être enrichi de 1,9 à 14 pour mille. Cela correspond remarquablement bien aux mesures de l'atmosphère martienne moderne, qui montre une valeur δ13C de 48 pour mille - loin de la fourchette de -30 à -20 pour mille attendue pour la composition du manteau primordial de la planète.

"Le fait que notre modèle de méthane abiotique puisse expliquer une grande partie de cet enrichissement isotopique est vraiment passionnant", déclare M. Jagoutz. "Il fournit une explication potentielle à ce mystère de longue date de la géochimie martienne".

Il est important de noter que les chercheurs précisent que leurs estimations de la taille du réservoir de carbone organique sont prudentes. Les minéraux argileux, en particulier la smectite, ont une capacité encore plus grande d'adsorber et de protéger les molécules organiques polaires au-delà du seul méthane.

"Le méthane est un composé non polaire relativement simple", explique M. Murray. "Mais nous savons que les mudstones de Mars contiennent des signatures organiques beaucoup plus complexes. Si ces types de composés étaient également stabilisés sur les surfaces argileuses, le réservoir total de carbone organique pourrait être encore plus important."

Cela a des implications intéressantes, non seulement pour notre compréhension du passé de Mars, mais aussi pour l'exploration future et l'utilisation potentielle des ressources. Si des quantités substantielles de carbone organique sont effectivement séquestrées dans la croûte martienne, elles pourraient constituer une source de carburant précieuse pour les futures missions robotiques et humaines.

"Le méthane est un propulseur incroyablement utile pour les engins spatiaux", explique M. Jagoutz. "Si nous parvenons à exploiter ces réserves de carbone organique enfouies, nous pourrions réduire considérablement la quantité de matériel qu'il nous faudrait lancer depuis la Terre pour assurer l'exploration à long terme de Mars."

En outre, les conclusions de l'équipe jettent un nouvel éclairage sur les processus fondamentaux qui déterminent l'habitabilité des planètes rocheuses de manière plus générale. Sur Terre, le cycle du carbone entre l'atmosphère, les océans et la croûte terrestre est intimement lié au fonctionnement de la tectonique des plaques, un processus qui renouvelle continuellement la surface et recycle le carbone.

Mais Mars, dépourvue de tectonique des plaques active, semble avoir développé un cycle du carbone très différent. Ici, l'altération des roches ultramafiques et le piégeage ultérieur du carbone organique dans les minéraux argileux pourraient avoir représenté un puits quasi-permanent, avec des implications pour l'évolution climatique de la planète.

"Ce que nous observons sur Mars est un instantané de ce qui peut se produire sur une planète rocheuse sans tectonique des plaques", explique M. Murray. "L'adsorption du carbone organique sur les surfaces argileuses pourrait être un processus fondamental dans l'évolution atmosphérique des planètes, un processus intimement lié à la nature de la géologie de la planète."

Cela a de profondes implications pour la recherche de la vie ailleurs dans l'univers. Après tout, la préservation des composés organiques est une condition préalable essentielle à l'émergence et à la persistance de la biologie. Sur un monde tectoniquement inactif comme Mars, le carbone organique protégé par des minéraux pourrait représenter l'une des rares possibilités de préservation.

"Si nous trouvons des preuves de la présence de molécules organiques complexes dans les mudstones martiens, cela pourrait être un signe tentant que la vie a pu s'y installer un jour", explique M. Jagoutz. "Mais même en l'absence de biologie, ces réservoirs organiques abiotiques sont fascinants en soi, car ils ouvrent une fenêtre sur les débuts de l'évolution des planètes terrestres."

Alors que le rover Persévérance continue d'explorer le cratère Jezero et que le rover Curiosity ne cesse de découvrir de nouvelles signatures organiques, la chasse au carbone martien ne fait que commencer. Mais grâce à ce nouveau modèle de production abiotique de méthane et d'adsorption de minéraux argileux, les scientifiques planétaires disposent désormais d'un cadre puissant pour comprendre comment le destin de ce carbone a pu se dérouler pendant des milliards d'années.

"Mars est un incroyable laboratoire naturel pour étudier la coévolution de la géologie, du climat et du potentiel de vie d'une planète", conclut M. Murray. "Et en démêlant la danse complexe entre l'eau, les roches et le carbone, nous nous rapprochons de l'histoire remarquable de Mars".

Référence(s)

1. Murray et Jagoutz, Sci. Adv. 10, eadm8443 (2024) 25 septembre 2024

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