Spectroscopies Raman et de luminescence résolues en temps pour l'exploration de Mars

par Amaury Fau

Thèse de doctorat en Sciences de la terre

Sous la direction de Olivier Beyssac et de Michel Gauthier.

Le président du jury était Violaine Sautter.

Le jury était composé de Agnès Cousin, Sylvestre Maurice, Gérard Panczer.

Les rapporteurs étaient Pierre Beck, Bruno Bousquet.


  • Résumé

    En 2021, le rover Mars 2020 de la NASA déploiera l’instrument SuperCam dans le cratère Jezero sur Mars. Cet instrument franco-américain multi-techniques d'analyse à distance sera équipé notamment d’un LIBS (analyse chimique) et d’un spectromètre Raman et de luminescence résolu en temps (analyse minéralogique). Après étude de paramètres environnementaux ainsi que de facteurs intrinsèques à l’échantillon cible, la spectroscopie Raman résolue en temps s’avère très puissante et permet la réalisation de spectres Raman dépourvus de signaux parasites (e.g. luminescence) pour de nombreux minéraux (carbonates, phosphates, silicates) parfois non analysables en Raman conventionnel. Une base de données de spectres Raman résolu en temps a ainsi été élaborée. Les effets de tirs laser LIBS sur la structure et la signature Raman de nombreux minéraux ont été étudiés sur la base d’expériences et de modélisations thermiques simples. Les résultats montrent un effet majeur (vitrification voire transition de phase) pour des minéraux opaques à fort coefficient d'absorption optique alors que les effets sont minimes, voire non détectables, pour des phases plus transparentes. Ces résultats sont discutés en termes de contraintes opérationnelles pour les instruments du rover Mars2020. L’étude de la luminescence des terres rares dans des apatites synthétiques dopées et naturelles montre que la luminescence est un outil pertinent de détection de ces éléments. En revanche, l’étude des temps de décroissance met en évidence des phénomènes complexes de transferts d’énergie entre centres émetteurs et limite l’utilisation de ces temps de décroissance pour une éventuelle quantification des terres rares.

  • Titre traduit

    Time-resolved Raman and luminescence spectroscopies for Mars exploration


  • Résumé

    In 2021, the NASA Mars 2020 rover will deploy the SuperCam instrument in the Jezero crater on Mars. This franco-american multi-tool instrument for remote analysis will be equiped with LIBS (chemical analysis) and with a time-resolved Raman and luminescence spectrometer (mineralogical analysis). After investigating various environmental parameters as well as intrinsic factors from the target sample, time-resolved Raman spectroscopy appears as a powerful tool to obtain high-quality Raman spectra free of parasitic signal (e.g. luminescence) for many mineral phases (carbonates, phosphates, silicates), even in the case of minerals hardly analysable with conventional Raman. A database of time-resolved Raman spectra has been elaborated. The effects of LIBS laser shots on the mineral structure and Raman fingerprint have been studied experimentally and through simple thermal modeling. Results show a major structural effect (vitrification and/or phase transition) in the case of opaque minerals with high optical absportion coefficient whereas the effects are minimal, or even non detectable, for more transparent and less absorbing minerals. Implications of these results for the operation of the Mars 2020 instruments are discussed. The study of Rare-Earth Elements (REE) luminescence in synthetic doped and natural apatites shows that luminescence is powerful to detect and characterize REEs. However, due to strong transfer energy among emission centers, the possible use of luminescence lifetime appears to be impossible to quantify REE in natural apatites.

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