Soutenance de thèse d’Océane BARRAUD le jeudi 2 décembre 2021

Titre de la thèse

"Processus volcaniques et géologiques herméens associés aux espèces volatiles"

Résumé

Les observations récentes de la mission MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment Geochemistry and Ranging) ont permis de faire des découvertes surprenantes sur Mercure, soulevant de nouvelles questions sur la formation et l’évolution des planètes internes du Système solaire. Les modèles de formation planétaire prédisent un appauvrissement en éléments volatils et un enrichissement en éléments réfractaires à la distance héliocentrique de Mercure. Cependant, les observations de MESSENGER ont révélé que la surface de Mercure est riche en espèces volatiles, tels que le soufre et le carbone. Ma thèse traite des processus géologiques associés aux espèces volatiles à la surface de Mercure, dans le but de mieux contraindre leur nature, leur origine et l’inventaire de ces espèces. Durant ma thèse, j’ai étudié en particulier le volcanisme explosif et des unités géologiques observées uniquement sur Mercure, appelées hollows et dont la formation est encore mal comprise. Pour ce faire, j’ai collaboré avec des chercheurs européens pour créer une base de données, à partir des observations du spectromètre visible et proche infrarouge MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) de MESSENGER, qui contient plus de 4,7 millions de spectres et 28 paramètres spectraux.
L’analyse spectrale que j’ai menée, à l’échelle de la planète, des dépôts pyroclastiques, qui sont les produits d’éruptions explosives, a permis de mesurer précisément la taille de ces dépôts et de déduire que leurs dimensions ont été sous-estimées dans de précédentes études. Ce résultat a de fortes implications sur le contenu en volatiles magmatiques de Mercure. De plus, j’ai démontré que le plus grand dépôt pyroclastique de Mercure a sûrement été mis en place par une éruption de type phréatomagmatique, résultant de l’interaction entre un magma et une couche en sous-surface riche en volatiles.
En outre, l’analyse spectrale des hollows m’a permis de montrer que les spectres en réflectance de ces petites dépressions géologiques diffèrent des autres spectres de Mercure (par exemple, des dépôts pyroclastiques). Les spectres des hollows présentent une courbure concave unique entre 300 et 600 nm, que j’ai étudiée en détail par la mesure du paramètre Curvature, défini pendant ma thèse. Ce paramètre spectral est probablement lié à la nature des espèces volatiles à l’origine de la formation des hollows. Par conséquent, j’ai effectué une comparaison avec des mesures de laboratoire et des modélisations spectrales pour mieux contraindre la composition des hollows. L’étude a révélé que des sulfures, tels que CaS, Na2S ou MgS, sont les meilleurs candidats pour reproduire les propriétés spectrales des hollows de Mercure.
Les dépôts pyroclastiques et les hollows seront des cibles intéressantes et importantes pour la mission BepiColombo, et en particulier pour la suite instrumentale SIMBIO-SYS.

Abstract

Recent observations by the Mercury Surface, Space Environment Geochemistry and Ranging (MESSENGER) mission have revealed surprising discoveries about Mercury, raising new questions about the formation and evolution of the inner planets. Planetary formation models predict that Mercury’s surface should lack volatile elements and enrich in refractory elements. However, observations from the MESSENGER mission have revealed that Mercury’s surface is enriched in volatiles such as sulfur and carbon. My thesis addresses the geological processes associated with volatiles on the surface of Mercury, with the aim to better constrain their nature, origin and inventory.
During my thesis, I studied in particular explosive volcanism and geological units observed only on Mercury, named hollows and whose formation is still not well understood. To do this, I collaborated with European researchers to create a database, based on observations from the MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) of MESSENGER, which contains more than 4.7 million spectra and 28 spectral parameters.
The spectral analysis that I conducted, on a planetary scale, of pyroclastic deposits, which are the products of explosive eruptions, allowed me to measure precisely the size of these deposits and to deduce that their dimensions were underestimated in previous studies. This result has strong implications on the magmatic volatile content of Mercury.
Furthermore, I have shown that the largest pyroclastic deposit of Mercury was probably emplaced by a phreatomagmatic eruption, resulting from the interaction between a magma and a volatile-rich subsurface layer. Furthermore, the spectral analysis of the hollows allowed me to show that the reflectance spectra of these small geological depressions differ from other spectra of Mercury (e.g. pyroclastic deposits). The spectra of the hollows show a unique concave shape between 300 and 600 nm, which I studied in detail by measuring the Curvature parameter, defined during my thesis. This spectral parameter is probably related to the nature of the volatile species at the origin of the hollows formation. Therefore, I performed a comparison with laboratory measurements and spectral modelling to better constrain the composition of the hollows. The study revealed that sulfides, such as CaS, NaS or MgS, are the best candidates to reproduce the spectral properties of Mercury hollows.
Pyroclastic deposits and hollows will be interesting and important targets for the BepiColombo mission, and especially for the SIMBIO-SYS instrumental suite.