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Projet CNES de datation in-situ des roches martiennes

Présentation du projet :

La planète Mars est l’un des sujets scientifiques les plus exaltants du XXIe siècle. Les nombreuses missions spatiales qui se sont succédées depuis les années 70 ont apporté des quantités impressionnantes de données et d’informations sur la géologie, le champ magnétique, l’atmosphère... mais aucune mission n’a pu fournir jusqu’à présent de datation précise. Actuellement les planétologues évaluent l’âge de la surface en utilisant les méthodes de comptage de cratères, méthode validée pour la Lune grâce aux prélèvements qui y ont été effectuées. Cependant, contrairement à la Lune, aucune roche martienne n’a été prélevée puis rapportée sur Terre (même si c’est envisagé pour la mission « Mars Sample Return » qui pourrait être lancée en 2020-2022).

C’est dans ce contexte qu’intervient ce projet. Une expérience de datation de roche martienne in-situ est essentielle pour préciser les connaissances et pour contraindre et les modèles sur l’histoire de la planète rouge.

Pour dater les roches, plusieurs méthodes existent. Nous allons utiliser la méthode K-Ar par mesure LIBS(K) & MS(Ar) (Laser-induced breakdown spectroscopy (pour le potassium) & Mass Spectrometer (pour l’argon)). Cette méthode a été choisie puisqu’elle est la plus réaliste sur Mars, les autres étant entre autre plus coûteuses en énergie et en temps de mesure par échantillons.

De plus, le LIBS utilisé dans cette expérience sera basé sur les technologies et le savoir-faire de l’équipe ayant conçu l’instrument CHEMCAM qu’équipe le rover Mars Science Laboratory.

Mars présente des roches qui sont propices à la méthode K-Ar puisque certaines régions sont recouvertes de coulées de lave basaltiques. Voici trois des plus grandes provinces volcaniques martiennes :

  • Tharsis qui compte une douzaine de massifs volcaniques comme Olympus Mons, Ascraeus Mons, Uranius Tolus, Ceranius Tolus, Tharsis Tolus ainsi qu’Alba Mons
  • Elysium Planitia avec les volcans d’Elysium Mons, Albor Tholus et Hecates Mons.
  • Syrtis Major avec les caldeiras Nili Patera et Meroe Patera

Sur Mars, on compte plus d’une vingtaine de grands volcans identifiés (dont les plus grands du Système Solaire) auxquels on ajoute un certain nombre d’édifices plus discrets. Les grandes plaines basaltiques qui s’étendent sur cette planète seront des sites pertinents pour la réalisation d’expérience de datation.

Petit lexique martien : Mons [1], Patera [2], Tolus [3]

L’expérience :

Au laboratoire IDES nous développons un prototype qui aura pour but de valider l’étape de laboratoire. Il s’agit de la première réalisation instrumentale du projet. Elle est destinée à démontrer que dans des conditions de laboratoire, cette expérience donne des résultats dont on connait la reproductibilité et l’erreur. Si ces résultats sont probant, d’autres modèles (de terrain, miniaturisé, spatialisé, etc...) seront réalisés puis testés. Si toutes ces étapes sont concluantes le modèle final partira sur Mars.

Les principales difficultées sont nombreuses dès l’étape du prototype de laboratoire puisqu’il faut réaliser une nouvelle expérience. Dans ce cas, il faut associer ensemble des instruments différents, les calibrer et les tester. Il faut aussi vérifier que l’ensemble du système fonctionne, choisir les bons instruments, les bons logiciels, coder des programmes,...

Le prototype est composé de :

  • un laser Nd :YAG
  • un spectromètre d’émission optique
  • un quadrupole (spectromètre de masse)
  • une pompe à vide
  • de vannes automatiques et manuelles
  • de getter (purification de gaz)

Protocole simplifié de l’expérience :

  • un échantillon est placé dans une cellule de tir dans laquelle un très haut vide est créé.
  • Le laser tir sur l’échantillon dans l’ultraviolet
  • le plasma ainsi créé est analysé par le spectromètre optique (analyse des éléments majeurs et mesure du potassium)
  • le plasma libère le gaz qui était contenu dans le creusé par le laser
  • le gaz est purifié par le getter et emmener par un jeu de vannes jusqu’au quadrupole
  • le quadrupole mesure la quantité d’argon présent dans le gaz

Exemple de tir laser sur un échantillon :

Exemple de détection d’argon :


[1Relief élevé en forme de montagne isolé ou chaine de montagen

[2Reliefs plus ou moins étalés évoquant une soucoupe renversée, avec cratère et contours irréguliers

[3Dôme, coupole