Spectroscopic analysis of terrestrial analogues for the interpretation of surface composition of rocky bodies in the solar system. Effects of mineral mixing and particle size. Applications to moon, mars and implications for mercury.

Abstract

Among the Solar System’s bodies, Moon, Mercury and Mars are at present, or have been in the recent years, object of space missions aimed, among other topics, also at improving our knowledge about surface composition. Between the techniques to detect planet’s mineralogical composition, both from remote and close range platforms, visible and near-infrared reflectance (VNIR) spectroscopy is a powerful tool, because crystal field absorption bands are related to particular transitional metals in well-defined crystal structures, e.g., Fe2+ in M1 and M2 sites of olivine or pyroxene (Burns, 1993). Thanks to the improvements in the spectrometers onboard the recent missions, a more detailed interpretation of the planetary surfaces can now be delineated. However, quantitative interpretation of planetary surface mineralogy could not always be a simple task. In fact, several factors such as the mineral chemistry, the presence of different minerals that absorb in a narrow spectral range, the regolith with a variable particle size range, the space weathering, the atmosphere composition etc., act in unpredictable ways on the reflectance spectra on a planetary surface (Serventi et al., 2014). One method for the interpretation of reflectance spectra of unknown materials involves the study of a number of spectra acquired in the laboratory under different conditions, such as different mineral abundances or different particle sizes, in order to derive empirical trends. This is the methodology that has been followed in this PhD thesis: the single factors previously listed have been analyzed, creating, in the laboratory, a set of terrestrial analogues with well-defined composition and size. The aim of this work is to provide new tools and criteria to improve the knowledge of the composition of planetary surfaces. In particular, mixtures composed with different content and chemistry of plagioclase and mafic minerals have been spectroscopically analyzed at different particle sizes and with different mineral relative percentages. The reflectance spectra of each mixture have been analyzed both qualitatively (using the software ORIGIN®) and quantitatively applying the Modified Gaussian Model (MGM, Sunshine et al., 1990) algorithm. In particular, the spectral parameter variations of each absorption band have been evaluated versus the volumetric FeO% content in the PL phase and versus the PL modal abundance. This delineated calibration curves of composition vs. spectral parameters and allow implementation of spectral libraries. Furthermore, the trends derived from terrestrial analogues here analyzed and from analogues in the literature have been applied for the interpretation of hyperspectral images of both plagioclase-rich (Moon) and plagioclase-poor (Mars) bodies.

Tra i corpi del sistema solare, la Luna, Mercurio e Marte sono attualmente, e negli ultimi anni, oggetto di missioni spaziali finalizzate anche a migliorare la nostra conoscenza sulla composizione della superficie. Tra le tecniche per studiare la composizione mineralogica del pianeta, la spettroscopia in riflettanza nel visibile e vicino infrarosso (NIR) ha un ruolo importante, perché i processi di assorbimento sono legati a metalli di transizioni in strutture cristalline ben definite, ad esempio, Fe2+ nei siti M1 e M2 dell’olivina e del pirosseno (Burns, 1993). Grazie ai miglioramenti degli spettrometri a bordo delle recenti missioni, un'interpretazione più dettagliata delle superfici planetarie è ora possibile. Tuttavia, l'interpretazione quantitativa della mineralogia di una superficie planetaria non è sempre un compito semplice. Infatti, diversi fattori, tra cui il chimismo, la presenza di diversi minerali che assorbono in un ristretto range spettrale, un regolite con granulometria variabile, lo space weathering, la composizione dell'atmosfera ecc, agiscono in modo imprevedibile sugli spettri provenienti da una superficie planetaria (Serventi et al., 2014). Un metodo per interpretare spettri di riflettanza di materiali sconosciuti si basa sullo studio di spettri acquisiti in laboratorio in diverse condizioni, ad esempio con quantità e granulometrie diverse. Questo è il metodo seguito in questa tesi: i singoli fattori precedentemente elencati sono stati analizzati, creando, in laboratorio, una serie di analoghi terrestri con composizione e granulometria ben definita. Lo scopo di questo lavoro è stato individuare nuovi criteri e costruire strumenti per migliorare la conoscenza della composizione delle superfici planetarie, implementando anche le biblioteche spettrali. In particolare, sono stati spettroscopicamente analizzate miscele caratterizzate da un diverso contenuto di plagioclasio e minerali mafici, a diverse granulometrie. Gli spettri di riflettanza di ogni miscela sono stati analizzati sia qualitativamente (con il software ORIGIN®) e quantitativamente applicando l’algoritmo Gaussian Modified Model (MGM, Sunshine et al., 1990). In particolare, le variazioni dei parametri spettrali di ciascuna banda di assorbimento sono state valutate rispetto al contenuto volumetrico di FeO% nella fase plagioclase e rispetto all’abbondanza del plagioclase. Questo ha individuato curve di calibrazione di composizione vs. parametri spettrali e ha permesso l’implementazione di librerie spettrali. Inoltre, i trend estrapolati dall’analisi degli analoghi terrestri sono stati applicati per l'interpretazione di immagini iperspettrali di corpi ricchi in plagioclasio (Luna) e poveri in plagioclasio (Marte).