S. Le Mouélic - Minéralogie de la Lune et des surfaces rocheuses sans atmosphère

Minéralogie des surfaces rocheuses sans atmosphères (Lune, astéroïdes) étudiée par spectro-imagerie visible et proche infrarouge :

Le cas lunaire représente un cas relativement simple (pas d’atmosphère ni d’eau, présence de minéraux primaires uniquement), permettant de mettre au point des méthodes pouvant être extrapolées aux cas plus complexes de Mars (atmosphère tenue, présence de produits d’altération) ou bien de la Terre (atmosphère plus dense, minéraux altérés, végétation…). Mon travail de thèse a consisté à étudier les données de spectro-imagerie de la sonde américaine Clementine, sonde ayant fourni en 1994 les premières observations de la totalité de la surface lunaire avec une résolution spatiale de 100 à 200 mètres dans 11 canaux spectraux du visible (caméra UVVIS) à l’infrarouge (caméra NIR). Les données de la caméra infrarouge NIR n’avaient jamais été exploitées par la communauté scientifique du fait de problèmes d’étalonnage majeurs. La calibration au sol de l’instrument s’avérait manifestement insuffisante pour pouvoir traiter ces données. A partir de la connaissance du fonctionnement de l’instrument, du contenu des données elles-mêmes, ainsi que des propriétés spectrales de la surface lunaire, j’ai proposé une méthode permettant de corriger les principaux artéfacts instrumentaux de la caméra NIR et donc d’exploiter localement le contenu scientifique des données (Le Mouélic et al., JGR 1999). Le travail effectué a notamment permis, grâce à l’utilisation des canaux spectraux à 1.1, 1.25 et 2.0 microns, de discriminer localement entre les deux grands types de minéraux mafiques que sont les olivines et les pyroxènes au niveau des éjectas des cratères Aristarchus (Le Mouélic et al. GRL, 2000) et Copernicus (Le Mouélic et al., PSS, 2001).

L'image en noir et blanc représente le cratère Aristarchus (40 km) tel qu'on le verrait a l'oeil nu. Au centre: même zone vue en combinant des images infrarouges. Le bleu correspond à de l'olivine, le jaune-rouge à du pyroxène. A droite : image en fausses couleurs combinant des longueurs d'onde visibles. On obtient une information complémentaire de la précédente. Le bleu correspond à des matériaux anorthositiques, le rouge-orange à des dépôts pyroclastiques, et le vert, soit à de l'olivine, soit du pyroxène (Le Mouélic et al., GRL 2000) lune_color_ari

J’ai ensuite utilisé un jeu de spectres de laboratoires d’échantillons lunaires représentatifs, ainsi que la mesure de leur composition chimique pour montrer comment, à partir des donnés Clementine acquises en orbite, il était possible de déterminer la teneur en fer (FeO) des sols lunaires (Le Mouélic et al., JGR 2001; 2002). La teneur en fer est un paramètre fondamental pour contraindre les modèles de formation ou plus simplement de mise en place des terrains. L'utilisation de l'ensemble de la gamme spectrale offerte par Clementine (UVVIS et NIR) permet de mettre clairement en évidence les effets spectraux des processus d'altération spatiale (bombardement de la surface par des micrométéorites et particules du vent solaire), comme le montre la figure ci-dessous :

Diminution de la réflectance (fig. a), diminution de la profondeur des bandes d'absorption (fig. b) et augmentation de la pente spectrale (fig. 2c) en fonction du degré de maturité (vieillissement) du sol. La figure 2d montre qu'il existe une relation linéaire entre la pente spectrale et la profondeur de la bande d'absorption à 1 micron lorsque le degré de vieillissement de la surface augmente (d'après Le Mouélic et al., JGR, 2000) Composite_ari

L'utilisation de la gamme spectrale 0.415-2.0 µm permet de calculer des critères spectraux (profondeur de la bande d'absorption à 1 µm et pente du continuum principalement). Ces critères sont sensibles à la fois à la teneur de FeO des sols et à leur degré de vieillissement. J'ai pu montrer que l'on pouvait décorréler ces deux effets, et ainsi remonter directement à la teneur en fer des sols lunaires, à partir de la mesure de la réflectance à 0.75, 0.95 et 1.5 µm. Cette méthode est particulièrement intéressante, avec l'arrivée de nouveaux jeux de données multipsectrales et hyperspectrales (sondes Selene, LRO, Chandrayaan).

Méthode permettant de décoréler les effets du vieillissement et de la teneur en fer des sols lunaires (d'après Le Mouelic et al., 2002)

FeO (%wt) = profondeur à 1 µm+ 0.286x pente + 0.9 x TiO2
iron

 

Publications associées au travail sur la surface lunaire :

- S. Le Mouélic, P. Enguehard, H. H. Schmitt, G. Caravaca, B. Seignovert et N. Mangold et al. Investigating Lunar Boulders at the Apollo 17 Landing Site Using Photogrammetry and Virtual Reality, Remote Sensing, Vol. 12., https://doi.org/10.3390/rs12111900, 2020.

- S. Chevrel, P. Pinet, Y. Daydou, S. Le Mouélic, Y. Langevin, F. Costard, S. Erard, The Aristarchus Plateau on the Moon : Mineralogical and structural study from integrated Clementine UV–Vis–NIR spectral data, Icarus, Volume 199, Issue 1, p. 9-24, DOI 10.1016/j.icarus.2008.08.005, 2009
- Daydou Y., Pinet P., Chevrel S., Le Mouélic S., A systematic intercalibration tool between multiband imaging and spot spectra datasets, Planet. Space Sci.,51, 309-317, 2003.
- Le Mouélic S., Lucey P. G, Langevin Y., Hawke B.R., Calculating iron contents of lunar highland materials surrounding Tycho crater from integrated Clementine UVVIS and NIR data, J. Geophys. Res. 107, n°E10, pp4-1 - 4-9, 2002
- Le Mouélic S., Langevin Y., The olivine at the lunar crater Copernicus as seen by Clementine NIR data, Planet. Space Sci., 49, 65-70, 2001.
- Le Mouélic S., Langevin Y., Erard S., Pinet P., Chevrel S., Daydou Y., Discrimination between maturity and composition of lunar soils from integrated Clementine UVVIS/NIR data. Application to Aristarchus Plateau, J. Geophys. Res., 105, 9445-9455, 2000
- Le Mouélic S., Langevin Y., Erard S., A new reduction approach for the Clementine near infrared data set. Application to Aristillus, Aristarchus and Kepler, J. Geophys. Res., 104, 3833, 1999.
- Le Mouélic S., Langevin Y., Erard S., The distribution of olivine in the crater Aristarchus inferred from Clementine NIR data, Geophys. Res. Lett., 26, 1195-1198, 1999.

Minéralogie des astéroïdes :

J’ai participé à deux campagnes d’observation au Pic du Midi (15 nuits sur la caméra infrarouge Moïcam du TBL), et au Chili (2 nuits sur le NTT, spectromètre SOFI). Si la météo du Pic du Midi ne s'est pas révélé e suffisamment clémente pour pouvoir observer dans de bonnes conditions, les observations réalisées sur le spectromètre SOFI au NTT ont permis d’obtenir un spectre visible- proche IR (0.4 à 2.5 microns) de la surface de l’astéroïde Vesta, mettant ainsi clairement en évidence la présence de deux profondes bandes à 1 et 2 microns, caractéristiques de la présence de minéraux mafiques (pyroxènes) peu ou pas altérés. Un spectre de l'astéroïde Siwa, qui devait être survolé par la sonde Rosetta,a également pu être obtenu lors de cette campagne d'observation (Forni et al., LPSC 2001). Enfin, un spectre intégré de Triton (satellite glacé de Neptune) a été acquis dans la gamme 0.4- 2.5 microns. Vesta présente une surface aux propriétés spectrales très particulières.

Spectre de Vesta acquis sur le spectromètre SOFI au NTT (ESO, Chili). D'après Le Mouélic et al., LPSC 2001 spectre_Vesta

 

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