Influence of amorphous phases in the optical behaviour of planetary regoliths: characterization of physical properties and application to the geological study of the Moon
Influence des phases amorphes dans la réponse optique des régolites planétaires : caractérisation des propriétés physiques et application à l'étude géologique de la Lune
Résumé
Remote-sensing techniques are widely implemented today for the exploration of planetary surfaces, called regoliths, such as the Moon's, Mercury's, Mars' or asteroids'. Photometry is a technique based on the observation of a surface under various angles which gives information on the physical surface properties: particles' diffusion mode (forward-scattering or backscattering), grain size, surface roughness, compaction state... This PhD is centred on volcanic materials and amorphous phases (or glasses), because of their significance in processes leading to the formation and evolution of regoliths: volcanism, cratering, interaction with space environment. Using Hapke's photometric model, whose parameters, once inverted, lead to the physical surface properties, this subject is explored under two approaches: in laboratory, and from orbital data. Multiangular experimental measurements, carried out with IRAP's spectro-imaging device, allowed the photometric characterization of different natural granular volcanic materials with various compositions, grain sizes, and contents of glass and monocrystals: basalts, volcanic sand, pyroclastics, olivine, and glass from the controlled melt of basalt. According to their compositions, shapes, and textures, an evolution of the samples photometric behaviour with grain size has been noticed. Materials which are rich in fresh glass and/or monocrystals display a specific behaviour seldom observed so far, which enable their distinction from glass-free materials or with more mature glass. Mixtures of basalt and basaltic glass showed also the strong and highly non linear optical influence of fresh glass. A photometric study of the lunar crater Lavoisier from orbital data showed the applicability of techniques implemented in laboratory on geological units, and photometric characteristics inherent to the pyroclastic deposits on the crater floor have been determined. Another pyroclastic deposit located at Lavoisier F displays a photometric behaviour distinct from crater Lavoisier's pyroclastic deposits, showing a textural, granulometric or compositional variety between these units. All the results obtained for these craters make sense in the light of laboratory experiments.
Les techniques de télédétection sont aujourd'hui largement mises en œuvre pour l'exploration des surfaces planétaires, appelées régolites, telles que la Lune, Mercure, Mars ou les astéroïdes. La photométrie est une technique basée sur l'observation d'une surface sous des angles variés qui renseigne sur les propriétés physiques de surface : mode de diffusion des particules (diffusant vers l'avant ou rétrodiffusant), granulométrie, rugosité de surface, degré de compaction... Cette thèse est centrée sur les matériaux volcaniques et les phases amorphes (ou verres), en raison de leur importance dans les processus responsables de la formation et de l'évolution des régolites : volcanisme, cratérisation, interaction avec l'environnement spatial. À l'aide du modèle photométrique de Hapke, dont les paramètres, une fois inversés, permettent de remonter aux propriétés physiques de surface, ce sujet est exploré sous deux approches : en laboratoire et à partir de données orbitales. Les mesures multiangulaires expérimentales, réalisées avec le spectro-imageur de l'IRAP, ont permis la caractérisation photométrique de différents matériaux volcaniques granulaires naturels ayant des compositions, tailles de grains et des teneurs en verre et monocristaux variées : basaltes, sable volcanique, pyroclastiques, olivine, et verre issu de la fusion contrôlée de basalte. Suivant leur composition, formes et textures, une évolution des comportements photométriques des échantillons en fonction de la granulométrie a été notée. Les matériaux riches en verre frais et/ou monocristaux présentent un comportement spécifique peu observé jusqu'alors, ce qui permet de les distinguer des matériaux sans verre ou contenant du verre plus mature. Des mélanges basalte/verre basaltique ont également permis de mettre en évidence l'influence optique très forte et non linéaire du verre frais. Une étude photométrique du cratère lunaire Lavoisier à partir de données orbitales a montré l'applicabilité des techniques mises en œuvre en laboratoire sur des unités géologiques, et des caractéristiques photométriques propres aux dépôts pyroclastiques situés sur le plancher du cratère ont été déterminées. Un autre dépôt pyroclastique au niveau du cratère Lavoisier F montre un comportement photométrique distinct des pyroclastiques du cratère Lavoisier, témoignant d'une variété texturale, granulométrique ou compositionnelle entre ces unités. L'ensemble des résultats obtenus sur ces cratères apparaît cohérent en regard des expériences réalisées en laboratoire.
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