Développement d’un système analytique pour la datation in situ des roches martiennes par la méthode K-Ar

par Damien Devismes

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Pierre-Yves Gillot.

Soutenue le 08-11-2013

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015) , en partenariat avec Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....) (laboratoire) et de Interactions et dynamique des environnements de surface (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Bibring.

Le jury était composé de Pierre-Yves Gillot, Jean-Pierre Bibring, Barbara Cohen, Nicolas Mangold, Francis Rocard, Cécile Fabre.

Les rapporteurs étaient Barbara Cohen, Nicolas Mangold.

mots clés

• Géochronologie
• Spectroscopie sur plasma induit par laser
• LIBS
• Instrumentation
• Géochronométrie
• Datation radioactive
• Mars (planète) -- Géologie

Résumé

Sur Mars, la datation par comptage de densité de cratères est actuellement la seule méthode utilisée pour dater les surfaces planétaires. Cependant, sur Mars, elle n’a pas encore été corrigé et complété par des datations absolues. Ce travail consiste à développer un prototype démontrant le potentiel d’une nouvelle approche expérimentale basée sur la méthode K-Ar pour dater les roches martiennes in situ. L’objectif à terme est de proposer une solution instrumentale de datation absolue pour un futur rover d’exploration.Un laser Nd :YAG quadruplé pour tirer à 266 nm ablate un échantillon basaltique mis sous vide secondaire. L’observation du plasma par « Laser Induced Breakdown Spectroscopy » apporte des informations sur la concentration en K et sur la nature chimique et minéralogique de la cible. Puisque l’ablation est faite par un laser UV et sous vide secondaire, l’ablation est reproductible par minéralogie. La reconnaissance stoechiométrique permet donc d’estimer la masse vaporisée. Après purification des gaz libérés, un spectromètre de masse quadripolaire détermine la quantité d’argon.L’ensemble de ces mesures pourvoit un âge avec une incertitude théorique de 13% dans les meilleures conditions.Les calibrations du dispositif expérimental ont apporté de nombreuses informations sur des effets sur les spectres LIBS provoqués par l’ablation sous vide secondaire. L’augmentation de la pression e tla variation de géométrie du cratère d’ablation ont des effets opposés sur les pics des éléments.Nous avons aussi démontré que l’instrument était capable de mesurer l’âge de la mésostase de roche basaltique et qu’il offre des perspectives intéressantes sur certaines phases minérales comme la biotite.

mots clés

• Geochronology
• Laser-induced breakdown spectroscopy
• LIBS
• Instrumentation

Titre traduit

Development of a K-Ar dating instrument for in situ measurement of the martian rocks

Résumé

Crater counting is the only method used on Mars to give relative geochronological information but it never had been fitted and corrected by absolute geochronology. This work is about the development of a new prototype demonstrating the ability of a protocol using in situ K-Ar dating. The goal is to propose a solution of an absolute geochronology for the next explorations rovers. A quadrupled Nd:YAG laser at 266 nm ablates a basaltic sample under high vacuum. The light collection by a spectrometer (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) gives the rate of potassium and the chemical or the mineralogy of the target. Thanks to the specificities of the ablation in highvacuum and with a UV laser, the ablated mass has a good reproducibility per mineralogy. Thus, theLIBS identification gives an estimation of the ablated mass. After the purification of the released gas,a quadrupole mass spectrometer determines the quantity of argon. All these measures give an age with a theoretical uncertainty of 13% in the best conditions.The calibration of the experiment had given new information about the effects on LIBS spectrarelated to the ablation under high vacuum. The rise of the pressure and the variation of geometry of the pit have opposite effects on the elements peaks. We also demonstrated that the instrument was capable of measuring the age of the groundmass of basalt and has some interesting perspectives on some mineral phases such as biotite.