Magmatisme et volcanisme planétaire

Sur un objet planétaire, les grands mouvements internes et/ou les sources de chaleur radioactives peuvent provoquer la fusion partielle. Les liquides magmatiques générés ainsi ont tendance à remonter et à modifier les caractéristiques physiques, chimiques et minéralogiques de la surface. Ce lien entre propriétés de surface et fonctionnement interne offre une façon de reconstruire l’histoire géologique du corps. L’exploitation de cette idée nécessite de caractériser les surfaces planétaires d’une part et de comprendre les processus magmatiques d’autre part.

Données issues de l’exploration spatiale: Acquisition et traitement

ChemCam

En haut : Modèle de vol livré par l’IRAP qui est maintenant à bord du rover Curiosity (Mars Science Laboratory). On aperçoit sur le télescope la protection rouge qui sera enlevé avant le décollage et le filtre qui lui permet de s’accomoder aux différentes conditions de pression. La boite électronique est à gauche et le laser derrière. (c) ChemCam Team / N. Striebig. En bas : Spectre de Shergottite (météorite martienne) obtenu avec ChemCam dans le visible et le proche infrarouge. Chaque raie permet d’identifier un élément chimique présent dans la roche qui se situait à 3 m de l’instrument.

Les membres du groupe ont une double expertise, instrumentale et scientifique, sur la mesure des compositions élémentaires et minéralogiques des surfaces planétaires, en particulier de Mars et de la Lune. L’interprétation ‘géologique’ des données d’observation est au cœur de nos préoccupations, mais aussi sur comment extraire une information utile de données brutes. Ce travail fait appel à la simulation numérique des interactions rayonnement-matière et au développement de nouvelles méthodes de traitement des données.

Pour la mesure de la composition élémentaire, notre équipe participe aux projets de spectroscopie à haute énergie (X, gamma, neutron) ou induite par ablation laser (LIBS). Dans le cadre du projet Mars Science Laboratory (MSL, arrivée sur Mars prévue en 2012), le rover Curiosity de la NASA emportera ChemCam, le premier LIBS embarqué. L’OMP a largement contribué à la réalisation de cet instrument et neuf membres de notre groupe font partie de l’équipe scientifique. Un important travail est en cours pour développer les algorithmes pour convertir des spectres bruts en données de composition chimique.

L’équipe dispose aussi d’une grande expertise en imagerie spectroscopique visible-proche infrarouge qui porte, pour une part, sur le développement et la mise en place de nouvelles méthodes de déconvolution spectrale, validées sur les analogues terrestres (e.g., chantier en Oman), et pour une autre part, sur une approche théorique et expérimentale du problème du transfert radiatif. Le volet expérimental s’appuie sur l’instrument de laboratoire, ISEP (Imageur pour l’exploration planétaire), conçu pour la mesure des propriétés spectro-photométriques de surfaces géologiques (sols, roches). Au moyen d’une modélisation photométrique appliquée aux mesures multiangulaires (formalisme de Hapke), les travaux prioritaires pour les années à venir concernent la quantification des liens entre la réponse spectrophotométrique d’un milieu granulaire compact (tel que le régolite planétaire), les propriétés optiques intrinsèques des particules constitutives (avec un accent sur le rôle d’une phase vitreuse), et l’organisation physique de la surface étudiée (rugosité microscopique et méso échelle, compaction, distribution de taille). Ces résultats contribueront à une interprétation plus fine des spectres visible-IR issus de l’exploration spatiale et vont permettre l’identification de différents types de surfaces (coulées de laves, matériaux pyroclastiques, éjecta d’impact, dépôts éoliens…)

Compréhension des processus magmatiques

Notre objectif est d’étudier la genèse et le transport de liquides en profondeur dans le manteau. D’un point de vue chimique, nous considérons la composition des liquides produits dans des manteaux de minéralogie et teneur en FeO variables, alors que, pour les aspects physiques, nos efforts se focaliseront sur la quantification des lois rhéologiques de matériaux partiellement fondus grâce aux expériences de déformation à haute température. Ces résultats vont fournir des lois rhéologiques pertinentes pour différents objets planétaires, un élément essentiel pour la modélisation numérique du transport de liquide dans une matrice partiellement fondue.

En parallèle, nous conduisons le développement de modèles de nouvelle génération prenant en compte ces lois rhéologiques, le cisaillement, la compaction et la notion de la chimie des liquides. Un second volet de thème est le couplage dynamique entre un manteau en convection et la lithosphère. Les transitions entre déformation ductile et déformation cassante sont également étudiées dans le but de mieux comprendre la sismogénèse, par exemple l’origine des trémors et séismes lents. En particulier nous modélisons le comportement thermo-mécanique des failles en présence de fluides en nous appuyant sur des observations sismologiques issues de chantiers sur lesquels nous travaillons (Pyrénées, Golfe de Corinthe).

Finalement nous étudions aussi le magmatisme de la croûte, en particulier les processus physiques et chimiques associés au fonctionnement des chambres magmatiques et des coulées de laves (relations de phase au liquidus, cinétiques de la nucléation et croissance cristalline, variabilité chimique des liquides au cours de la différenciation, sédimentation et compaction des minéraux, liens entre composition, cristallinité et rhéologie). La caractérisation pétrographique et géochimique de roches terrestres (par exemple, l’intrusion magmatique du Skaergaard) et extraterrestres (météorites SNC, HED) est la clef de voûte de cette approche, appuyée par l’apport de l’expérimentation à haute température et la modélisation numérique des processus physiques. Nous développons aussi des outils qui permettent de relier les morphologies volcaniques (coulées de laves, volcans boucliers) à la rhéologie des matériaux magmatiques et aux dynamismes éruptifs.

Intégration des données et cibles géographiques

La réalisation de schémas d’évolution planétaire nourris par les données issues de l’exploration spatiale est une de nos principales motivations. Notre approche s’appuie, d’une part, sur l’application et le développement d’outils numériques qui font l’interface entre les données et la géologie (Analyse en Composantes Principales, Analyse en Composantes Indépendantes, mélanges spectraux linéaires et non linéaires). Ces méthodes permettent l’identification de ‘familles’ de régions et sont applicables à diverses échelles, de celle de la planète à celle d’une roche).

D’autre part, nous avons déjà identifié certaines cibles géographiques, surtout autour de Mars et de la Lune. Par exemple, le site d’atterrissage de MSL est une priorité, l’instrument ChemCam étant bien adapté à l’étude des processus magmatiques en raison de sa capacité à enlever progressivement par ses tirs laser les couches superficielles d’altération. D’autres sites qui retiennent notre attention sont : le volcan bouclier Syrtis Major sur Mars (pour lequel il existe une forte signature de minéralogies magmatiques par spectroscopie et un possible lien avec les météorites SNC), la région de Central Elysium Planitia sur Mars (où il existe des laves récentes de rhéologie et de composition particulières) et les régions du plateau volcanique d’Aristarchus et du plancher du grand bassin d’impact South Pole Aitken sur la Lune. Au delà de Mars et la Lune, au gré de l’arrivée de nouvelles données, les cas de Mercure, de Vénus et les petits corps (par exemple les missions Rosetta, Dawn, et Phobus-Grunt respectivement vers une comète, un astéroïde et une lune martienne) apporteront progressivement des cas spécifiques intéressants à considérer.

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