3.2 Pr´ eparation des ´ echantillons de sols
3.2.1 Les m´ elanges m´ ecaniques
Les m´elanges m´ecaniques ont ´et´e pr´epar´es `a partir de la poudre de JSC-L, avec deux autres mat´eriaux diff´erents contenant des substances volatiles. Le premier est le simulant de r´egolithe martien JSC Mars-1 (Allen et al., 1998), qui sera appel´e JSC-M par la suite. Ce simulant a ´et´e beaucoup utilis´e en laboratoire car il est un bon analogue spectral des r´egions claires de la surface de Mars du fait de sa concentration importante en oxydes de fer (Allen et al., 1998; Morris et al., 2001). Ces grains basaltiques sont compos´es de cendres alt´er´ees `a basse temp´erature provenant du cˆone volcanique Pu’u Nene sur le Mauna Kea, `a Hawa¨ı. De la mˆeme mani`ere que l’analogue lunaire, ce simulant martien se compose essen- tiellement de phases dont le diam`etre est inf´erieur au millim`etre. Ces grains sont principalement amorphes incluant palagonite, ferrihydrite et allophane. Ces mˆemes phases sont des candidats potentiels pour la composante amorphe des sols martiens (Bish et al., 2013; Dehouck et al., 2014). Les phases min´erales pr´esentes dans le JSC-M comprennent ´egalement des feldspaths de type anorthite, de la magn´etite riche en Ti, et en moindre abondance, des pyrox`enes et de l’olivine.
Pour les besoins de cette ´etude, la composition chimique de la fraction fine (<45 µm) a ´et´e analys´ee par spectrom´etrie de masse `a plasma `a couplage inductif par ablation laser (LA-ICP-MS) sur 8 points d’analyse avec un faisceau de ∼60 µm (Tableau 3.1). Cette fraction montre plus de divergence avec la composition globale du JSC-M que la fraction fine du JSC-L et son bulk. Cela implique que le tamisage du JSC-M s´electionne pr´ef´erentiellement certaines phases min´erales, ce qui se refl`ete par un l´eger changement de la composition chimique. N´eanmoins, les tendances restent les mˆemes, c’est-`a-dire que quelle que soit la fraction (<45 µm ou bulk ), le JSC-M est enrichi en TiO2, Al2O3, FeOT, MnO
et appauvri en SiO2, MgO, CaO, K2O, Na2O par rapport au JSC-L. Par ailleurs, en comparaison avec
les sols fins de Gale, le simulant martien montre des diff´erences particuli`erement importantes en TiO2,
Tableau 3.1 – Compositions des ´el´ements chimiques majeurs pour l’analogue martien JSC-1 (JSC-M) : fraction bulk avec et sans ´el´ements volatils (1 d’apr`es Allen et al., 1998) et fraction tamis´ee inf´erieure `a
45 µm. La composition chimique de l’analogue de r´egolithe lunaire JSC-1A (JSC-L) bulk et de la fraction tamis´ee inf´erieure `a 20 µm est ´egalement repr´esent´ee (2d’apr`es Hill et al., 2007), ainsi que la composition
moyenne d’apr`es ChemCam des sols Aeolis Palus de Gale (3d’apr`es Lasue et al., 2018). Ces derniers ont une somme d’oxydes totale faible car le soufre, tr`es pr´esent dans les sols, et l’eau ne sont pas quantifi´es par ChemCam. Enfin, la composition moyenne des sols de Mars est pr´esent´ee (4d’apr`es Taylor et McLennan, 2009).
Le JSC-M est ´egalement beaucoup plus alt´er´e que le JSC-L et contient une teneur en ´el´ements volatils plus ´elev´ee. Le chauffage de l’´echantillon bulk des deux simulants pendant une demi-heure `a 200◦C avec une thermo-balance montre ∼11 wt.% d’´el´ements lib´er´es dans le JSC-M contre ∼1.4 wt.% dans le JSC-L. Ces r´esultats sont coh´erents avec la litt´erature. Peters et al. (2008) enregistrent 17.3 wt.% d’´el´ement volatils dans le JSC-M (principalement H2O, SO2et Cl), mais en chauffant `a plus haute
temp´erature (950◦C).
Pour les besoins des exp´eriences, les deux analogues lunaires et martiens ont ´et´e tamis´es s´epar´ement afin de produire quatre classes granulom´etriques de grains diff´erentes `a la fois plus petites et plus grandes que le faisceau laser ChemCam. Nous avons choisi volontairement une taille de grain tr`es inf´erieure `a celle du faisceau laser (350-550 µm ; Maurice et al., 2012) simulant des sols `a grains tr`es fins (<45 µm), ainsi qu’une taille plus grande, mais toujours inf´erieure au faisceau, correspondant `a des sables fins : 125-250 µm. Nous avons ´egalement choisi une taille de grains voisine de celle du faisceau, comprise entre 250 et 500 µm (sable interm´ediaire). Pour simuler les sols grossiers (sup´erieurs `a la taille du faisceau), des grains de 0.5 `a 1 mm sont utilis´es (sable grossier). Pour chaque fraction granulom´etrique, les deux simulants sont ensuite m´elang´es, en concentrations variables, avec des abondances de JSC-M de 0, 1.5, 5, 15, 25, 50 et 100 wt.% (voir r´esum´e des ´echantillons en Annexe B.1, et illustration de m´elange en Figure 3.2).
Des m´elanges m´ecaniques suppl´ementaires ont ´et´e pr´epar´es en utilisant le JSC-L et du sulfate de magn´esium. Les mˆemes concentrations que les m´elanges JSC-L et JSC-M mentionn´es ci-dessus ont ´et´e utilis´ees, mais avec une seule gamme de tailles de particules (250-500 µm de diam`etre). Cette s´erie plus restreinte en terme de granulom´etrie a ´et´e r´ealis´ee pour permettre une comparaison directe avec le second type de m´elanges : les grains avec revˆetement de surface, discut´e plus tard. Le sulfate de magn´esium utilis´e dans l’exp´erience (procur´ee chez Sigma-Aldrich) correspond originellement `a une poudre de kies´erite, qui est un min´eral monohydrat´e et qui contient nominalement ∼13 wt.% H2O. Toutefois, l’analyse par thermo-
balance montre que la poudre de sulfate de magn´esium utilis´ee dans nos exp´eriences contient au moins 31 wt.% de substances volatiles dans les conditions ambiantes, c’est-`a-dire avant son introduction dans la chambre martienne. L’hydratation du sulfate de magn´esium r´esulte du protocole exp´erimental que nous avons dˆu d´evelopper pour simuler un revˆetement de surface (cf. section 3.2.2). En effet, la poudre de kies´erite a ´et´e mise en solution, pr´ecipit´ee, broy´ee `a l’aide d’un mortier en agate, puis finalement tamis´ee afin d’arriver `a un mat´eriau obtenu dans des conditions similaires aux revˆetements de surface abord´es plus loin. Plac´e dans la chambre martienne sous vide `a 10−3 mbar, le produit final de ce protocole a
lib´er´e la mˆeme quantit´e d’esp`eces volatiles (30.6 wt.%) que la poudre chauff´ee, comme le montre la pes´ee pr´ecise de l’´echantillon avant et apr`es son exposition au vide.
Comme indiqu´e ci-dessus, des phases amorphes primaire (verre) et secondaire (allophane, fer- rihydrite) sont pr´esentes dans nos m´elanges. Cependant, notre but n’´etait pas d’essayer de reproduire pr´ecis´ement la composition des sols martiens, qui ne sont pas bien contraints. En outre, la nature cristal- line ou amorphe des constituants des ´echantillons n’a pas d’importance au 1er ordre pour nos analyses
LIBS, qui sont principalement sensibles `a la chimie, et non `a la min´eralogie.
Figure 3.2 – ´Echantillons de m´elanges m´ecaniques dans la chambre martienne pendant les analyses LIBS. Le diam`etre de chaque tube est de ∼15 mm.