Analyses spectroscopiques multi-techniques avec SuperCam, Mars 2020 : application à l'étude des carbonates

Multi-technique spectroscopy analyses with SuperCam, Mars 2020 : application to carbonate characterization

• Auteur / Autrice : Elise Clavé
• Direction : Bruno Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 06/03/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Jubera
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Balan, Olivier Gasnault, Olivier Musset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste Sirven, John Carter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbonates

Fusion multicapteurs

Spectroscopie Raman

Spectroscopie sur plasma induit par laser

Mars (planète) -- Exploration

Mots clés libres

Spectroscopie

Mars

LIBS

Raman

Fusion de données

Carbonates

Spectroscopy

Mars

LIBS

Raman

Data fusion

Carbonates

Résumé

Dans le cadre de la mission Mars 2020 (NASA), l'instrument SuperCam permet la caractérisation de cibles géologiques à plusieurs mètres de distance autour du rover, notamment via des techniques de spectroscopie basées sur l'utilisation d'impulsions laser -- LIBS, Raman, luminescence -- et de la spectroscopie de réflectance du rayonnement solaire dans les domaines visible et infrarouge (VISIR).Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire traitent de l'intérêt de combiner ces différentes techniques pour renforcer les interprétations géologiques, en particulier pour la caractérisation des carbonates.Pour cela, nous cherchons à approfondir la compréhension des processus physiques mis en jeu, des données spectrales, et des outils numériques qui permettent d'en extraire l'information.Nous avons mis en place un nouveau banc de test, pour tirer parti de la résolution temporelle dans le cadre des spectroscopies LIBS, Raman et de luminescence, en conditions atmosphériques martiennes. À travers l'étude de la luminescence induite par plasma, et de sa faisabilité sur Mars, nous avons exploré la diversité des émissions associées au plasma d'ablation, les régimes d'excitation, et l'influence des conditions atmosphériques.En revanche, l'analyse du fond continu détecté dans les spectres Raman reste à approfondir.Par ailleurs, nous avons assemblé une base de données LIBS - Raman - VISIR pour explorer différentes stratégies d'analyse de données mono- ou multi-techniques. Notre approche numérique, basée sur des forêts aléatoires, a mis à jour des biais liés à la base de données d'apprentissage ou à l'algorithme, mais surtout des situations dans lesquelles la fusion de données permet de renforcer les performances de classification et de révéler des corrélations entre les variables des différentes techniques.Nous avons ensuite appliqué les leçons tirées de ces études aux analyses effectuées sur Mars avec SuperCam. En particulier, nous avons identifié plusieurs phases de carbonates dans le cratère Jezero, montrant l'efficacité de la synergie des techniques spectroscopiques de SuperCam pour cette étude, et permettant de tracer de multiples épisodes d'altération aqueuse dans le cratère.

The SuperCam instrument, onboard the Perseverance rover, enables the characterization of rocks on the surface of Mars, at a distance of several meters from the rover, via laser-based spectroscopy techniques -- LIBS, Raman and luminescence -- and using the reflectance of sunlight in the visible and infrared ranges (VISIR).We study the combination of these spectroscopy techniques, to optimize the acquisition and processing of multi-technique data and ultimately reinforce the geological interpretation derived from the spectra, with a specific focus on the characterization of carbonates.To do so, we developped a new laboratory setup, to study time-resolved LIBS, Raman and luminescence spectroscopy.Through the study of plasma-induced luminescence, and its applicability on Mars, we investigated the diversity of emissions associated to the ablation plasma, the excitation regimes and the influence of atmospheric conditions.However, the continuum signal in Raman spectra remains hard to interpret.In parallel, we studied numerical strategies for multi-technique data analysis. We assembled a LIBS - Raman - VISIR database on natural rock samples, and used it to train supervised classification models based on random forests.Studying different models, we identified risks and biases related to the database or the algorithm itself, but also cases where low-level data fusion improves the classification performances and reveals correlations throughout the multi-technique data.Finally, the lessons learned from these studies have been applied to Mars data. In particular, we developed a specific strategy to identify and characterize carbonates based on SuperCam LIBS, Raman and VISIR data. We thus showed the strength of the synergy of SuperCam investigation techniques, and identified several carbonate phases in Jezero crater, which record multiple alteration episodes.