Les grottes volcaniques de Mars et de la Lune, vastes abris pour astronautes

Tube de lave dans le désert de Mojave. © D. R. Cooke
Depuis 2009, les astronomes suspectent l’existence de cavernes volcaniques sur Mars et sur la Lune. Une nouvelle étude indique que celles-ci représenteraient des cavités beaucoup plus volumineuses que sur Terre. Des refuges souterrains qui pourraient accueillir les futurs explorateurs humains.

Les futures bases lunaires et, plus tard, martiennes, seront-elles troglodytes ? Depuis la découverte de cavernes à la fois sur Mars et sur la Lune, l’idée fait son chemin au sein des agences spatiales. Certaines de ces grottes extraterrestres ont toutefois une particularité : elles ont été creusées par des coulées de lave lors d’éruptions volcaniques. Quand la lave s’est retirée, elles sont devenues ce que l’on appelle des tubes de lave.

Ces abris naturels semblent idéaux pour protéger les astronautes des rayonnements cosmiques ou des micrométéorites qui bombardent en permanence les planètes. Mais une question demeure : ces refuges sont-ils viables ? Après tout, les astronomes n’en ont qu’une connaissance partielle, fondée uniquement sur les images prises depuis l’orbite par des sondes. L’équipe menée par Francesco Sauro (université de Bologne, Italie) a donc réalisé une étude approfondie. Et son résultat est étonnant : les tubes de lave lunaires ou martiens seraient bien plus volumineux que ceux de la Terre — jusqu’à 700 fois pour la Lune ! Ils pourraient donc sans problème abriter les futures colonies.

Examiner les tubes de lave terrestres

Faute de pouvoir aller sur place pour recueillir des informations, les chercheurs ont fait de la planétologie comparée. Ils ont supposé que certaines caractéristiques des tubes de lave terrestres se retrouveraient sur ceux de la Lune et de Mars pour en déduire leurs volumes. Plus facile à dire qu’à faire… Car, en dépit des photographies à haute résolution des sondes Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), qui montrent des effondrements parfois spectaculaires dans des provinces volcaniques, a-t-on la certitude que de telles formations existent réellement sur ces corps célestes ?

L’hypothèse de leur présence ne date pas d’hier. Elle est évoquée dès 1969 pour expliquer l’origine de rainures sinueuses et de gouffres sur des terrains volcaniques de la Lune. « Le volcanisme lunaire prend surtout place du côté visible de notre satellite naturel, dans les mers, décrit Riccardo Pozzobon, membre de l’équipe de chercheurs. Ce sont de larges bassins d’impact remplis par de la lave basaltique provenant de fissures dans la roche ou de volcans-boucliers. De tels volcans existent aussi sur Mars, comme le mont Olympe. Ce type de lave très fluide et très chaude (jusqu’à 1200°C) est essentiel à la formation de tubes de lave. »

Ceux-ci se forment de deux manières, comme l’explique le chercheur : « Lorsque des rivières de lave s’épandent en surface, elles creusent un lit dans la roche. Leur surface peut alors se solidifier et emprisonner la chaleur, permettant ainsi au flot de lave de continuer de couler et de creuser la roche. Lorsque l’éruption s’arrête et que le tube de lave ainsi créé se vide, la cavité n’est généralement pas très large, mais très longue. Une seconde manière de former ces tubes est lorsque la lave est injectée dans le sous-sol, par exemple entre des fractures. Elle peut alors excaver la roche pour s’y frayer un passage jusqu’à la surface, où elle pourra à nouveau vider la cavité ainsi creusée pour constituer un tube de lave souvent plus volumineux et plus stable car au toit plus épais. »

Un puits observé sur Mars révèle l’existence d’un ancien tunnel de lave. © NASA /JPL/Univ. of Arizona
Un puits découvert sur la Lune, dans la mer de la Tranquillité. © Nasa/GSFC/Arizona State Univ.

Reste maintenant à pouvoir reconnaître ces tubes depuis… le ciel ! Car les principales observations pour les identifier proviennent de sondes ou de télescopes terrestres. « Quand une portion de tube s’effondre, on peut facilement le voir sur des photos satellites sous la forme d’alignements sinueux », indique Riccardo Pozzobon. Ces effondrements prennent aussi parfois la forme de trous dans le plafond d’un tube. On les nomme alors puits de lumière. « Sur la Lune, plus de 200 ont été découverts, dénombre-t-il. Et sur Mars, plus de 1000 puits, effondrements et fractures, pas nécessairement liés à des tubes de lave, ont été référencés, essentiellement près des régions volcaniques de Tharsis et d’Elysium. » Repérer des trous dans des tubes n’est cependant pas suffisant pour déterminer la morphologie et les dimensions de ces vides souterrains. C’est là que la comparaison entre planètes peut aider.

Comparer la Lune et Mars à la Terre

Sur Terre, de nombreuses expéditions géologiques et spéléologiques ont permis d’observer des centaines de kilomètres de tubes de lave dans le monde, dont la longueur varie de quelques mètres à plusieurs kilomètres. « Sur notre planète, le rapport entre largeur et profondeur des parties effondrées est différent de celui pour les parties non effondrées des tubes sur Terre, révèle Riccardo Pozzobon. En se servant de cette asymétrie, il est possible de déduire, sur la Lune ou sur Mars, la taille des tubes non effondrés en observant leurs parties effondrées. »

Pour déterminer cette asymétrie sur Terre, l’équipe a collecté des données sur 120 effondrements et puits sur trois sites : Lanzarote, aux Canaries, où se trouvent les tubes les plus volumineux de notre planète (en moyenne 37 m de large pour 10 m de hauteur, mais en certains endroits, on monte à 27 m de large pour 40 m de hauteur !) ; Kazumura, à Hawaï, qui possède le plus long tube (environ 65 km) ; Undara, en Australie.

Une fois l’asymétrie quantifiée, il faut pouvoir s’en servir sur la Lune et sur Mars. Une seconde étape consiste alors à reconstituer les profils topographiques des effondrements sur ces corps afin d’obtenir, entre autres, leurs largeur et profondeur. Pour la Lune, ce sont les données, issues de sondes spatiales, de 27 effondrements dans les régions des collines de Marius et du mont Gruithuisen qui ont été utilisées. Et pour Mars, 122 effondrements de cinq tubes de lave supposés, près des monts Arsia, Hadriaca et Olympe.

Depuis l’orbite lunaire, la sonde LRO a repéré ce tube de lave dans la région des collines de Marius. © Nasa/GSFC/Arizona State Univ.

Aussi précises que soient ces mesures, pas facile tout de même de reconstituer les profils topographiques des effondrements : il y a certaines de leurs parties pour lesquelles il n’y a pas d’image, d’autres où les contrastes des images entre la surface et le fond d’un effondrement est tellement grand que l’on ne peut rien en tirer, sans compter les ombres ! Une fois ces difficultés surmontées, les profils permettent de déduire le volume des parties effondrées sur la Lune et sur Mars et, usant de la relation déduite par les chercheurs des observations sur Terre, le volume des parties non effondrées.

Des volumes immenses !

Et les résultats sont plutôt encourageants. Première chose d’importance, la morphologie reconstituée des effondrements sur la Lune et Mars est très similaire à celle observée sur Terre. Autrement dit, les calculs ne donnent pas de résultats délirants ! Ensuite, sur Mars, les effondrements sont généralement plus nombreux que sur Terre : seuls 20 à 40 % de la longueur des tubes sont intacts. « Sur Terre, les effondrements sont dus au volcanisme toujours actif, aux tremblements de terre et aux altérations de la roche basaltique à cause de l’eau qui pénètre dans les fractures.

Mais sur Mars, bien que la gravité ne soit que d’un tiers de celle de la Terre et donc les tubes plus stables, le volcanisme prolongé et étendu, la présence d’eau en surface autrefois et les cratères d’impacts ont déstabilisé les toits des tubes », compare Riccardo Pozzobon. C’est sur la Lune où ces derniers sont les plus stables avec 40 % de tubes intacts grâce à une faible gravité de 1/6 de celle de la Terre. « Les seuls endroits où nous trouvons des effondrements se situent près de cratères d’impacts ou de petites structures tectoniques », analyse Riccardo Pozzobon.

Des tubes de 500 m de diamètre sur la Lune !

Mais la caractéristique des tubes qui change le plus entre les trois corps, c’est leur échelle. Alors que sur Terre le diamètre d’un tube est au maximum de quelques dizaines de mètres, il serait compris entre 30 et 400 m pour Mars et 500 à 900 m pour la Lune ! Aussi les volumes effondrés suivent le même chemin. Ils seraient 80 fois supérieurs sur Mars par rapport à la Terre et 300 à 700 fois sur la Lune par rapport à notre planète. Dans ce dernier cas, on en déduit un volume de tubes intacts pour le mont Gruithuisen de plus d’un milliard de mètres cubes !

De telles disparités sont liées aux différences de gravité sur ces trois mondes, une plus faible gravité favorisant de plus grandes effusions de lave avec des flots plus longs et plus épais. Tout cela laisse donc largement la place d’installer une base terrienne dans un tube, mais à condition que les voûtes de ces immenses vides tiennent le coup ! Or, cela semble être le cas compte tenu de la faible gravité de la Lune. « Il y a encore plein de choses à faire pour améliorer ces résultats. Nous sommes ainsi en train de parfaire nos connaissances sur les tubes de lave afin de mieux comprendre les mécanismes de leur formation, indique Riccardo Pozzobon. Nous scannons et cartographions en 3D l’intérieur de plus en plus de ces tubes afin de les relier à la chimie de leurs roches pour pouvoir mieux les détecter à l’aide de satellites ».

Les immenses cavités creusées par la lave pourraient constituer un abri pour les futurs explorateurs sur Mars ou la Lune. © Live From Mars

Tous ces résultats sont prometteurs, mais restent théoriques tant que l’on n’a pas été voir sur place, ne serait-ce qu’avec une sonde munie d’un radar pénétrant pour examiner le sous-sol ou un rover muni d’instruments de géophysiques adéquats. Et à quand un petit robot qui irait vérifier la présence de grottes sur la Lune ou Mars ? Pour le moment, les grottes n’ont pas encore le vent en poupe. Ce sont plutôt les anciens deltas et lits de rivières sur Mars d’où aurait pu émerger la vie autrefois qui sont la priorité des agences spatiales. Reconnaissons aussi que l’exploration de grottes par un robot nécessitera qu’il ait une grande autonomie pour se frayer un passage dans des terrains probablement très accidentés. Mais rien d’insurmontable. On imagine déjà un robot mou doté d’une intelligence artificielle pour se diriger et progresser, s’infiltrant par un tube de lave dans les entrailles de la Lune pour une première mission spéléologique sélène…

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