The ChemCam instrument suite on the Mars Science Laboratory (MSL) rover Curiosity provides remote compositional information using the first laser-induced breakdown spectrometer (LIBS) on a planetary mission, and provides sample texture and morphology data using a remote micro-imager (RMI). Overall, ChemCam supports MSL with five capabilities: remote classification of rock and soil characteristics; quantitative elemental compositions including light elements like hydrogen and some elements to which LIBS is uniquely sensitive (e.g., Li, Be, Rb, Sr, Ba); remote removal of surface dust and depth profiling through surface coatings; context imaging; and passive spectroscopy over the 240–905 nm range. ChemCam is built in two sections: The mast unit, consisting of a laser, telescope, RMI, and associated electronics, resides on the rover’s mast, and is described in a companion paper. ChemCam’s body unit, which is mounted in the body of the rover, comprises an optical demultiplexer, three spectrometers, detectors, their coolers, and associated electronics and data handling logic. Additional instrument components include a 6 m optical fiber which transfers the LIBS light from the telescope to the body unit, and a set of onboard calibration targets. ChemCam was integrated and tested at Los Alamos National Laboratory where it also underwent LIBS calibration with 69 geological standards prior to integration with the rover. Post-integration testing used coordinated mast and instrument commands, including LIBS line scans on rock targets during system-level thermal-vacuum tests. In this paper we describe the body unit, optical fiber, and calibration targets, and the assembly, testing, and verification of the instrument prior to launch.

The Mars Science Laboratory rover Curiosity scooped samples of soil from the Rocknest aeolian bedform in Gale crater. Analysis of the soil with the Chemistry and Mineralogy (CheMin) x-ray diffraction (XRD) instrument revealed plagioclase (~An57), forsteritic olivine (~Fo62), augite, and pigeonite, with minor K-feldspar, magnetite, quartz, anhydrite, hematite, and ilmenite. The minor phases are present at, or near, detection limits. The soil also contains 27 ± 14 weight percent x-ray amorphous material, likely containing multiple Fe 3+ - and volatile-bearing phases, including possibly a substance resembling hisingerite. The crystalline component is similar to the normative mineralogy of certain basaltic rocks from Gusev crater on Mars and of martian basaltic meteorites. The amorphous component is similar to that found on Earth in places such as soils on the Mauna Kea volcano, Hawaii.

The ChemCam instrument package on the Mars Science Laboratory rover, Curiosity, is the first planetary science instrument to employ laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) to determine the compositions of geological samples on another planet. Pre-processing of the spectra involves subtracting the ambient light background, removing noise, removing the electron continuum, calibrating for the wavelength, correcting for the variable distance to the target, and applying a wavelength-dependent correction for the instrument response. Further processing of the data uses multivariate and univariate comparisons with a LIBS spectral library developed prior to launch as well as comparisons with several on-board standards post-landing. The level-2 data products include semi-quantitative abundances derived from partial least squares regression. A LIBS spectral library was developed using 69 rock standards in the form of pressed powder disks, glasses, and ceramics to minimize heterogeneity on the scale of the observation (350–550 μm dia.). The standards covered typical compositional ranges of igneous materials and also included sulfates, carbonates, and phyllosilicates. The provenance and elemental and mineralogical compositions of these standards are described. Spectral characteristics of this data set are presented, including the size distribution and integrated irradiances of the plasmas, and a proxy for plasma temperature as a function of distance from the instrument. Two laboratory-based clones of ChemCam reside in Los Alamos and Toulouse for the purpose of adding new spectra to the database as the need arises. Sensitivity to differences in wavelength correlation to spectral channels and spectral resolution has been investigated, indicating that spectral registration needs to be within half a pixel and resolution needs to match within 1.5 to 2.6 pixels. Absolute errors are tabulated for derived compositions of each major element in each standard using PLS regression. Sources of errors are investigated and discussed, and methods for improving the analytical accuracy of compositions derived from ChemCam spectra are discussed.

Sedimentary rocks examined by the Curiosity rover at Yellowknife Bay, Mars, were derived from sources that evolved from an approximately average martian crustal composition to one influenced by alkaline basalts. No evidence of chemical weathering is preserved, indicating arid, possibly cold, paleoclimates and rapid erosion and deposition. The absence of predicted geochemical variations indicates that magnetite and phyllosilicates formed by diagenesis under low-temperature, circumneutral pH, rock-dominated aqueous conditions. Analyses of diagenetic features (including concretions, raised ridges, and fractures) at high spatial resolution indicate that they are composed of iron- and halogen-rich components, magnesium-iron-chlorine–rich components, and hydrated calcium sulfates, respectively. Composition of a cross-cutting dike-like feature is consistent with sedimentary intrusion. The geochemistry of these sedimentary rocks provides further evidence for diverse depositional and diagenetic sedimentary environments during the early history of Mars.

The ChemCam instrument, which provides insight into martian soil chemistry at the submillimeter scale, identified two principal soil types along the Curiosity rover traverse: a fine-grained mafic type and a locally derived, coarse-grained felsic type. The mafic soil component is representative of widespread martian soils and is similar in composition to the martian dust. It possesses a ubiquitous hydrogen signature in ChemCam spectra, corresponding to the hydration of the amorphous phases found in the soil by the CheMin instrument. This hydration likely accounts for an important fraction of the global hydration of the surface seen by previous orbital measurements. ChemCam analyses did not reveal any significant exchange of water vapor between the regolith and the atmosphere. These observations provide constraints on the nature of the amorphous phases and their hydration.

Abstract The Curiosity rover has analyzed abundant light‐toned fracture‐fill material within the Yellowknife Bay sedimentary deposits. The ChemCam instrument, coupled with Mastcam and ChemCam/Remote Micro Imager images, was able to demonstrate that these fracture fills consist of calcium sulfate veins, many of which appear to be hydrated at a level expected for gypsum and bassanite. Anhydrite is locally present and is found in a location characterized by a nodular texture. An intricate assemblage of veins crosses the sediments, which were likely formed by precipitation from fluids circulating through fractures. The presence of veins throughout the entire ~5 m thick Yellowknife Bay sediments suggests that this process occurred well after sedimentation and cementation/lithification of those sediments. The sulfur‐rich fluids may have originated in previously precipitated sulfate‐rich layers, either before the deposition of the Sheepbed mudstones or from unrelated units such as the sulfates at the base of Mount Sharp. The occurrence of these veins after the episodes of deposition of fluvial sediments at the surface suggests persistent aqueous activity in relatively nonacidic conditions.

Abstract On the NASA 2020 rover mission to Jezero crater, the remote determination of the texture, mineralogy and chemistry of rocks is essential to quickly and thoroughly characterize an area and to optimize the selection of samples for return to Earth. As part of the Perseverance payload, SuperCam is a suite of five techniques that provide critical and complementary observations via Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Time-Resolved Raman and Luminescence (TRR/L), visible and near-infrared spectroscopy (VISIR), high-resolution color imaging (RMI), and acoustic recording (MIC). SuperCam operates at remote distances, primarily 2–7 m, while providing data at sub-mm to mm scales. We report on SuperCam’s science objectives in the context of the Mars 2020 mission goals and ways the different techniques can address these questions. The instrument is made up of three separate subsystems: the Mast Unit is designed and built in France; the Body Unit is provided by the United States; the calibration target holder is contributed by Spain, and the targets themselves by the entire science team. This publication focuses on the design, development, and tests of the Mast Unit; companion papers describe the other units. The goal of this work is to provide an understanding of the technical choices made, the constraints that were imposed, and ultimately the validated performance of the flight model as it leaves Earth, and it will serve as the foundation for Mars operations and future processing of the data.

Abstract Detailed soil characterization at Gale crater based on in situ observations has revealed compositional trends within soils, while the physical and chemical processes underlying the compositional trends remain to be evaluated. Here we use the grain‐morphometrical and geochemical trends across the Wentworth‐classes of 48 in situ soil targets at Gale crater to evaluate underlying pedological processes and potential chemical weathering signatures. The concentration of olivine minerals within the ∼250 to ∼500 μm size range indicates the prevalence of heavy mineral sorting in a granulometric sense in Gale soils that surpasses the possible effect of the cratering‐induced mixing processes. The extent of olivine sorting in soils varies spatially and is influenced by the targets' aeolian setting. The finest portion of Gale soils (<125 μm) is likely a mixture of allochthonous sediment, globally sourced from atmospheric suspension, and autochthonous counterparts from the weathering of local rocks, while the coarser soils (>125 μm) are mostly sourced from local rocks, with possible inputs from both the unaltered parent rock of the Stimson formation and the bedrocks that have undergone diagenetic alteration. If applicable globally, this would reinforce prior inferences that even dust‐mantled regions are geochemically heterogeneous owing to a substantial fraction of soils derived from underlying lithology. The low chemical weathering intensity and coupling of mobile elements in soils suggest localized, low pH and low water‐to‐rock ratio aqueous weathering conditions under predominantly cold and arid climates, which may occur either during post‐pedogenetic alteration in soils or during the acidic alteration of source rocks.