Projet ANR-10-JCJC-0505 – SPRING : SPectroscopie InfraRouGe des matériaux planétaires hydratés
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Sciences de l’univers (JCJC SIMI 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre BECK (UNIVERSITE GRENOBLE I [Joseph Fourier])
Partenaires : Université de Grenoble Alpes
Montant : 150000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 42 mois
Résumé : Spectroscopie infrarouge des matériaux planétaires hydratésNous essayons de caractériser l’hydratation de la surface de Mars et des météorites et de construire un lien avec les comètes et les astéroïdes sombres.
Mesurer et comprendre la minéralogie hydratée de Mars, des chondrites et des astéroïdes.Dans ce projet nous essayons de comprendre la minéralogie de la surface de Mars. Dans le vis-IR, deux absorptions sont présentes de façon globale : une absorption dans le visible, responsable de la couleur rouge et une absorption à 3-µm. Dans ce travail nous essayons de comprendre cette dernière, probablement liée à la présence d’un ou de plusieurs minéraux hydratés. Nous essayons aussi de comprendre la présence de carbonates observée très récemment. Pour ce faire nous testons un mécanisme, qui est la formation par une réaction gas-solide, entre une surface minérale et du CO2-gas.Les météorites sont des échantillons uniques, car elles renseignent sur les première phases de formation du système solaire. Ces roches sont un échantillonnage naturel d’astéroïdes et aussi possiblement de comètes. Au sein des diverses familles de météorites, les chondrites carbonées sont considérées comme les plus primitives. Celles-ci montre l’action d’eau liquide à un moment de leur histoire, car elle contiennent une quantité importante de minéraux hydratés. Elle témoignent donc probablement de la toute première présence d’eau liquide dans le Système solaire.
Caractérisation expérimentale d’échantillons naturels (météorites) et d’analoguesPour comprendre la présence de carbonates à la surface de Mars, nous avons développée un système permettant de mesurer les cinétiques de carbonatation par réaction gas-solide. Pour comprendre la minéralogie hydratée des chondrites carbonnées nous avons attaqué trois approches : i) la spectroscopie infra-rouge sur poudre ii) les analyses thermogravimétriques (TGA) iii) la spectroscopie XANES au seuil du fer (source synchrotron). Dans l’objectif de construire un lien avec les astéroïdes hydratés, nous réalisons des mesures avec le spectro-photogoniomètre disponible à l’IPAG. Nous réalisons aussi des mesures photométriques en collaboration avec l’Université de Berne.
Résumé de la soumission : L’eau est de façon certaine la molécule la plus importante pour l’origine et le développement de la vie. Le motto « follow the water » a ainsi guidé les agences spatiales mondiales dans leur exploration du Système Solaire. Nous  nous intéresserons au cours de ce projet à des processus d’altération aqueuse, ayant eu lieu à la surface de Mars et d’astéroïdes.Pour les objets du Système Solaire, trois types observations sont disponibles : i) globales à régionales via les satellites mis en orbite ii) globales via l’utilisation de grands télescopes sur Terre iii) une vérité de terrains observée par des landers dans quelques endroits. Cependant le nombre de techniques pouvant être spatialisées ou appliquées à distance est limité, et des expériences de laboratoire sont toujours nécessaires pour interpréter ces observations.A la fois pour Mars et les astéroïdes, l’identification des matériaux de surface est basée sur la spectroscopie infrarouge. Cette méthode est une des rares techniques pouvant sonder directement les protons, et est donc parfaitement adaptée à l’étude des phases hydratées et hydroxylées. Au cours de ce projet, nous réaliserons des mesures en laboratoire et nous développeront des systèmes expérimentaux originaux permettant de déterminer la nature des matériaux de surface hydratés observés à la surface de Mars et des astéroïdes.Pour débuter, nous réaliserons un effort fondamental pour comprendre les processus cristallographiques contrôlant la signature IR des groupements –OH au sein des minéraux. Cet effort permettra de contraindre le rôle du cation ligand et les possibles effets à longue distance liés à la cristallochimie des minéraux.De plus nous étudierons les processus actuels d’altération de surface rencontrés sur Mars par une étude expérimentale en laboratoire. Nous essaierons de comprendre la nature des produits d’altération en déterminant la minéralogie de surface actuelle. Nous instiguerons aussi l’impact potentiel des réactions gaz/roche pour expliquer les observations récentes de carbonates.Enfin, les spectres IR de chondrites carbonées seront mesurés en reflectance, au sein d’une cellule environnementale, pour fournir un analogue valable des observations spectroscopique d’astéroïdes. Ceci nous permettra d’interpréter les absorptions IR à 3 µm observées et de contraindre l’intensité de l’altération aqueuse. Ces données seront essentielles dans le contexte des missions DAWN et ROSETTA.Ce projet construira une collaboration entre 2 jeunes chercheurs, Pierre Beck et German Montes-Hernandez. Ils appartiennent à deux laboratoires différents situés sur le même site, le campus de l’université de Grenoble. Le projet SPRING forgera une connexion forte entre ces deux laboratoires aux compétences synergétiques, et les aidera a former un groupe de recherche autonome et actif.Cette étude est très ambitieuse e car elle requière la double connaissance à la fois des sciences des Matériaux et des observations planétaires. Le PI de ce projet est jeune (29 ans) et a été recruté il y a 2 ans au LPG. C’est la troisième année qu’il soumet un projet JCJC à l’ANR, et le projet SPRING est issu de 2 ans de maturation scientifique. Les objectifs scientifiques sont ambitieux mais largement atteignables.La majeure partie du financement concerne le recrutement d’un doctorant qui sera encadré par Pierre Beck et German Montes-Hernandez. German Montes-Hernandez est diplômé d’une HDR et Pierre Beck planifie de défendre ce diplôme durant le projet SPRING. De plus, une part significative du budget concerne des développements analytiques pour lesquels le LPG a une expérience reconnue au niveau international.
Résultats : Après 30 mois de projet, nous avons déjà obtenu des résultats significatifs. Nous avons tout d’abord contraint la signature NIR de meteorite de type HED (Beck et al., Icarus, 2011) qui sont reliées à l’astéroïdes 4-Vesta. De plus, nous avons déterminé la photomètrie de 8 chondrites (Beck et al., Icarus 2012). Nous avons aussi étudiée la minéralogie hydratée de 7 chondrite par spectroscopie XANES au seuil du Fer et mis en évidence une tendance d’oxidation (Beck et al., GCA 2012). La quantité d’eau a été mesuré pour une trentaine d’échantillon de chondrites antarctique par TGA et ces résultats sont actuellement soumis (Garenne et al., sub). Ces même échantillons ont aussi été analysé sous la forme de pastilles diluées dans du KBr (Beck et al., sub.).
 Enfin, nos travaux sur la minéralogie hydratée de Mars ont permi d’aider à l’interprétation de la carte diélectrique de cette planète et de mettre en évidence un stade océan dans le passé martien (Mouginot et al., 2012).
Perspectives : Deux grandes perspectives ont déjà été ouverte par ces travaux. La première est la caractérisation systématique d’échantillon météoritique par couplage entre TGA et spectroscopie IR. Nous essaierons par la suite du projet d’essayer de mettre au point une calibration en laboratoire permettant de quantifier l’eau à la surface d’un astéroïdes. 
La seconde est la caractérisation des effets spectro-photométrique sur des échantillons naturels. Celle-ci sera poursuivie par l’étude d’échantillons synthétiques, et nous essaierons de quantifier leur impact sur les observations des petits corps (astéroïdes et comètes).
Publications et brevets : Beck, P., Barrat, J. A., Grisolle, F., Quirico, E., Schmitt, B., Moynier, F., Gillet, P., Beck, C., 2011. NIR spectral trends of HED meteorites: Can we discriminate between the magmatic evolution, mechanical mixing and observation geometry effects? Icarus. 216, 560-571.
Beck, P., DeAndrade, V., Orthous-Daunay, F.-R., Veronesi, G., Cotte, M., Quirico, E., Schmitt, B., 2012. The redox state of iron in the matrix of CI, CM and metamorphosed CM chondrites by XANES spectroscopy. Geochimica et Cosmochimica Acta.
Beck, P., Pommerol, A., Thomas, N., Schmitt, B., Moynier, F., 2012. Photometry of meteorites. Icarus. 218, 364-377.
Garenne, A., Montes-hernadez, G., Beck, P., Schmitt, B., Brissaud, O., Submitted. Gas-solid carbonation as a source of carbonates on Mars.  . Planetary and space sciences.
Mouginot, J., Pommerol, A., Beck, P., Kofman, W., Clifford, S. M., 2012. Dielectric map of the Martian northern hemisphere and the nature of plain filling materials. Geophysical Research Letters. 39.