La Lune, fille de Gaïa

Structure géologique (V)

Illustration de la collision d'un astéroïde avec la Lune. Document Dan Durda.

Évolution géologique

Grâce aux mesures stratigraphiques et surtout grâces à l'analyse des échantillons rapportés par les missions Apollo, nous savons aujourd'hui qu'elle fut exactement l'évolution géologique de la Lune dont voici la chronologie des évènements qui s'y sont succédés depuis plus de 4 milliards d'années.

Notre satellite s'est formé il y a environ 4.55 milliards d'années, à la même époque que la Terre. Sa surface se solidifia 300000 ans plus tard, formant un mégarégolite stratifié peu dense composé d'anorthosites, des roches ignées intrusives riches en feldspath plagioclase.

Vers 4.3 milliards d'années, la croûte lunaire était à peine refroidie qu'un intense bombardement météoritique laissa des cicatrices importantes : ce sont les grands bassins d'Aitkin au pôle Sud, Mare Australe (limbe sud-est), Mare Tranquilllitatis (sous l'oeil droit), Mare Fecunditatis, Mare Nubium, Mare Smythii et l'apparition des premiers cratères d'impacts tels que Deslandres, Schiller, Zucchius, Grimaldi ou Ptolémée.

S'étendant sur plusieurs centaines de kilomètres, certains de ces cratères présentent un fond très étendu en partie comblé de lave et parfois associé à des anneaux concentriques extérieurs signes de la violence de l'impact. C'est à cette époque que nous assistons aux premiers signes d'une activité volcanique sur la Lune, activité qui cessa vers 3.8 milliards d'années.

L'échelle des temps géologiques lunaires Période Age (millions années) Bassins d'impact Volcanisme Cratères d'impact Copernicienne 100 108 900 Aucun Flots de Lichtenberg Aristarche Tycho Copernic Erastosthénienne 1100 3100 Aucun Jeunes flots d'Imbrium Dômes de Marius Hausen Eratosthène Imbrienne 3200 ' ' ' ' 3840 Orientale Schrödinger Imbrium Plateau d'Aristarche Vieux flots d'Imbrium Mare Crisium, Serenitatis, Mare Humorum, Nubium Mare Tranquillitatis (jeune) Mare Tranquillitatis (vieux) Mare Fecunditatis, Nectaris Volcanisme des terrae (?) Sharp, Atlas Humboldt Archimède, Platon Sinus Iridum Piccolomini Arzachel, Cassini Pétavius Maupertuis Nectarienne 3850 ' 3910 Serenitatis, Crisium Humorum Humboldtianum, Nectaris Volcanisme des terrae (?) Bailly, Clavius Gauss Longomontanus Pre-Nectarienne 3920 ' ' ' 4300 Grimaldi Schiller-Zucchius Smythii, Nubium Fecunditatis,Tranquillitatis Australe, Pingré-Hausen Marginis, Insularum Aitkin Volcanisme des terrae (?) Ptolémée Hipparchus Maginus Janssen Hommel Deslandres Naissance 4550 Formation de la Lune suite à la collision d'un astéroïde avec la Terre.

Entre 3.92 et 3.85 milliards d'années nous assistons à la formation des derniers grands bassins de Mare Nectaris, Mare Humboldtianum, Mare Humorum, Mare Crisium pour se terminer avec la formation de Mare Serenitatis, "l'oeil droit" de la Lune.

C'est à cette époque que se formèrent les grands cirques de Longomontanus, Gauss, Clavius et Bailly. Un peu plus tard, vers 3.8 milliards d'années la Lune est à nouveau percutée de face et reçoit son "oeil gauche" qui deviendra Mare Imbrium. 5 à 600000 ans plus tard se forment Sinus Iridum et Mare Orientale. Un intense bombardement météoritique débuta alors qui vit la formation des cratères de Maupertuis, Pétavius, Cassini, Arzachel, Piccolomini, Platon, Archimède, Humboldt, Atlas et Sharp parmi d'autres ainsi que les premiers flots de lave importants.

Entre 3.9 et 3.1 milliards d'années, l'activité thermodynamique du manteau se propagea jusqu'à la surface lunaire, se mélangeant aux roches de surface. C'est parce que l'écorce de sa face visible est nettement moins épaisse que celle de sa face cachée (60 km contre 100 km) que de nombreuses régions ont été comblées par les flots de lave, atteignant par endroit 1500 m d'épaisseur, donnant ce visage si caractéristique à la Lune.

Zoom sur la mer des Crises, l'un des derniers bassins d'impacts formé il y a environ 3.85 milliards d'années. Documents du CFHT réalisé au 4e jour de lunaison avec une caméra CCD de 12k pixels. Au centre, une photographie du premier croissant réalisée par Mike Treacy avec un télescope Maksutov Questar de 88 mm (3.5" f/16). A droite, une carte géologique de la surface lunaire de l'USGS. Les formations en jaune sont les plus récentes (100-900 millions d'années).

Par la suite, le bombardement météoritique a fortement décru et entre 3.2 et 1.1 milliard d'années d'ici nous assistons surtout à la formation d'Eratosthène et de Hausen. La région de Marius se soulève, son sol se fissure en donnant naissance à des dizaines de failles et de dômes tandis que les derniers flots de laves s'écoulent de Mare Imbrium.

Enfin, il y a 900 millions d'années Copernic apparut sur la Lune; Tycho se forma voici 108 millions d'années puis finalement Aristarche il y a 100 millions d'années.

Notons que selon des simulations réalisées en 2007, Tycho et le cratère de Chicxulub dans le Yucatan (celui qui serait à l'origine de l'extinction des dinosaures) auraient été formés par deux fragments provenant du même astéroïde parent, appartenant à la famille Baptistina.

Les dernières coulées de laves apparuent sur la Lune émanèrent de Lichtenberg. Depuis un calme relatif règne sur la Lune; de temps en temps mais c'est assez rare, on observe des éclats brillants signe de l'impact de quelques météorites sur la surface lunaire.

A consulter : Définition des reliefs lunaires

La plupart des cratères et grands bassins lunaires sont de vieilles formations âgés de 2 à 4 milliards d'années. Les plus récents, tel Copernic, Tycho, Théophile (gauche) ou Timocharis (droite) ont quelques centaines de millions d'années. Documents NASA/Apollo XV/XVI.

Aujourd'hui on constate que des flots de lave de 100 à 1500 m d'épaisseur ont comblé les cratères d'impacts et les bassins pour former les mers de basaltes. Ceux-ci sont différents des basaltes terrestres. Ils contiennent moins de sodium, de carbone et d'eau mais sont plus riches en titane, en fer et en éléments lourds.

Depuis 3 milliards d'années, l'activité lunaire s'est assoupie, le bombardement météoritique s’est fait plus rare et le visage de la Lune ne s'est plus guère modifié. En un an et demi les sismographes ont enregistré 815 signaux d'impacts, dont les masses s'échelonnaient entre 50 g et 50 kg, auxquels il faut ajouter les milliers de micrométéorites qui criblent sa surface, pulvérisant le substrat en poussière.

Ce taux de changement à la surface de la Lune étant très variable au cours des âges, le visage de la Lune que l'on observe aujourd'hui est en réalité celui d'un astre très âgé; à l'époque des dinosaures déjà, la Lune présentait un visage pratiquement identique à celui que nous observons aujourd'hui !

Impacts de météorites sur la Lune A gauche, l'un des rares clichés pris sur le vif d'un impact météoritique sur la Lune. Au centre, les ingénieurs Heather McNamara et Danielle Moserdu du centre MSFC de la NASA ont enregistré en vidéo le 2 mai 2006 l'impact d'une météorite sur la Lune (le point brillant). L'explosion brilla à la magnitude 7, dont la voici la courbe de lumière. Les auteurs estiment que la roche mesurait 25 cm de diamètre et se déplaçait à 38 km/s. Il s'agissait d'un impact sporadique. La météorite forma un cratère de 14 m de diamètre et de 3 m de profondeur. Cliquer sur l'image pour lancer le GIF animé. L'enregistrement vidéo a été ralenti 7 fois. Voici une version plus large où l'impact est mieux visible mais qui n'apporte pas beaucoup plus d'information (GIF de 2.4 MB). A droite la simulation d'un impact montrant l'éjection du panache de poussière. Un phénomène similaire se produit lors de l'impact des sondes d'exploration lunaires en fin de mission. A ce jour 27 sondes spatiales se sont ainsi écrasées sur la Lune depuis Luna 2 en 1959, notamment le module de descente d'Apollo 11, divers Ranger, Orbiter, Surveyor et récemment la sonde Prospector en 1998. Bien que l'activité lunaire se soit assoupie depuis 3 milliards d'années, les sismographes laissés sur la lune enregistrent en moyenne 600 impacts par an correspondant à des projectiles dont la masse varie entre 50 g et 50 kg, auxquels il faut ajouter les millions de micrométéorites. Documents NASA/MSFC et anonyme.

Combien de météorites percutent aujourd'hui la Lune et quelle est la fréquence de ces impacts ? Sachant que les météoroïdes frappent la haute atmosphère de la Terre à raison d'environ 33 tonnes par jour (entre 0.4 et 300 tonnes/jour selon les estimations), on estime que la Lune en reçoit autant et à l'inverse de la Terre, tous percutent le sol puisque la Lune n'a pas d'atmosphère pour les brûler.

Quant à la fréquence des impacts lunaires, avant la mission LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), selon Emerson Speyerer de l'Université d'Arizona, on estimait qu'il fallait des millions d'années pour que le régolite lunaire s'accumule sur 2 cm d'épaisseur. Mais suite aux données enregistrées par la sonde lunaire LRO, en 2016 les chercheurs de la NASA ont estimé que 99 % de la surface de la Lune serait recouverte par une nouvelle couche de débris après ~81000 ans, un taux plus de 1000 fois supérieur aux précédentes estimations.

A consulter : Coupes microscopiques de brèches lunaires (Union College)

Les roches lunaires présentent d'ordinaire une croûte claire, parfois légèrement colorée dans les tons bruns-oranges tandis que l'intérieur est constitué de basalte noir comme en témoigne la microphotographie de droite. Documents NASA-GSFC et MNH.

Une surface très fracturée

Bien que les cratères de la Lune aient été bien documentés grâce aux missions Apollo et aux sondes spatiales, jusqu'à présent les scientifiques savaient peu de choses sur la partie supérieure de la croûte lunaire appelée le mégarégolite ou l'écorce, c'est-à-dire le substrat rocheux situé sous la couche de régolite qui a subi l'essentiel des dégâts provoqués par le bombardement météoritique.

Dans une étude publiée par Sean E. Wiggins de l'Université Brown et ses collègues dans le "Journal of Geophysical Research: Planets" en 2019, grâce à des simulations les chercheurs ont montré que des impacts uniques pourraient fragmenter la croûte lunaire en blocs d'environ un mètre de large, créant des fissures superficielles s'étendant sur des centaines de kilomètres en surface et jusqu'à 20 km de profondeur. Cela suggère qu'une grande partie des fractures visibles dans le mégarégolite pourrait avoir été causée par des impacts uniques à grande vitesse, laissant la croûte complètement fracturée dès le début de l'histoire de la Lune.

La Lune rétrécit

Grâce aux données des sismomètres laissés sur la Lune par les équipages des missions Apollo et aux photographies prises par la sonde lunaire LRO, les sélénologues ont découvert qu'en se refroidissant, la Lune rétrécit : elle a perdu plus de 50 mètres au cours des derniers centaines de millions d'années, tout en se fracturant du fait que sa croûte superficielle est cassante. Ceci explique la présente de multiples failles de chevauchement qui poussent une partie de la croûte sur une partie voisine.

Le sismomètre équipé de panneaux solaires déposé par Buzz Aldrin le 21 juillet 1969. Document NASA/HQ AS11-40-5949.

Comme on le voit ci-dessous, vues de la surface lunaire, ces failles aux parois escarpées ressemblent à de petites falaises en forme de marches d'escalier, généralement de plusieurs dizaines de mètres de haut et s'étendant sur quelques kilomètres. En 1972, les astronautes Eugène Cernan et Harrison Schmitt ont exploré avec la rover lunaire une région de ce type sur la falaise de la faille Lee-Lincoln au cours de la mission Apollo 17 qui alunit dans la vallée de Taurus-Littrow.

Après avoir localisé les épicentres séismiques au moyen d'un nouvel algorithme, l'équipe de Thomas Watters du Centre d'études terrestres et planétaires du Musée Smithsonian de l'Air et de l'Espace a constaté que huit des vingt-huit tremblements de lune peu profonds se trouvaient à moins de 30 km des failles visibles sur les images lunaires prises par LRO. Ceci est suffisamment proche pour attribuer les tremblements aux failles car la modélisation effectuée par l'équipe montre qu'il s'agit de la distance le long de laquelle de fortes secousses sont attendues, compte tenu de la taille de ces escarpements. En outre, les résultats de cette analyse ont révélé que six des huit tremblements de lune avaient eu lieu lorsque la Lune était à son apogée ou près de son apogée - le point le plus éloigné de la Terre sur son orbite. C’est là que l'effet de marée supplémentaire dû à la gravité de la Terre provoque un pic du stress total, rendant plus probables les glissements de terrain le long de ces failles.

Selon Watters, "Il est très probable que ces huit tremblements de lune aient été provoqués par des failles glissantes, le stress accumulé lorsque la croûte lunaire ayant été comprimée par la contraction globale et les forces des marées indiquant que les sismomètres d'Apollo ont enregistré la contraction de la Lune et que celle-ci est toujours active tectoniquement".

Les chercheurs ont effectué 10000 simulations pour calculer le risque qu'une coïncidence produise le nombre de tremblements de lune proches des failles au moment du stress le plus fort. Ils ont trouvé une valeur inférieure à 4%. De plus, alors que d'autres évènements, tels que les impacts de météoroïdes peuvent produire des tremblements de lune, ils produisent une signature sismique différente de celle des tremblements de lune provoqués par des glissements de terrain.

A voir : Lee Lincoln Scarp at the Apollo 17 Landing Site , NASA

Le site d'alunissage d'Apollo 17 dans la vallée de Tarrus-Littrow (1972). Il se situe près d'un escarpement (les flèches) constitué de petites falaises en forme de marches d'escalier formées suite au chevauchement de la croûte lunaire provoqué par le rétrécissement de la Lune au cours de son refroidissement. Documents NASA/GSFC/U. Az/Smithsonian.

Selon Watters, "notre analyse fournit la première preuve que ces failles sont toujours actives et risquent de produire des tremblements de lune. Certains de ces tremblements peuvent être assez forts, environ 5 sur l'échelle de Richter."

Traces d'activité tectonique dans Mare Frigoris

Les scientifiques ont longtemps supposé que les mers lunaires étaient des plaines ou des bassins morts, des endroits où la dernière activité géologique remonte bien avant l'époque des dinosaures, entre 3.9 et 3.2 milliards d'années. Mais grâce à la mission LRO et l'étude de plus de 12000 images de la surface de la Lune, les chercheurs ont découvert qu'au moins une mer lunaire craque, se plisse et se déplace autant que d'autres parties de la Lune - et même peut-être encore de nos jours.

Dans une étude publiée par l'équipe de Nathan R. Williams du JPL dans la revue " Icarus" en 2019, les chercheurs se ont concentrés sur une région proche du pôle nord de la Lune appelée Mare Frigoris (64.38° à 49.08° N, 43.14° O à 38.03° E), une bande sombre qui s'étend sur 1446 km au-dessus des "deux yeux" de la Lune. Comme on le voit ci-dessous, les images révèlent des "crêtes ridées", des ecarpements lobés et des failles peu profondes appelées graben. Ils se formés suite à la contraction de la surface lunaire au cours de son refroidissement évoqué précédemment.

Des études antérieures avaient révélé des reliefs similaires dans les hauts-plateaux de la Lune, mais aucune ride de ce type n'avait jamais été observée dans les mers. À l'époque, les chercheurs avaient conclu que tous les bassins avaient cessé de se contracter il y a environ 1.2 milliard d'années. Cette étude confirme que Mare Firgoris contient des milliers de reliefs d'origine tectonique.

Photos de la surface de Mare Frigoris prises par la sonde spatiale LRO. De gauche à droite, des crêtes, des collines arrondies (escarpements lobés) et des failles peu profondes (graben). Documents NASA/JPL/LRO, PIA 23210, 23236 et 23237.

Sur Terre, c'est l'activité du manteau qui crée les plaques tectoniques dont les déplacements sont à l'origine de la formation des montagnes, des bassins et des tremblements de terre. La Lune n'ayant pas de plaques tectoniques, sa seule action tectonique possible se produit lorsqu'elle perd sa chaleur, un processus qui dure depuis 4.5 milliards d'années. Comme évoqué précédemment, cette perte de chaleur provoque le rétrécissement de son intérieur, le refroissement de la surface et la création des reliefs spécifiques décrits dans cette étude.

Au fur et à mesure que le sol sous Mare Frigoris se déplace, il élève les crêtes qui serpentent généralement sur plusieurs kilomètres. La plus longue s'étend sur environ 400 km et culmine à 333 mètres. Les poussées et les étirements tectoniques sur la croûte lunaire sculptent également les escarpements et les graben.

Selon Williams, "la Lune est encore tremblante et tremblante de ses propres processus internes [...] Elle perd de la chaleur depuis des milliards d'années, diminue de taille et devient plus dense." L'effet est similaire à celui d'un pneu de voiture en hiver : lorsque la température baisse, l'air à l'intérieur du pneu se contracte et crée une surface plus visqueuse.

Selon les chercheurs, certaines crêtes sont apparues au cours des derniers milliards d'années mais certaines pourraient ne pas avoir plus de 40 millions d'années. C'est relativement récent en termes géologiques.

Découverte d'un tunnel de lave

Etant donné qu'il y eut une activité volcanique sur la Lune, pendant des décennies les sélénologues ont recherché par satellite des grottes et autres cavités ayant pu servir de tunnel de lave comme il en existe de nombreux sur Terre autour des volcans. En 2014, la NASA avait annoncé que la sonde lunaire SELENE (Kaguya) avait découvert en 2009 des cavités dans le mont Marius, Mare Tranquillitatis et Mare Ingenii grâce à son radar LSR (Lunar Radar Soudner) équipé d'une antenne dipôle fonctionnant dans la bande 4-6 MHz. Par la suite, toutes les images en haute résolution prises par la sonde lunaire LRO furent scannées au moyen d'un algorithme spécifique qui a permis d'identifier de nombreuses cavités (cf. ces photos de la cavité de Mare Tranquilitatis et celle de Mare Ingenii). Au total, plus de 200 cavités mesurant entre 5 m et 900 m de diamètre ont été découvertes dans les plaines, les collines et les montagnes lunaires.

Emplacement et structure approximative de la cavité et du tunnel de lave découverts dans le mont Marius. Documents JAXA .

Puis en 2017, la JAXA et l'équipe de Tetsuya Kaku de l'Université de Tokaï annoncèrent la découverte d'un tunnel de lave sous la cavité du mont Marius ou MHH (Marius Hills Hole) qui se situe aux coordonnées sélénographiques de 14.100°N et 303.262°E. Ce n'est pas un cratère car un impact météoritique présente un rapport diamètre/profondeur de 5:1 alors que cette formation présente un rapport proche de 1:1. Comme on le voit ci-dessus, la cavité mesure environ 65 km de diamètre et 88 km de profondeur. Elle forme une cheminée qui donne accès à un tunnel de lave qui pourrait s'étendre sur 50 km sous la surface.

Actuellement on ignore si d'autres tunnels de lave existent sur la Lune et si celui-ci forme une cavité ou est obstrué. La NASA a donc préparé une mission pour la sonde spatiale LRO en orbite autour de la Lune depuis le 23 juin 2009 dans le but d'approfondir la question. Dans l'éventualité d'une colonisation de la Lune, ces cavités représentent également un abri idéal pour les futurs cosmonautes.

Y a-t-il de la vie sur la Lune ?

Poser la question sous-entend qu'il y a une réponse qui n'est pas celle à laquelle on s'attend. Nous verrons à propos de la contamination extraterrestre, qu'il est en effet possible que la Lune abrite non pas de la vie extraterrestre mais... des milliers de tardigrades importés de la Terre lors du crash de la sonde spatiale israélienne Beresheet en 2019. Vu les conditions extrêmes régnant sur la Lune, ceux qui auraient survécu au crash sont probablement en état de stase (cryptobiose).

On y trouve aussi les détritus et les matières fécales - contenant le microbiote - abandonnés sur la Lune dans près de 100 sacs par les différentes missions Apollo. Le microbiote humain étant beaucoup moins résistant que les tardigrades, il a certainement péri sous les effets du froid et des rayonnements ionisants. On y reviendra en bioastronomie.

Dernier chapitre

L'exploration et la colonisation de la Lune