RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Analisi integrata dei deposititi solfatici su Marte

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - SCIENZE DELLA TERRA E GEOLOGICO-AMBIENTALI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Roberto Barbieri

Descrizione

Questa ricerca si propone di indagare ambienti e paleoambienti iperalini continentali nei quali le precipitazioni evaporitiche (in particolare i solfati) ne sono il fattore caratterizzante. Costituiscono oggetto dell’indagine i prodotti delle interazioni tra microrganismi e ambiente fisico-chimico e ciò che di queste interazioni può essere preservato nel record fossile. A tal fine, la ricerca indagherà in modo comparato sistemi moderni e fossili, così da descrivere e interpretare i prodotti permamenti dell’attività biologica che vengono consegnati al record geologico. Questa indagine intende perciò offrire un quadro esauriente della geomicrobiologia e microchimica di sistemi evaporitici continentali di tipo sabkha/playa che costituiscono il modello sedimentario proposto per i depositi di solfati recentemente riconosciuti sulla superifice di Marte. L’obiettivo finale consiste quindi in una valutazione del potenziale astrobiologico di questo tipo di ambienti evaporitici.

AREE DI INDAGINE
Per quanto riguarda le aree e gli ambienti, i casi che saranno presi in considerazione sono:
1) Sistemi attuali e depositi fossili di sabkha continentale della Tunisia meridionale (regione dei Chott el Gharsa, Chott el Jerid e Chott el Fejej). Questi sistemi presentano diversi vantaggi: a) facile accessibilità; b) condizioni ambientali adeguatamente estreme, soprattutto in termini di aridità e di escursione termica, precipitazioni saline di tipo diverso (carbonati e, soprattutto, solfati e cloruri). Inoltre, facies di sabkha sono presenti in unità fossili con età che comprendono il Paleocene superiore, Eocene inferiore e superiore, Pleistocene, fino alle sabkha attuali degli odierni chotts.
2) Sistemi evaporitici attuali e depositi fossili del deserto di Atacama (Cile). Riassumendo, gli habitat e i depositi, moderni e fossili, di maggior interesse in questa regione e legati a precipitazione evaporitica sono i seguenti: a) depositi attuali di laghi salati poco profondi (tipo playa), tutt’ora attivi (es.: Salar de Atacama e Salar de Uyuni), nei quali sono presenti i più estesi depositi di sale (alite) del nostro pianeta; b) depositi salini (nitrati e solfati), derivanti dal disseccamento di laghi salati poco profondi. Per diversi aspetti questi depositi sono confrontabili con quelli delle sabkha del Nord Africa e, oltre a una relativamente facile accessibilità, questi sistemi offrono il vantaggio di condizioni fortemente estreme - soprattutto in termini di aridità estrema, alti livelli di radiazioni UV e condizioni ossidanti dei suoli - che li rende per diversi aspetti confrontabili con le condizioni della superficie marziana; c) evaporiti fossili (solfati ed alite) prodotte da playa di età mio-pliocenica. Per la loro natura non alterata (non sono presenti processi di successiva reidratazione), e per le condizioni di formazione del tutto simili alle controparti attuali, questi depositi fossili dovrebbero presentare tessiture primarie molto ben preservate. Questi depositi fossili possono quindi costituire un eccellente analogo delle playa attive per determinare tipologia e grado di preservazione delle segnature microbiologiche.

SINERGIE CON ALTRI PROGETTI IN CORSO
Questo progetto di ricerca si integra con altri progetti avviati o sottoposti da questa unità di ricerca, attraverso i quali sarà possibile stabilire utili sinergie sia dal punto di vista analitico che da quello legato alle indagini di parte dei sistemi naturali sopra descritti. In particolare ci si riferisce ai seguenti progetti:
1) Accord CNR-CNRS (Italie-France), Project conjoint de recherche (2006-2007), dedicato alla fossilizazione microbica in ambienti estremi. Il progetto è sviluppato in parte a Bologna, presso il Dipartimento di Scienze della Terra, e in parte presso il Centre de Biophysique Moleculaire del CNRS di Orléans. Questo progetto è già attivo e permetterà l’utilizzo di parte dei metodi analitici previsti per questa ricerca (in particolare l’uso della miscroscopia elettronica a trasmissione TEM), oltre al reciproco scambio di esperienze con uno dei centri di ricerca astrobiologica fra i qualificati d’Europa.
2) Programma strategico dell’Università di Bologna (2006-2007), dedicato alla geologia dei Salar di Atacama. Questo progetto multidisciplinare coinvolge numerosi geologi del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Bologna. Il progetto è al momento ancora sottoposto ai revisori. Esso potrebbe agevolmente permettere utili sinergie per effettuare il lavoro congiunto di terreno, in particolare per quanto riguarda le unità fossili di età mio-pliocenica.

OBIETTIVI
Allo scopo di mettere in rilievo le interazioni tra microrganismi e ambiente fisico, per habitat accomunati da precipitazione evaporitica, questa ricerca si propone una serie di obiettivi raggruppabili come segue:
1) Obiettivi connessi con le analisi morfologiche e con segnature di tipo organico:
a) Valutazione delle comunità microbiologiche (incluse quelle endolitiche), del loro tipo e distribuzione, delle modalità di degrado biologico per cianobatteri, batteri alofili, biofilm e mucillagini nelle aree e ambienti moderni sopra menzionati.
b) Studio delle evidenze morfologiche di attività biologica (microbialiti, cellule e loro resti) e del loro potenziale di preservazione nei depositi sopra menzionali.
c) Analisi comparata tra i risultati ottenuti dagli ambienti moderni e le morfologie riconoscibili in depositi fossili che siano confrontabili in termini eco-ambientali.
2) Obiettivi connessi con analisi bio-geochimiche:
a) Studio degli isotopi stabili (rapporto isotopico dello zolfo, 34S/32S, e del carbonio, 13C/12C), per valutare il contributo dei prodotti della degradazione microbica durante la precipitazione dei solfati.
b) Analisi delle inclusioni fluide (in particolare i fluidi acquosi), nei depositi evaporatici di aree significative delle sabkha tunisine e dei salar di Atacama, per determinare l'ambiente chimico-fisico.
3) Obiettivi connessi con tecniche di analisi:
a) Messa a punto di tecniche di analisi comparata in microscopia ottica ed elettronica per le segnature di attività biologica preservate nei depositi minerali e per valuare il degrado progressivo di comunità microbiche moderne.
b) Messa a punto di tecniche di microscopia elettronica (associate all'uso del TEM e dei sistemi FIB, si veda al punto "Metodi di indagine") atte a riconoscere la possibile (ma ancora non provata) esistenza di fenomeni di permineralizzazione di strutture di origine organiche che coinvolgano i solfati (in particolare il gesso).

METODI DI INDAGINE
Le indagini si compongono di parti da svolgersi sul terreno e parti in laboratorio. Mentre il lavoro sul terreno vedrà l’attività di questa unità di ricerca in associazione con altre (in particolare l’unità dell’Università D’Annunzio) per valutare contesto geologico e facies, riconoscere strutture bioindotte e per i campionamenti, l’attività di laboratorio sarà svolta indipendentemente e/o attraverso collaborazioni già stabilite con departimenti e laboratori esteri. Nel dettaglio:
1) Indagini di terreno saranno effettuate prima e durante le fasi di campionamento per contestualizzare i campionamenti rispetto al loro ambiente o al livello stratigrafico di provenienza. Sul terreno saranno inoltre valutate strutture bio-sedimentarie, ove presenti, e le possibili relazioni con comunità microbiologiche, oppure le strutture non biologiche o comunque indipendenti dall'ecosistema che si intende indagare. Le indagini di terreno, anche se di durata complessivamente ridotta rispetto all’attività di laboratorio, saranno cruciali per inquadrare gli habitat e il loro contesto alla scala dell’affioramento.
2) Osservazioni di microscopia ottica saranno effettuate attraverso microscopi binoculari standard e microscopi per biologia a contrasto di fase.
3) Osservazioni di microscopia elettronica saranno effettuate su preparati biologici, attraverso un microscopio elettronico ambientale (ESEM). I campioni minerali, mineralizzati e comunque non biologici saranno indagati con diversi microscopi elettronici a scansione (SEM), anche con tecniche BSE (elettroni retrodiffusi) per migliorare il contrasto delle immagini nei casi di presenza di composizioni diverse. Le composizioni elementali e la loro distribuzione (compresa quella del carbonio organico) sarà effettuata con l'uso di microanalisi associate ai SEM, ivi compreso un sistema di microanalisi per campioni estremamente piccoli (ordine dei 0.05 µm). Una nuova tecnica di osservazione, ancora sperimentale su rocce e altri prodotti geologici, è quella offerta da un sistema Focused Ion Beam (FIB) associato a un SEM-FEG (Field Emission Gun), essa permette ricostruzioni tridimensionali dell'oggetto di indagine.
4) Le analisi di laboratorio comprendono quelle sugli isotopi stabili di carbonio e zolfo, di diffrattometria ai raggi X e analisi termiche, per riconoscere le specie minerali presenti, e altre analisi, come quelle sul TOC (total organic carbon). Saranno inoltre usate tecniche di microspettrofotometria Raman (MRAMAN) su campioni minerali per riconoscere strutture mineralizzate ma aventi una possibile origine organica.
5) Lo studio delle inclusioni fluide verrà effettuato utilizzando un apparato microtermometrico (Linkam THMSG 600). Questo apparato, controllato elettronicamente, utilizza un microscopio tipo Olympus BX51 per misurare con notevole precisione le temperature alle quali hanno luogo le transizioni di fase del fluido contenuto nelle inclusioni. Queste transizioni permettono di identificare dei vincoli composizionali precisi sulla composizione chimica, quali salinità totale ed identificazione delle specie chimiche presenti nelle fasi liquide e gassose del fluido. Analisi chimiche quantitative del fluido contenuto in singole inclusioni fluide potranno essere effettuate utilizzando il sistema di LA-ICP-MS (Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry).

DISPONIBILITA’ DEGLI STRUMENTI ANALITICI
- Gli strumenti analitici già presenti presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Bologna e utilizzabili per questa ricerca sono: alcuni microscopi ottici stereo Wild M8, uno stereomicroscopio a contrasto di fase Leitz, e un Olympus BX51; 2 microscopi elettronici (Jeol e Philips), uno dei quali equipaggiato con microanalisi; un diffrattometro Philips; laboratorio per analisi termiche; apparato microtermometrico Linkam THMSG 600.
- Presso il il Centro Grandi Strumenti dell’Università di Modena saranno utilizzate le seguenti apparecchiature: microscopi elettronici a scansione equipaggiati con EDS di ultima generazione; SEM-FEG (Field Emission Gun) associato a un sistema FIB; SEM ambientale (ESEM); micro-spettrofotometro Raman (MRAMAN).
- Un accordo di ricerca in atto con il Trace Element and Micro Analysis Group del Prof. D. Günther dell’ETH di Zurigo permetterà l’utilizzo del Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry LA-ICP-MS e della microanalisi microEnergy Dispersive X-Ray Fluorescence.
- Le analisi di geochimica isotopica saranno effettuate sulla base di un accordo di ricerca già in atto con il Dr. Giovanni Aloisi, dell’Université Claude Bernard di Lione, e presso il Godwin Laboratory dell'Università di Cambridge (GB).

RISULTATI ATTESI
1) Creazione di un catalogo delle morfologie bioindotte (alla scala micro-, meso- e macroscopica) ed evidenze biogeochimiche, connesse con la chimica del metabolismo microbico, in grado di essere preservate, e quindi riconoscibili, nel record fossile per gli ambienti e i depositi considerati in questa ricerca.
2) Accertamento dell’ambiente chimico-fisico, per aree definite e significative scelte sulla base delle loro segnature geomicrobiologiche, attraverso le caratteristiche dei fluidi intrappolati e l’identificazione delle specie chimiche presenti nelle inclusioni dei minerali evaporatici.
3) Predisposizione di tecniche di preparazione e osservazione in microscopia elettronica atte a valutare, eliminare o circoscrivere gli effetti indotti sui risultati dalla mera preparazione/tipo di osservazione dei campioni originali.