Le volcanisme explosif sur Mercure à travers la télédétection, les études de laboratoire et l'apprentissage profond en appui à la mission BepiColombo

Explosive Volcanism on Mercury from Remote Sensing, Laboratory Studies, and Deep Learning Supporting BepiColombo

• Auteur / Autrice : Mireia Leon-Dasi
• Direction : Alain Doressoundiram, Sébastien Besse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/03/2025
• 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’instrumentation et de recherche en astrophysique (Meudon ; 2025-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Fouchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Doressoundiram, Sébastien Besse, Nancy Chabot, Patrick Pinet, Cateline Lantz, Sylvestre Maurice, Fabrice Cipriani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nancy Chabot, Patrick Pinet
• DOI : 10.70675/4dabde11zd979z4c1azb383z44d236874813

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mercure (planète)

Volcans extraterrestres

Spectroscopie

Apprentissage profond

Mots clés libres

Mercure

Spectroscopie

Apprentissage profond

Mesures en laboratoire

Volcanisme

Mercury

Spectroscopy

Deep learning

Laboratory experiment

Volcanism

Résumé

Les missions d'exploration de Mercure ont révélé une surface volcanique façonnée au fil du temps par les interactions avec l'environnement spatial. Une des découvertes les plus importantes et inattendues a été l'identification des morphologies de cheminées volcaniques et des dépôts environnants, interprétés comme des produits d'un volcanisme explosif. Cela prouve une accumulation de volatils dans l'intérieur de la planète, ce qui remet en question les modèles antérieurs de sa formation. Cette recherche explore le volcanisme explosif sur Mercure en utilisant les observations spectroscopiques, l'apprentissage profond et des expériences en laboratoire, afin de fournir de nouvelles perspectives sur l'histoire volcanique de la planète et de préparer les observations pour la mission BepiColombo.Les observations du spectrometre MASCS montrent que les dépôts pyroclastiques ont des formes irrégulières qui varient selon le domaine spectral évalué. Nous appliquons un algorithme non supervisé pour extraire les caractéristiques spatiales et spectrales de ces dépôts. L'algorithme extrait avec succès des informations sur l'intérieur et les limites des dépôts, nous permettant de définir l'étendue de 55 dépôts irréguliers couvrant 110 cheminées volcaniques. Après avoir défini l'étendue des dépôts, nous explorons leurs propriétés spectrales et leur évolution temporelle. Nous combinons une évaluation morphologique de la dégradation des cheminées avec les propriétés spectrales extraites. Nous constatons une tendance à l'assombrissement et à l'aplatissement des spectres au fil du temps. Nous proposons trois processus possibles pour expliquer ces variations : l'altération spatiale, le mélange avec le terrain sous-jacent et les changements de taille des pyroclastes. Nous suggérons que l'accumulation de fer submicroscopique due à l'altération spatiale est le facteur principal contribuant à ces changements spectraux. Si tel est le cas, de nombreux dépôts volcaniques explosifs pourraient être plus jeunes que 1,1 milliard d'années, ce qui est considéré comme ''récent'' dans l'histoire géologique de Mercure. Ces conclusions reposent sur notre compréhension actuelle des processus influençant la surface de Mercure, bien que de nombreuses inconnues demeurent. Les travaux en laboratoire sont essentiels pour identifier ces effets et guider la mission BepiColombo.Nous complétons notre recherche avec des mesures en laboratoire d'analogues de Mercure, avec des compositions et tailles de grains variées, traités thermiquement et observés sous différentes géométries. Ces mesures spectrales de l'ultraviolet au proche infrarouge visent à améliorer notre compréhension des observations de télédétection et à combler l'écart entre MESSENGER et BepiColombo. Nos résultats valident la qualité des analogues, qui présentent des formes spectrales similaires à celles des terrains jeunes sur Mercure. Nous observons que le chauffage et la mesure à des angles de phase élevés entraînent un rougissement spectral et un aplatissement, avec une intensification en fonction de l'abondance en Mg. Concernant les tailles de grains, nous constatons que les grains fins attendus sur Mercure réduisent la profondeur de bande, même pour des mélanges avec une forte teneur en Mg et Fe. Nos résultats montrent que plusieurs facteurs - physiques, chimiques ou instrumentaux - peuvent induire des variations spectrales comparables, nécessitant une caractérisation minutieuse pour démêler leurs contributions.Notre travail suggère que, malgré l'attente d'un intérieur refroidissant et pauvre en volatils, le volcanisme de Mercure pourrait avoir été récemment actif.

Exploration missions to Mercury have revealed a surface processed over time by volcanism and interactions with space environment. One of the most significant and unexpected findings was the identification of vent morphologies and surrounding deposits, interpreted as products of explosive volcanism. This discovery provides evidence for an accumulation of volatiles in the planet's interior, challenging earlier models of Mercury's formation. This research investigates explosive volcanic deposits on Mercury, leveraging remote sensing spectroscopy, deep learning, and laboratory experiments. The aim is to provide new insights into the planet's volcanic history and to prepare observations and targets for the BepiColombo mission.Observations from MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) reveal that pyroclastic deposits exhibit irregular shapes that vary depending on the spectral domain or property evaluated. This complex phenomenon calls upon using deep learning approaches. We apply an unsupervised algorithm to extract the spatial and spectral attributes characterising these deposits. The deep neural network successfully retrieves information highlighting the interior and boundaries of the deposits, enabling us to define the extent of 55 irregular deposits covering 110 vents. This work expands the catalogue of defined faculae and overcomes the limitations of using images instead of spectra. Having defined the extent of pyroclastic deposits, we explore their spectral properties and temporal evolution. While prior research recognises a prolonged period of explosive volcanic activity, the timing of eruptions is unknown. We combine a morphological assessment of the vent degradation with the extracted spectral properties to explore this timing. We find a trend of spectral darkening and flattening over time. We explore three potential processes to explain these variations: space weathering, mixing with the underlying terrain, and changes in pyroclast size over time. We propose that submicroscopic iron accumulating over time as a result of space weathering is expected to be the main contributor to these spectral changes. If this was the case, a large portion of explosive volcanic deposits could be younger than 1.1 Ga, considered “recent” in Mercury's geological history. These conclusions are based on our current understanding of how processes influence Mercury's surface, though many unknowns remain. Laboratory work becomes a key tool in identifying these effects and guiding future BepiColombo operations and target selection.We complement our research with laboratory measurements of Mercury analogues with varying composition and grain sizes, subject to thermal processing and observed under various geometries. These UV-NIR spectral measurements aim to enhance our understanding of remote sensing data and bridge the gap between MESSENGER and BepiColombo. Our results validate the analogues quality, which exhibit spectral shapes similar to young terrains on Mercury. Moreover, we observe that heating and measuring at high phase angles result in spectral reddening and flattening, intensifying with increasing Mg abundance. Regarding the grain sizes, we find that the fine grains expected on Mercury reduce the band depth, even for mixtures with high Mg and Fe content. Our results highlight that multiple factors - physical, chemical, or instrumental - can induce comparable spectral variations, requiring a careful characterisation to disentangle their contributions. Our work hints that, despite the expectations of a volatile-depleted and cooling interior, Mercury's volcanism may have been recently active.