LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) analysis for Martian exploration
LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) pour l'observation martienne
Résumé
ChemCham is onboard the Mars Science Laboratory (MSL) mission, which was launched the 26$^{th}$ November 2011. This instrument uses the LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) technique to study the geochemistry of the Martian surface. This technique is used for the first time for the Space and Planetary exploration. In LIBS technique a pulsed laser beam is focused on a target, creating a plasma. The spectral analysis of the plasma light is collected to observe the characteristic emission lines of the elements present in the sample. This work contributes to the preparation of the scientific returns of the MSL mission but also of ChemCam, with four principal axes : - identification and characterization of the significant elemental lines, - test of the method used to distinguish rocks with these measurements, - study of the capacity to analyze the alteration coating on rocks, - data analysis to extract informations about the structure and/or composition of rocks A ground station was developed in order to be representative of the Martian surface conditions. An elemental lines database specific of ChemCam and Mars is performed, with up to 1300 lines. Several experimental studies let us to characterize some of the ChemCam capabilities. First, rocks classification is successful whatever the kind of the sample. Some parameters were studied to understand their influence on the classifications. Then, quantitative analysis with ChemCam are feasible, not only using statistical methods. We show that ChemCam is able to analyze the composition of the alteration coating before the one from the unaltered rock, deeper. It is also able to make some differences between several kinds of basalts with their texture and matrix, and between several kinds of clays, looking at their internal structure.
ChemCam est à bord de la mission Mars Science Laboratory (MSL) qui a décollé pour Mars le 26 novembre 2011. Cet instrument est très innovant car c'est la première fois que la technique du LIBS ("Laser-Induced Breakdown Spectroscopy") est utilisée pour l'exploration planétaire, afin d'étudier la géochimie des sols et roches à la surface de la planète rouge. Cette technique permet de déterminer la composition chimique de la cible analysée, en focalisant un laser à sa surface. Un plasma se créé alors par échauffement de la matière. L'analyse spectrale de la lumière émise du plasma permet d'identifier les éléments présents dans la roche, ainsi que leur concentration. Ce travail de thèse contribue à la préparation du retour scientifique de la mission MSL et de l'instrument ChemCam autour de quatre axes principaux : (i) identification et caractérisation des raies spectrales pertinentes, (ii) test des méthodes de classification des roches avec ces mesures, (iii) étude de la sensibilité aux vernis d'altération des roches ou à la couche de poussière, (iv) analyse des données pour extraire des informations sur la structure et la composition des roches. Une station sol a été développée afin d'imiter les conditions atmosphériques à la surface de Mars. Une bibliothèque de raies élémentaires a été réalisée. Cette dernière est spécifique à ChemCam et à la géochimie de Mars, et contient plus de 1300 raies. La classification des roches est efficace, quelque soit le type de cible. Les différents paramètres (distance, traitement des données, ..) pouvant influencer ces classifications ont également été caractérisés. ChemCam permet de réaliser des analyses quantitatives, que ce soit par des méthodes statistiques ou plus conventionnelles. Nous avons montré que cet instrument est capable d'analyser aussi-bien la couche d'altération d'un basalte que la roche saine au dessous. Il permet également d'effectuer des analyses très fines, comme la comparaison de différentes matrices de roches volcaniques, ou encore de la structure interne des argiles. Pour finir, ces études expérimentales réalisées durant la thèse ont démontré que ChemCam répondait à toutes les spécifications imposées au début de sa conception.