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Apport de la spectroscopie dans l’infrarouge proche (VNIR) à l’étude de l’origine et du mode de formation des roches feldspathiques martiennes

Thèse de doctorat - date limite de candidature 15 Juin 2020 (Date de début de projet : octobre 2020)

Apport de la spectroscopie dans l’infrarouge proche (VNIR) à l’étude de l’origine et du mode de formation des roches feldspathiques martiennes

Mots clés : Spectroscopie VNIR, Mars, minéralogie, magmatisme, surfaces planétaires, télédétection

English title : Feldspathic rocks on Mars : VNIR spectral properties and formation mechanisms from terrestrial analogues and Mars remote sensing data analyses

Directeur de thèse  : Raphaël Pik, Co-directeur : Jessica Flahaut

De nouvelles détections de feldspaths réalisées cette année sur Mars, par spectroscopie VNIR (visible proche-infrarouge ; e.g., Flahaut et al., 2019), soulèvent de grandes questions quant à la nature des roches impliquées et aux processus magmatiques responsables de leur formation. Ces détections pourraient indiquer la présence de roches anorthositiques, et donc d’une croûte de flottaison martienne (si les feldspaths sont calciques, e.g., Carter and Poulet, 2013) ou encore la présence de roches felsiques caractéristiques de la croûte continentale (si les feldspaths ont des compositions plus évoluées, e.g., Sautter et al., 2016) et ont donc des implications fortes sur la nature et l’origine de la croûte de Mars. Cependant, de fortes ambigüités subsistent quant à l’interprétation de ces signatures récentes et encore énigmatiques. Ces incertitudes sont liées au manque d’informations et de mesures de référence quant à l’effet de la composition des feldspaths, de leur taille de grains/ de la texture de la roche et des minéraux associés sur la réponse spectrale dans le VNIR. Nous proposons d’étudier et de comparer les spectres VNIR de roches analogues terrestres contenant des feldspaths (e.g., granitoïdes, TTG archéennes, anorthosites, gabbros, roches effusives à phénocristaux) aux détections martiennes afin de déterminer le contexte géologique et la nature de ces roches. Ce projet ambitieux mais original comporte donc deux aspects complémentaires : l’étude de spectres acquis en laboratoire, et l’analyse de données de télédétection orbitale martienne, voire in situ. En effet, alors que Curiosity poursuit toujours son ascension du Mont Sharp dans le cratère Gale (où des galets de granodiorite ont été observés), trois nouveaux robots, tous équipés de spectromètre VNIR, décolleront vers Mars en 2020. Les résultats de ce projet devraient donc avoir de fortes implications pour l’histoire géologique de Mars et pour son exploration future.

Méthode :

Les détections de feldspaths reposent sur la présence d’une bande d’absorption centrée autour de 1.3 microns dans le domaine du VNIR. La spectroscopie VNIR est un outil fondamental pour l’étude des surfaces planétaires ; C’est au spectro-imageur VNIR OMEGA que nous devons la découverte de minéraux hydratés de types argiles et sulfates sur Mars, qui attestent irrévocablement d’un changement climatique martien il y a 3.7 Ga (Bibring et al., 2006). Son successeur, CRISM, aura permis la détection de nouveaux minéraux, incluant les toutes premières détections de feldspaths sur Mars (e.g., Carter and Poulet, 2013). En se basant sur les études lunaires, la présence d’une absorption à 1.3 microns a été interprétée jusqu’alors comme caractéristique des anorthosites contenant plus de 90% du minéral plagioclase (e.g., Carter and Poulet, 2013). Ces études, basées sur des spectres VNIR acquis en laboratoire, montrent en effet qu’en réalisant des mélanges de poudres binaires, la bande d’absorption des feldspaths est rapidement masquée par la présence d’un minéral mafique de type olivine ou pyroxène (e.g., Cheek and Pieters, 2014). Cependant, ces mesures ne prennent pas en compte certains facteurs qui peuvent fortement influencer le signal comme la taille des grains, ou encore la composition des feldspaths (ici limitée à des plagioclases calciques par analogie lunaire). Rogers and Nekvasil (2015) évoquait déjà la possibilité que des basaltes à phénocristaux puissent engendrer de telles signatures sans nécessairement contenir 90% de feldspaths, mais aucune mesure sur roche n’a été réalisée. Nous proposons de mesurer les spectres VNIR de roches terrestres non broyées (afin de préserver les tailles de grains originelles), contenant des feldspaths de compositions variées, en proportions variées, et avec des tailles de grains différentes : tous ces facteurs sont censés influencer la réponse spectrale. Les mesures seront réalisées à l’aide du spectromètre VNIR du CRPG (entre 0.35 et 2.5 microns), et en mettant à profit l’unique collection de roches ignées dont dispose le laboratoire, entre autres. Nous verrons dans quels cas nous pouvons reproduire la bande à 1.3 microns observée sur Mars, et quels sont donc les roches analogues possibles ; mais également quelles sont les caractéristiques des feldspaths de compositions plus évoluées, et s’ils sont détectables dans le VNIR. En parallèle, nous poursuivrons le dépouillement des données orbitales martiennes à la recherche de signatures caractéristiques des feldspaths dans le VNIR (notamment par le développement d’outils de réduction du bruit, favorisant la recherche d’absorptions faibles autour de 1.3 microns, et de critères spectraux) et nous feront usages des autres jeux de données disponibles (e.g., imagerie optique, topographie, imagerie TIR et gravimétrie si la résolution des données le permet) afin de déterminer le contexte géologique des détections et la nature exacte de ces roches. Les données de télédétection orbitale martienne, comme celles des robots, sont disponibles publiquement, parfois après une période d’embargo de 3 mois. S’il existe des roches feldspathiques dans les régions explorées par les prochains robots martiens, leurs données pourront également être utilisées pour l’étude à une échelle intermédiaire entre l’échantillon et la roche. Le cas échéant, une étude à plusieurs échelles, de l’imagerie satellite à l’échantillon pourra être réalisée lors d’une campagne de terrain en Afar (e.g., Pik et al., 1998, 2008), dans le désert d’Atacama (e.g., Flahaut et al., 2017) (régions considérées comme analogues à certains environnements martiens, et précédemment étudiées par les encadrants R. Pik et J. Flahaut) ou sur tout autre site terrestre (e.g., cratons contenant TTG et / ou anorthosites ?) montrant un intérêt pour le projet, en fonction des résultats de nos mesures en laboratoire.

Résultats attendus :

Cette étude établira un travail de référence en élaborant une collection de spectres acquis sur des roches entières (et non pas des poudres, comme dans la plupart des librairies spectrales), contenant des feldspaths, qui permettront de lever l’ambiguïté sur la nature feldspathique ou felsique, effusive ou intrusive, des roches rencontrées sur Mars. Cette expérience nous permettra aussi d’améliorer le traitement et l’analyse des données de spectro-imagerie VNIR martienne, orbitales dans un premier temps (OMEGA et CRISM). Cependant, trois robots équipés d’instruments de spectroscopie VNIR (ExoMars, avec les instruments ISEM et MicrOmega, Mars2020, avec l’instrument SuperCam, et le robot chinois HX-1) se poseront sur Mars en 2021. ExoMars et Mars2020 devraient étudier des terrains Noachiens (>3.7 Ga), où des portions de croûte ancienne, potentiellement enrichie en feldspaths (Sautter et al., 2016) pourront être étudiées avec nos outils. L’interprétation de ces détections en termes de processus magmatiques et l’évaluation de leur rôle dans la formation de la croûte primaire, secondaire ou tertiaire ( ?) de Mars est fondamentale pour l’amélioration des schémas conceptuels de formation et d’évolution des enveloppes planétaires en général.

Références bibliographiques :

• Bibring, J.P. et al. (2006), Global mineralogical and aqueous Mars history derived from OMEGA/Mars Express data. science, 312(5772), pp.400-404.

• Carter, J., and F. Poulet (2013), Ancient plutonic processes on Mars inferred from the detection of possible anorthositic terrains, Nat. Geosci., 6, 1008–1012, doi:10.1038/ngeo1995.

• Cheek, L. C., & Pieters, C. M. (2014). Reflectance spectroscopy of plagioclase-dominated mineral mixtures : Implications for characterizing lunar anorthosites remotely. American Mineralogist, 99(10), 1871-1892.

• Flahaut J. et al. (2012), Pristine Noachian crust and key geologic transitions in the lower walls of Valles Marineris : Insights into early igneous processes on Mars, Icarus, 221(1), 420-435.

• Flahaut, J. et al. (2017). Remote sensing and in situ mineralogic survey of the Chilean salars : An analog to Mars evaporate deposits ?. Icarus, 282, 152-173.

• Flahaut J. et al. (2019), Felsic Rocks on Mars, Goldschmidt Conference, Barcelona, Spain.

• Rogers, A. D., & Nekvasil, H. (2015). Feldspathic rocks on Mars : Compositional constraints from infrared spectroscopy and possible formation mechanisms. Geophysical Research Letters, 42(8), 2619-2626.

• Pik, R. et al. (1998). The Northwestern Ethiopian Plateau flood basalts : Classification and spatial distribution of magma types. JVGR, 81, 91–111.

• Pik, R., Marty, B., Carignan, J., Yirgu, G., &Ayalew, T. (2008). Timing of East African Rift development in southern Ethiopia : Implication for mantle plume activity and evolution of topography. Geology, 36(2), 167–170.

• Sautter, V. et al. (2015). In situ evidence for continental crust on early Mars. Nature Geoscience, 8(8), 605-609.

• Sautter, V. al. (2016), Magmatic complexity on early Mars as seen through a combination of orbital, in-situ and meteorite data. Lithos 25436-52.

• Taylor, S. R. and McLennan S. (2009), Planetary Crusts : Their Composition, Origin and Evolution, Cambridge Planetary Science, 400pp.

Ouverture internationale :

Le candidat aura de nombreuses possibilités de participation à des workshops et conférences internationales, et pourra interagir avec des collaborateurs étrangers à travers le réseau établi par ses encadrants, et la participation à l’exploitation de données de missions spatiales internationales.

Collaborations envisagées :

Le candidat interagira avec les équipes « Cosmochimie et Planétologie » et « Magmas et fluides profonds » du CRPG, mais également avec des collaborateurs externes au laboratoire. Le candidat sera probablement amené à participer à des réunions des agences spatiales (CNES, ESA, CNSA), en lien avec la participation des encadrants à plusieurs missions spatiales actuelles et futures.

Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant :

Le CRPG finance une conférence internationale par an et par étudiant au cours d’une thèse. Les fonds de recherche personnels des encadrants pourront être utilisés pour accroitre la participation à des workshops ou congrès, surtout que les opportunités sont nombreuses dans le domaine de l’exploration spatiale. Les travaux de l’étudiant seront aussi valorisés à travers la publication d ‘articles « peer-reviewed » dans des journaux scientifiques. Les encadrants s’engagent à couvrir les frais de publication du doctorat et lui fournir l’aide et le temps nécessaire à la valorisation de ses travaux à l’écrit. Enfin, les recherches en planétologie attirant très facilement l’attention du grand public, il est probable que l’étudiant soit invité, s’il le souhaite, à valoriser ses travaux à travers des conférences grands publics ou ateliers scientifiques (e.g., fête de la Science) dans la région. Le CRPG est très actif dans ce domaine, et les encadrants s’engagent à ce que l’étudiant(e) puisse profiter de leurs réseaux et de leurs opportunités.

Profil et compétences recherchées :

Titulaire d’un master en Sciences de la Terre, Planétologie ou équivalent, le candidat doit posséder des connaissances solides en géologie et pétrologie. Le candidat recherché devra également être à l’aise avec un ou plusieurs langages de programmation informatique (e.g., python, IDL) ; une expérience du traitement de données de télédétection / des logiciels dédiés ArcGIS et ENVI est appréciable. Le candidat devra se montrer flexible entre le travail sur ordinateur et le travail en laboratoire, et posséder des capacités de communication orale et écrite en anglais, ainsi qu’un bon esprit d’équipe. L’implication et l’intégration de l’étudiant au CRPG seront facilitées par le suivi, le soutien et l’encadrement par une équipe dynamique.

Date de fin du financement Septembre 2023 Employeur : CNRS Etat du financement : acquis (Bourse MNRT)

Pour candidater sur le site de l’école doctorale SIReNa :

http://doctorat.univ-lorraine.fr/fr...




publié vendredi 29 mai 2020