RICERCA ITALIANA     

Studi sperimentali su materiali geologici alle alte pressioni e temperature: applicazioni alla comprensione del sistema Terra

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Aspetti fondamentali del comportamento dei minerali riguardano la conoscenza della risposta elastica a specifiche condizioni di P e T, le loro transizioni di fase strutturali, la loro stabilità e le modalità di fusione. La presenza simultanea di vari minerali pone inoltre domande aggiuntive sulla loro interazione, descritta in termini di diagrammi di fase binari in funzione di composizione, P e T.
Per ottenere le necessarie informazioni sui coefficienti di compressibilità e di espansione termica dei materiali terrestri, sui campi di stabilità strutturale e le possibile trasformazioni di fase, spesso reversibili, occorre poter studiare in situ questi materiali in condizioni di alta pressione e/o alta temperatura. Gli studi mineralogici in condizioni non ambientali costituiscono attualmente un campo di ricerca delle Scienze della Terra vitalissimo e in continua espansione, sia a livello nazionale che internazionale.
Oggi il progresso delle tecniche di indagine permette un discreto approccio sperimentale al problema. Da un lato sofisticate celle ad incudine di diamante (DAC) permettono lo studio di cristalli singoli o di polveri a pressioni elevatissime (decine di GPa) con metodi di diffrattometria (anche con l’impiego di radiazioni da sorgenti non convenzionali, quali la luce di sincrotrone o i neutroni) o con metodi spettroscopici (IR o Raman). Dall’altro, fornaci appositamente concepite per cristallo singolo sono in grado di scaldare i campioni per indagini strutturali a temperature superiori ai 1000°C.
Le ricerche sperimentali possono essere convenientemente affiancate e integrate da metodi teorici di calcolo sulle forze fondamentali che regolano il comportamento chimico-fisico dei solidi, estendendolo a condizioni estreme di P e T di difficile realizzazione in laboratorio.
Si tratta comunque di tecniche sperimentali difficili, che richiedono una grande esperienza e manualità da parte degli operatori. Il proposito di questo programma è quello di riunire un gruppo di ricercatori operanti in vari Laboratori, con esperienze e attrezzature complementari e con un comune interesse a indagare le proprietà chimico-fisiche dei materiali geologici in condizioni non ambientali.
A Perugia ricerche in diffrattometria da cristallo singolo in alta pressione e alta temperatura sono svolte da una ventina di anni. In particolare è stata oggetto di studio la stabilità strutturale delle fasi candidate all’immagazzinamento e al trasporto di acqua nel mantello. Il progetto si propone di continuare lo studio su fasi idrate in condizioni non ambientali, continuando e completando le ricerche sulla clorite in alta pressione e temperatura, sulla fase 10Å e sul contenuto di acqua in funzione della pressione in fasi nominalmente anidre come i pirosseni. E’ anche in programma (in coll. con Torino) lo studio del comportamento di feldspati alcalino-terrosi ad alta P.
A Torino, il programma prevede a) lo studio sulle transizioni di fase indotte da P e T nei feldspati (in coll. con Perugia), e b) la modellizzazione quantomeccanica delle trasformazioni strutturali.
A Pavia il programma prevede lo studio degli effetti di P e T sulle pigeoniti (in coll. con Padova), sulle columbiti e su un ossido di Vanadio e litio analogo al minerale natisite, di interesse nel campo della superconduttività.
A Padova il programma è incentrato sullo studio in situ con diffrattometria a raggi X di ossidi e silicati rilevanti per le Scienze della Terra, in particolare gli spinelli e le pigeoniti (in coll. con Pavia).
Molte le collaborazioni previste con Laboratori stranieri di chiara fama (Bayerisches Geoinstitut Bayreuth,Virginia Tech U.S.A., ESRF Grenoble, ISIS Oxford). L’azione sinergica dei quattro gruppi, ognuno con la propria esperienza sperimentale e teorica e le apparecchiature specifiche da mettere in compartecipazione, dà ampie garanzie che il progetto comune possa essere sviluppato con risultati soddisfacenti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Pier Francesco Zanazzi Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Studi sperimentali su materiali geologici in alta pressione e temperatura: applicazioni alla comprensione del sistema Terra.

L’interno della Terra è un complesso sistema termochimico. I processi che vi avvengono sono strettamente collegati ai processi geologici a grande scala che avvengono in superficie, ivi inclusa la tettonica globale. Il proposito di questo programma è quello di riunire un gruppo di ricercatori operanti in vari Laboratori, con esperienze e attrezzature complementari e con un comune interesse a indagare le proprietà chimico-fisiche dei materiali geologici in condizioni non ambientali, in modo da contribuire ad armonizzare le conoscenze di quello che è visibile sulla superficie terrestre, con quello che conosciamo sull’interno del pianeta, ponendo insieme agli esperimenti di petrologia e mineralogia sperimentale alcuni vincoli cristallochimici alle conoscenze e ai dati che derivano dalla sismologia, la geochimica isotopica, la reologia del mantello, la termodinamica di solidi e fluidi alle alte temperature e pressioni, e gli studi teorici che legano formazione e migrazione di fusi e convezione del mantello ai fenomeni di superficie. I dati termochimici e termofisici sui solidi attualmente a disposizione in molti casi danno nel calcolo dei diagrammi di fase risultati inconsistenti con i dati della petrologia sperimentale. Il miglioramento del “data base” è di fondamentale interesse per la determinazione degli equilibri di fase in silicati, ossidi e metalli, con una varietà di applicazioni non solo in campo geofisico, ma anche metallurgico o in scienza dei materiali.
Aspetti fondamentali del comportamento dei minerali riguardano la conoscenza della risposta elastica a specifiche condizioni di P e T, le loro transizioni di fase strutturali, la loro stabilità e le modalità di fusione. La presenza simultanea di vari minerali pone inoltre domande aggiuntive sulla loro interazione, descritta in termini di diagrammi di fase binari in funzione di composizione, P e T.
Per ottenere le necessarie informazioni sui coefficienti di compressibilità e di espansione termica dei materiali terrestri, sui campi di stabilità strutturale e le possibile trasformazioni di fase, spesso reversibili, occorre poter studiare in situ questi materiali in condizioni di alta pressione e/o alta temperatura. Fortunatamente oggi il progresso delle tecniche di indagine permette un discreto approccio sperimentale al problema. Da un lato sofisticate celle ad incudine di diamante (DAC) permettono lo studio di cristalli singoli o di polveri a pressioni elevatissime (decine di GPa) con metodi di diffrattometria (anche con l’impiego di radiazioni da sorgenti non convenzionali, quali la luce di sincrotrone o i neutroni) o con metodi spettroscopici (IR o Raman). Dall’altro, fornaci appositamente concepite per cristallo singolo sono in grado di scaldare i campioni per indagini strutturali a temperature superiori ai 1000°C. Ancora purtroppo molto scarsi gli studi combinati in alta pressione e temperatura, per le grandi difficoltà sperimentali. Anche limitandosi all’applicazione di alta pressione o di alta temperatura, si tratta comunque di tecniche sperimentali difficili, che richiedono una grande esperienza e manualità da parte degli operatori.
Le ricerche sperimentali possono essere convenientemente affiancate e integrate da metodi teorici di calcolo sulle forze fondamentali che regolano il comportamento chimico-fisico dei solidi, estendendolo a condizioni estreme di P e T di difficile realizzazione in laboratorio.
Il presente progetto di ricerca sarà incentrato sullo studio in situ ad alta pressione e ad alta temperatura di alcuni ossidi e silicati rilevanti nelle scienze della terra attraverso la diffrattometria a raggi X da cristallo singolo. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Gli studi mineralogici in condizioni non ambientali costituiscono attualmente un campo di ricerca delle Scienze della Terra vitalissimo e in continua espansione, sia a livello nazionale che internazionale.
Qualche decina di anni fa lo studio dei solidi in condizioni estreme di temperatura e di pressione rappresentava un argomento esotico, materia di studio di pochi scienziati sparsi in pochissimi laboratori nel mondo. La mancanza totale di osservazioni dirette a grandi profondità all'interno del nostro pianeta ha sempre posto numerosi limiti alla comprensione dei meccanismi che interessano la geodinamica profonda.
Oggi il progresso delle tecniche di indagine permette un discreto approccio sperimentale al problema. Da un lato sofisticate celle ad incudine di diamante (DAC) permettono lo studio di cristalli singoli o di polveri a pressioni elevatissime (decine di GPa) con metodi di diffrattometria (anche con l’impiego di radiazioni da sorgenti non convenzionali, quali la luce di sincrotrone o i neutroni) o con metodi spettroscopici (IR o Raman). Dall’altro, fornaci appositamente concepite per cristallo singolo sono in grado di scaldare i campioni per indagini strutturali a temperature superiori ai 1000°C.
Le ricerche sperimentali possono essere convenientemente affiancate e integrate da metodi teorici di calcolo sulle forze fondamentali che regolano il comportamento chimico-fisico dei solidi, estendendolo a condizioni estreme di P e T di difficile realizzazione in laboratorio.

Presso il Laboratorio di Cristallografia di Perugia ricerche in diffrattometria da cristallo singolo in condizioni non ambientali sono svolte da una ventina di anni e i ricercatori ivi operanti hanno ottenuto in questi anni buoni successi, testimoniati dall’acclusa bibliografia, raggiungendo lusinghieri riconoscimenti in campo internazionale. Molte le collaborazioni con Laboratori stranieri di chiara fama (Bayreuth Geological Institut, ESRF Grenoble, ISIS Oxford). In questo periodo di tempo anche le tecniche di indagine e i mezzi a disposizione dei ricercatori sono notevolmente migliorati, con l’acquisizione di nuove celle a incudine di diamante e soprattutto apparecchiature per la diffrazione di grande sensibilità (diffrattometro a 4 cerchi con rivelatore areale CCD accoppiato con il rivelatore a scintillazione tradizionale). Buoni risultati, a conferma di una profonda conoscenza delle problematiche sperimentali in condizioni non ambientali, sono stati raggiunti a Torino anche nel campo delle sintesi e dei calcoli teorici ab initio con metodi quantomeccanici, e a Padova e Pavia con studi in alta temperatura (si veda la bibliografia acclusa). Anche in queste sedi sono a disposizione diffrattometri con rivelatore areale. Recentemente a TO, PD e PV sono state acquisite strumentazioni per poter effettuare studi in alta pressione.
Perciò le sinergie dei quattro gruppi, ognuno con la propria esperienza sperimentale e teorica e le apparecchiature specifiche da mettere in compartecipazione, danno ampie garanzie che il progetto comune possa essere sviluppato con risultati soddisfacenti. <<<