Planetary Radar and Geomorphology in the Cryosphere: Investigating Glacial-Periglacial Landsystems in Phlegra Montes, Mars and Yukon Territory, Canada

Abstract

Mars has abundant water-ice across its surface and in the subsurface, particularly in the form of glacier and permafrost ice. These cryosphere elements drive the development of numerous landforms that are also observed on Earth, enabling comparative studies between both planets. In particular, the mid-latitude region of Mars (30-50°N) is where thousands of viscous flow features (VFFs) also called debris-covered glaciers, are situated. In this PhD thesis, I use a combination of orbital radar sounding, high-resolution imagery, topographic data, and geomorphological techniques to analyze glacial landforms in the Phlegra Montes region of Mars. This study is supported by geophysical field investigations in the Canadian Arctic, a well-established analogue for Martian permafrost and glacial landscapes. Together, these approaches provide new insights into the structure, dynamics, and detection of shallow ice systems on Mars and Earth. Three major findings are presented. First, I report the discovery of a debris-covered glacier with terraced topography as well as a hanging glacier in Phlegra Montes, Mars detected using SHARAD (radar) data, representing the first known observation of such features on Mars. Secondly, I provide evidence supporting past interpretations that VFFs and the latitude- dependent mantle (LDM) are separate, yet overlapping systems. Lastly, through field-based radar and sedimentological surveys in Tombstone Territorial Park, I identify the most suitable radar frequency range for detecting shallow subsurface ice (1–5 m), offering direct guidance for future Mars missions using radar instrumentation. These findings enhance our understanding of Mars' cryosphere and its recent glacial history. They also support mission planning efforts for future exploration and subsurface ice mapping, for example and/or including the International Mars Ice Mapper (I-MIM) and Mars Life Explorer (MLE) missions. Mars possède d'abondantes glaces d'eau à la surface et dans le sous-terrain, notamment sous forme de glaciers et de pergélisols. Ces éléments de la cryosphère sont à l'origine de nombreuses morphologies qui sont également observées sur Terre, ce qui permet d'effectuer des études comparatives entre les deux planètes. En particulier, la région des latitudes moyennes de Mars (30-50°N) est l'endroit où se trouvent des milliers de caractéristiques de viscous flow features (VFF), également appelées glaciers couverts de débris. Dans cette thèse de doctorat, j'utilise une combinaison de sondages radar orbitaux, d'images à haute résolution, des données topographiques et de techniques géomorphologiques pour analyser les morphologies glaciaires dans la région de Phlegra Montes sur Mars. Cette étude est soutenue par des recherches géophysiques sur le terrain dans l'Arctique canadien, un analogue bien établi du pergélisol et des paysages glaciaires martiens. Ensemble, ces approches fournissent des nouvelles informations sur la structure, la dynamique et la détection des systèmes de glace peu profondes sur Mars et sur la Terre. Trois résultats majeurs sont présentés. Premièrement, je rapporte la découverte d'un glacier couvert de débris avec une topographie en terrasses ainsi qu'un glacier suspendu à Phlegra Montes, sur Mars, détecté à l'aide de données SHARAD (radar), ce qui représente la première observation connue de telles caractéristiques sur Mars. Deuxièmement, j'apporte des preuves à l'appui des interprétations antérieures selon lesquelles les VFF et latitude dependent mantle (LDM) sont des systèmes distincts, mais qui se chevauchent. Enfin, grâce à des études radar et sédimentologiques menées sur le terrain dans le parc territorial du Tombstone, j'identifie la gamme de fréquences radar la plus appropriée pour détecter la glace de subsurface peu profonde (1-5 m), offrant ainsi une orientation directe pour les futures missions martiennes utilisant des instruments radar. Ces résultats améliorent notre compréhension de la cryosphère de Mars et de son histoire glaciaire récente. Ils soutiennent également les efforts de planification des missions d'exploration et de cartographie de la glace de subsurface, par exemple et/ou y compris les missions International Mars Ice Mapper (I-MIM) et Mars Life Explorer (MLE).