As part of the Bagnold Dune campaign conducted by Mars Science Laboratory rover Curiosity, visible/near-infrared reflectance spectra of dune sands were acquired using Mast Camera (Mastcam) multispectral imaging (445-1013nm) and Chemistry and Camera (ChemCam) passive point spectroscopy (400-840nm). By comparing spectra from pristine and rover-disturbed ripple crests and troughs within the dune field, and through analysis of sieved grain size fractions, constraints on mineral segregation from grain sorting could be determined. In general, the dune areas exhibited low relative reflectance, a weak similar to 530nm absorption band, an absorption band near 620nm, and a spectral downturn after similar to 685nm consistent with olivine-bearing sands. The finest grain size fractions occurred within ripple troughs and in the subsurface and typically exhibited the strongest similar to 530nm bands, highest relative reflectances, and weakest red/near-infrared ratios, consistent with a combination of crystalline and amorphous ferric materials. Coarser-grained samples were the darkest and bluest and exhibited weaker similar to 530nm bands, lower relative reflectances, and stronger downturns in the near-infrared, consistent with greater proportions of mafic minerals such as olivine and pyroxene. These grains were typically segregated along ripple crests and among the upper surfaces of grain flows in disturbed sands. Sieved dune sands exhibited progressive decreases in reflectance with increasing grain size, as observed in laboratory spectra of olivine size separates. The continuum of spectral features observed between the coarse- and fine-grained dune sands suggests that mafic grains, ferric materials, and air fall dust mix in variable proportions depending on aeolian activity and grain sorting.

La recherche des phases hydratées à la surface de Mars est essentielle à la compréhension de son passé habitable et des changements climatiques globaux qu'elle a subis. Le rover MSL/Curiosity apporte de nouveaux moyens pour caractériser l'hydratation de la surface. En particulier, la spectroscopie de plasma induite par laser (LIBS) de l'instrument ChemCam mesure la composition élémentaire à distance. Il permet une détection de l'hydrogène par le pic d'émission H Balmer alpha à 656.6 nm. Cependant la quantification de cet élément n'a été que très peu étudiée. Le modèle de qualification de l'instrument ChemCam a été intégré à un banc LIBS afin d'analyser des séries d'échantillons hydratés au laboratoire. A l'exception de quelques échantillons révélant des phénomènes spécifiques à l'hydrogène, ces tests montrent qu'un étalonnage linéaire est obtenu avec la teneur en eau. Sur Mars, dans le cratère Gale, cette calibration révèle l'hydratation de différentes phases : la bassanite (CaSO4 × 0.5H2O) dans les veines remplissant les fractures des roches, les sulfates de magnésium, les sédiments opalifères et argileux découverts in situ. Les mesures d'abondances en eau effectuées jusqu'à présent étaient restreintes à de rares expériences de pyrolyse ; cette étude montre que ChemCam apporte maintenant un nouveau moyen opérationnel pour la mesure de l'hydrogène à la surface, à l'échelle submillimétrique et couvrant un très grand nombre de roches. / The search for hydrated phases lying at the surface of Mars is essential to understand its habitable past and the fate of water on a planet disrupted by global climate changes. The MSL/Curiosity rover provides new tools to characterize surface hydration in situ. Among these, laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed by the ChemCam instrument enables remote measurement of elementary abundance. However, measuring the LIBS emission peak of hydrogen at 656.6 nm (Balmer alpha) to quantify target water content is poorly documented in the literature. Using the instrument replica, large series of hydrated samples have been analyzed in the laboratory under Martian atmospheric conditions. Except for some samples on which effects specific to the hydrogen signal have been observed, these tests show that a linear calibration can be obtained with target water content. On Mars, at Gale crater, this calibration reveals the hydration of different phases: bassanite (CaSO4 × 0.5H2O) in the veins filling the bedrock fractures, magnesium sulfates, opaline and clay rich sediments discovered in situ. Measurement of water content performed to date have been limited to sparse and bulk pyrolysis experiments; this study shows that ChemCam provides a new technique to measurement hydrogen on the surface, at a submillimeter scale and sampling a very large number of rocks.

ChemCam est à bord de la mission Mars Science Laboratory (MSL) qui a décollé pour Mars le 26 novembre 2011. Cet instrument est très innovant car c'est la première fois que la technique du LIBS ("Laser-Induced Breakdown Spectroscopy") est utilisée pour l'exploration planétaire, afin d'étudier la géochimie des sols et roches à la surface de la planète rouge. Cette technique permet de déterminer la composition chimique de la cible analysée, en focalisant un laser à sa surface. Un plasma se créé alors par échauffement de la matière. L'analyse spectrale de la lumière émise du plasma permet d'identifier les éléments présents dans la roche, ainsi que leur concentration. Ce travail de thèse contribue à la préparation du retour scientifique de la mission MSL et de l'instrument ChemCam autour de quatre axes principaux : (i) identification et caractérisation des raies spectrales pertinentes, (ii) test des méthodes de classification des roches avec ces mesures, (iii) étude de la sensibilité aux vernis d'altération des roches ou à la couche de poussière, (iv) analyse des données pour extraire des informations sur la structure et la composition des roches. Une station sol a été développée afin d'imiter les conditions atmosphériques à la surface de Mars. Une bibliothèque de raies élémentaires a été réalisée. Cette dernière est spécifique à ChemCam et à la géochimie de Mars, et contient plus de 1300 raies. La classification des roches est efficace, quelque soit le type de cible. Les différents paramètres (distance, traitement des données, ..) pouvant influencer ces classifications ont également été caractérisés. ChemCam permet de réaliser des analyses quantitatives, que ce soit par des méthodes statistiques ou plus conventionnelles. Nous avons montré que cet instrument est capable d'analyser aussi-bien la couche d'altération d'un basalte que la roche saine au dessous. Il permet également d'effectuer des analyses très fines, comme la comparaison de différentes matrices de roches volcaniques, ou encore de la structure interne des argiles. Pour finir, ces études expérimentales réalisées durant la thèse ont démontré que ChemCam répondait à toutes les spécifications imposées au début de sa conception.