Astropédologie

Paléosols vieux de 3,7 milliards d'années dans la baie de Yellowknife, cratère Gale, Mars, photographiés par le rover Curiosity[9].

La découverte de paléosols sur Mars provient de télédétection in situ et orbitale de la surface martienne. Des analyses chimiques/minéralogiques au sol (Mars Science Laboratory) et des photographies (Mastcam, MAHLI) du rover Curiosity dans le cratère Gale sur Mars ont montré des similitudes avec les horizons du sol et les structures du sol trouvés sur Terre[9]. L'altération graduelle et la perturbation du sol par des fissures et des veines de dilatation, compatibles avec les soluans des sols désertiques, des structures ped en blocs angulaires, des coins de sable, un horizon gypsique peu profond (By) et une structure vésiculaire sont des preuves morphologiques. Des structures comme celles trouvées dans les sols désertiques de la Terre causées par la production de gaz microbien après les pluies (structure vésiculaire) ont été reconnues sur Mars, mais des preuves définitives de la vie sur Mars n'ont pas encore été obtenues. Les abondances minérales dans les paléosols montrent une altération de l'olivine en smectite et un modeste appauvrissement en phosphore. Une telle altération hydrolytique est comparable à celle trouvée sur Terre. Les caractéristiques chimiques et morphologiques des paléosols de la baie de Yellowknife sont une source supplémentaires de preuves du paléoclimat noachien tardif (3,7 ± 0,3 Ga) sur Mars et sont interprétées comme se formant sous un paléoclimat glacial hyperaride[9]. La datation radiométrique suggère que les paléosols de la baie de Yellowknife ont 3,7 milliards d'années (±0,3 milliard d'années) et révèlent un changement des conditions possibles « chaudes et humides » du noachien précoce (~ 4,1–3,9 Ga) à un climat extrêmement aride et froid avec formation de sol limitée.

La télédétection de la surface martienne par l'instrument CRISM de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et le spectromètre de cartographie minéralogique infrarouge (OMEGA) a détecté la présence d'argiles phyllosilicates dioctaédriques et trioctaédriques dans des milliers de gisements à la surface de la planète[10] - [11] - [12]. La caractérisation orbitale de la minéralogie martienne est principalement dérivée des spectres visible/proche infrarouge (VNIR) des roches contenant des minéraux argileux. Ces zones comprennent le cratère Gale, Mawrth Vallis, Oxia Planum et Nili Fossae, entre autres, et datent de 4,0 à 3,7 Ga[12] - [13]. Il existe deux hypothèses pour expliquer la formation et la distribution des argiles phyllosilicates sur Mars :

1. L'activité souterraine et hydrothermale et/ou diagenèse[14] - [15] - [16] qui donnent des phyllosilicates trioctaédriques,
2. L'altération chimique de surface/subaérienne, par exemple, la pédogenèse[10] - [11] - [12] - [16] - [17] - [18] - [19] - [20] - [9] qui donne des phyllosilicates dioctaédriques.

Il est important de noter que certaines de ces zones (Mawrth Vallis et Oxia Planum) ont des profils d'altération des smectites Al recouvertes de smectites Fe/Mg (qui semblent toutes être dioctaédriques), puis des phases peu cristallines/amorphes comme l'allophane et l'imogolite. Ces profils d'altération sont coiffés par un dépôt igné d'environ 3,7 à 3,6 Ga qui peut être un dépôt pyroclastique ou un grès mafique[21], similaire aux paléosols enfouis sous des dépôts ignés sur Terre[22] - [23] - [24]. Ces profils stratigraphiques semblent avoir jusqu'à 200 m d'épaisseur, avec des couches individuelles de 10 m d'épaisseur ou moins[21]. Cette stratigraphie reflète le refroidissement et l'assèchement possibles de la Mars noachéenne et peut préserver la matière organique ou d'autres biosignatures en raison de la teneur en argile exceptionnellement élevée (~ 50 wt %) et la minéralogie argileuse (smectites 2:1)[25] de ces roches enfouies[13].

Le sol sur Mars contient les nutriments nécessaires aux plantes. L'oxygène, le carbone, l'hydrogène, l'azote, le potassium, le phosphore, le calcium, le magnésium, le soufre, le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le molybdène, le bore et le chlore ont tous été détectés dans le sol martien ou dans des météorites martiennes. Selon l'emplacement exact, il peut être nécessaire d'ajouter des engrais au sol[26]. Les explorations lunaires et martiennes ont fourni des informations sur la composition minérale des sols de la Lune et de Mars. Tous les minéraux essentiels à la croissance des plantes semblent être présents en quantités suffisantes dans les deux sols probablement à l'exception de l'azote réactif. L'azote sous forme réactive (NO₃^-, NH₄⁺) est l'un des minéraux essentiels nécessaires à la quasi-totalité de la croissance des plantes. La principale source d'azote réactif sur Terre provient de la minéralisation de la matière organique. L'azote sous forme réactive (NO₃^-, NH₄⁺) est l'un des minéraux essentiels nécessaires à la quasi-totalité de la croissance des plantes. Il fait partie de la matière de notre système solaire, amené par le vent solaire, source d'azote réactif sur la lune et sur Mars. L'azote réactif peut également survenir sous l'effet de la foudre ou de l'activité volcanique et les deux processus peuvent se produire sur Mars. En principe de l'azote réactif pourrait être présent, cependant, le Mars Pathfinder n'a pas été en mesure d'en détecter et la présence réelle de quantités importantes d'azote réactif reste incertaine. L'absence d'une quantité suffisante peut être résolue en employant des espèces fixatrices d'azote. En symbiose avec des bactéries, elles sont capables de fixer l'azote de l'air et de le transformer en nitrates, processus qui nécessite de l'azote dans l'atmosphère. Cependant, il n'y a pas d'atmosphère sur la lune, et sur Mars, elle n'est que très peu présente et ne contient que des traces d'azote. La première expérience contrôlée à grande échelle visant à étudier la possibilité de faire pousser des plantes sur Mars et les simulateur de sols lunaires montre qu'elles sont capables de germer et pousser sur un simulateur de sol martien et lunaire pendant une période de 50 jours sans aucun ajout de nutriments. La croissance et la floraison sur le simulateur de régolithe de Mars étaient bien meilleures que sur celui de régolithe de lune et même légèrement meilleures que sur un sol terrestre de rivière, pauvre en nutriments. L'orpin des rochers (une plante sauvage) ; les cultures de tomate, blé et cresson ; et la moutarde des champs, une espèce d'engrais vert, se sont particulièrement bien comportés. Les trois dernières espèces ont fleuri, et le cresson et la moutarde des champs ont également produit des graines. Les résultats ont montré qu'en principe, il est possible de faire pousser des plantes vivrières et d'autres espèces végétales dans des simulateurs de sols martiens et lunaires. Cependant, de nombreuses questions demeurent quant à la capacité de charge en eau des simulants et à d'autres caractéristiques physiques, ainsi qu'à savoir si les simulants sont représentatifs des sols réels[7].

La présence de perchlorates dans le sol rend la culture de légumes sur Mars particulièrement difficile. Comme il n'y a pas de couche d'ozone sur Mars, les rayons UV pénètrent à la surface de la planète. Les perchlorates deviennent toxiques lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV, détruisant les bactéries en quelques minutes d'exposition. Les études semblent démontrer que les oxydes de fer et le peroxyde d'hydrogène présents dans le sol de Mars augmentent la toxicité des perchlorates[27]. Le niveau de perchlorates trouvé sur Mars (0,05 wt %) est suffisamment concentré pour être toxique pour les humains et les cultures, et pourrait être utilisé comme carburant de fusée[28]. Les recherches indiquent que de faibles concentrations de perchlorates aqueux inhibent la pousse, le poids, la teneur en chlorophylle et le pouvoir oxydant des plantes. Les jacinthes d'eau, Eichhornia crassipes, semblent avoir une tolérance élevée aux perchlorates et pourrait être une plante idéale pour la culture sur Mars[29]. Les perchlorates peuvent s'accumuler dans les tissus des plantes si elles sont cultivées dans un milieu contaminé. Étant donné que même des quantités infimes interfèrent avec les fonctions thyroïdiennes chez l'homme, la présence de perchlorates dans les sols martiens est un problème important qui doit être résolu avant que la colonisation ne se produise[30].

Paléosols reconstruits vieux de 3,5 milliards d'années de la formation Panorama dans la région de Pilbara en Australie occidentale[31].

Les profils de sol de la région de Pilbara au nord-ouest de l'Australie montrent un appauvrissement distinct du phosphore. Le métabolisme courant pour les bactéries soufrées est l'oxydation en sulfates qui donne le gypse et la barytine. Ces minéraux sont courants dans les sols anaérobies acide-sulfaté que l'on trouve actuellement sur Terre et sont considérés comme une raison potentielle de l'accumulation de sulfate dans les paléosols archéens. Cela constitue des preuves circonstancielles de la vie dans les paléosols sur Terre pendant l'Archéen, de 3,42 à 3,46 Ga.

Évolution hypothétique des types de sols sur divers corps parents de météorites et surfaces planétaires[2].

La théorie selon laquelle la vie a évolué dans le sol est attrayante car le sol emprisonne l'eau entre les grains d'argile, fournissant un ensemble de chambres de réaction microscopiques[1]. Ceux-ci peuvent également favoriser la formation de composés organiques par des mécanismes démontrés dans l'expérience Urey-Miller, de sorte que les surfaces planétaires étaient recouvertes de chondrite carbonée. Les sols argileux et organiques sont protégés de l'érosion et continuent ainsi à produire de l'argile et de la matière organique. La vie unicellulaire, lorsqu'elle a évolué, aurait également servi le même objectif de lier le sol. Les ingrédients nécessaires à la vie sont toujours fournis par le cycle d'altération, qui favorise la vie.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Astropedology » (voir la liste des auteurs).