La surface volcanique et altérée de Mercure : propriétés spectrales et histoire géologique

The volcanic and space-weathered surface of Mercury : spectral properties and geological history

• Auteur / Autrice : Emma Caminiti
• Direction : Alain Doressoundiram, Sébastien Besse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Doressoundiram, Sébastien Besse, Pierre Vernazza, Antti Penttilä, Anna Milillo, François Poulet, Kerri Donaldson-Hanna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Vernazza, Antti Penttilä
• DOI : 10.70675/9b2b75bazdb9cz441bz83e7z4e75462b261d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mercure (planète)

Spectroscopie

MESSENGER (sonde spatiale)

Planètes -- Géologie

Mots clés libres

Mercure

Processus de Surface

Spectroscopie

Volcanismes

Altération Spatiale

BepiColombo

Mercury

Surface Processes

Spectroscopy

Volcanism

Space weathering

BepiColombo

Résumé

Les observations de la mission MESSENGER ont révélé diverses unités spectrales, compositionnelles et géologiques à la surface de Mercure, dont les origines et les relations restent incertaines. L’objectif de ma thèse est de mieux comprendre les propriétés spectrales et l’histoire géologique de Mercure, en considérant à la fois le caractère volcanique de la surface et l’altération spatiale intense qu’elle subit.Tout d’abord, je me suis concentrée sur les plaines lisses principalement volcaniques associées aux grands bassins d’impact, en particulier le bassin Caloris, pour mieux comprendre l’histoire géologique de la planète. En utilisant les données MESSENGER-MASCS-VIRS, j’ai développé une méthode pour classer les empreintes au sol en fonction des unités spectrales définies après MESSENGER. Cette méthode a permis d’identifier différents remplissages volcaniques, leurs âges relatifs et, par conséquent, de reconstituer l’histoire géologique de ces bassins. Notamment, j’ai montré que les plaines extérieures de bassin Caloris se sont formées avant les plaines intérieures et que des changements dans les conditions de fusion partielle en profondeur pourraient expliquer les différences spectrales et compositionnelles en surface.Une étude comparative des grands bassins d’impact a révélé que la profondeur et/ou l’anomalie thermique induite par le bassin est le facteur principal influençant les propriétés des remplissages volcaniques. De plus, j’ai démontré que les hétérogénéités latérales dans le manteau de sont pas nécessaires pour expliquer les propriétés spectrales des plaines volcaniques associées aux bassins d’impact à la surface. Bien que les hétérogénéités verticales ne soient pas non plus requises, il reste à prouver qu’elles ne contribuent pas à certaines propriétés spectrales.Étant donné que la composition n'est pas le seul paramètre responsable des différentes unités spectrales, j'ai étudié le rôle de l’altération spatial, en particulier l'effet de l'irradiation par les ions du vent solaire sur l'altération des propriétés spectrales. J'ai mené des expériences d'irradiation ionique en utilisant le séparateur électromagnétique d'isotopes SIDONIE couplé à la chambre à vide INGMAR, à travers laquelle j'ai effectué des mesures dans le visible et le proche infrarouge (IAS, IJCLab, France). Les mesures dans l'infrarouge moyen ont été effectuées ex-situ au Synchrotron SOLEIL (France). J'ai montré que l'irradiation ionique altère les propriétés spectrales des analogues de Mercure, conduisant à un assombrissement exponentiel, un rougissement et un aplatissement des spectres avant une possible saturation dans le visible et proche infrarouge. De plus, les caractéristiques dans l'infrarouge moyen sont décalées en raison de l'irradiation ionique. J'ai constaté que l'altération des caractéristiques spectroscopiques est étroitement influencée par la composition, contribuant probablement à l'origine des hétérogénéités spectrales sur Mercure. Enfin, l'irradiation ionique pourrait ne pas être le principal processus responsable de la réduction des signatures de bandes spectrales sur Mercure.Mon travail combiné sur les données de MESSENGER et les analyses en laboratoire souligne l'importance des études interdisciplinaires et innovantes qui combinent différentes techniques pour explorer Mercure, en prévision de la mission BepiColombo. Mon travail sera particulièrement pertinent pour les futures analyses des données SIMBIOS-SYS et MERTIS.

Observations from the MESSENGER mission have revealed various spectral, compositional, and geological units on Mercury's surface, whose origins and relations remain uncertain. My research aims to gain a better understanding of Mercury’s spectral properties and geological history, considering both the volcanic character of the surface and the intense space weathering it experiences.First, I focused on mostly volcanic smooth plains associated with major impact basins, especially the Caloris basin, to better understand the planet's geological history. Using MESSENGER-MASCS-VIRS data I developed a method to classify footprints according to spectral units defined after MESSENGER. This method enabled the identification of different volcanic infills, their relative timing, and consequently, the reconstruction of the geological history of the basins. Notably, I showed that the exterior plains of the Caloris basin formed before the interior plains and that changes in the conditions of partial melting at depth could explain the spectral and compositional differences on the surface.My comparative study of major impact basins revealed that the basin’s depth and/or induced thermal anomaly is the primary factor influencing the properties of volcanic infills. Furthermore, I showed that lateral heterogeneities in the mantle are not necessary to explain the spectral properties of volcanic plains associated with impact basins on the surface. While vertical heterogeneities are also not required, it remains to be proven that they do not contribute to some spectral properties.Since composition is not the only parameter responsible for the different spectral units, I investigated the role of space weathering, specifically the effect of solar wind ion irradiation on the alteration of spectral properties. I conducted ion irradiation experiments using the SIDONIE electromagnetic isotope separator interfaced with the INGMAR vacuum chamber through which I performed visible to near-infrared measurements (IAS, IJCLab, France). Mid-infrared measurements were performed ex-situ at Synchrotron SOLEIL (France). I showed that ion irradiation alters the spectral properties of Mercury analogues, leading to an exponential darkening, a reddening and a flattening of spectra before a putative saturation in the visible to near-infrared. Moreover, mid-infrared features are shifted due to ion irradiation. I found that the alteration of spectroscopic features is closely influenced by the composition, likely contributing to the origin of spectral heterogeneities on Mercury. Finally, ion irradiation may not be the primary process responsible for reducing spectral band signatures on Mercury.My combined work on MESSENGER data and laboratory analyses highlights the importance of interdisciplinary and innovative studies that merge different techniques to explore Mercury, in preparation for the BepiColombo mission. My work will be particularly relevant for future analyses of SIMBIOS-SYS and MERTIS data.