RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Analisi integrata dei deposititi solfatici su Marte

Università di riferimento

Università degli Studi di PARMA - SCIENZE DELLA TERRA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Maria Sgavetti

Descrizione

MOTIVAZIONI
In base alle caratteristiche di facies, le rocce solfatiche di Marte meglio studiate risultano essere sedimenti ridepositati, mentre non sono state fino ad ora riportate evidenze di facies autoctone. Il candidtato più accreditato ad essere un bacino evaporitico, il Gusev Crater, si è rivelato non essere un lago. Sono state anche trovate rocce isolate ricche in sali evaporitici, ma non correlabili con contesti geologici plausibili per la loro genesi. Altri materiali, privi di evidenze di silicati o di ossidi di ferro, sono stati invece osservati associati a complessi vulcanici. L’origine dei solfati e delle rocce evaporitiche in generale su Marte rimane pertanto una questione aperta. Il telerilevamento spettroscopico ad alta risoluzione è uno strumento utile per la identificazione della composizione di rocce e suoli e per la loro mappatura, purché si abbiano a disposizione i necessari criteri di analisi.

OBIETTIVI
Gli obiettivi di questo progetto sono la caratterizzazione spettroscopica di solfati e altri composti evaporitici e di alterazione presenti sulla superficie di Marte, e la loro integrazione nei contesti deposizionali e tettonici individuati dalle altre Unità di Ricerca del progetto. L'obiettivo finale è la descrizione geologicamente coerente di aree di Marte in cui sono stati identificati solfuri

PROGETTO
Introduzione
La caratterizzazione spettrale di rocce evaporitiche e prodotti di alterazione che possono essere presenti su Marte si basa su criteri che devono essere stabiliti con l’analisi di rocce terrestri. In questo progetto, analisi spettroscopiche di riflettanza in laboratorio e in determinate aree sul terreno sono previste per campioni scelti in funzione dei materiali geologici osservati o ipotizzati su Marte. Le librerie di spettri di laboratorio e in situ e le facies spettrali identificate nel set di spettri rappresenteranno il riferimento per la deconvoluzione e la interpretazione degli spettri da remoto. Le facies spettrali sono associazioni di strutture di assorbimento che caratterizzano uno spettro, descrivono sinteticamente le proprietà spettrali della roccia e sono correlate con la composizione chimica e mineralogica delle rocce stesse. Rappresentano quindi le unità spettrali che compongono una superficie. La tessitura spettrale è la variazione delle caratteristiche spettrali nell’ambito della superficie di un campione, ed è correlata con la tessitura della roccia.

Caratteristiche spettoscopiche a varia scala di solfati, solfuri e alogenuri.
1. Principi spettroscopici
Il gruppo funzionale SO4 nei solfati è caratterizzato spettroscopicamente dagli assorbimenti vibrazionali, i cui modi fondamentali hanno luogo nel medio infrarosso oltre i 9 micron e non producono overtoni e combinazioni di modi nell’infrarosso vicino (Hunt et al., 1971). I solfati possono contenere l’anione OH e diverse quantità di acqua in siti cristallini definiti. Le bande di assorbimento dovute ai fondamentali di O-H e H-O-H avvengono tra i 2.5 e i 5 micron, con overtoni vicini a 1.4 e 1.9 micron. La combinazione catione-OH forma un gruppo funzionale con overtoni tra 4 e 5 micron, e ulteriori combinazione di OH e X-OH (X = catione) producono assorbimenti prossimi a 2.33, 2.17, 1.8, 1.27 micron. Impurità quali altri cationi producono bande di assorbimento elettroniche nel visibile. Gli spettri di solfuri e cloruri sono dominati da processi elettronici che avvengono nei cationi, e sono quindi particolarmente sensibili alla presenza di ferro.
2. Analisi di spettri di miscele di minerali e rocce
Sulla base del principio della combinazione lineare degli assorbimenti dei minerali componenti una miscela, la analisi quantitativa viene fatta con decomposizione lineare usando come end member spettri di minerali puri (es., Wyatt et al., 2001).
Nel visibile e infrarosso visino, la combinazione non lineare degli spettri dei minerali componenti rende particolarmente difficile l’analisi quantitativa. Metodi quantitativi per la deconvoluzione degli spettri di miscele di polveri si basano in genere su calcoli teorici della equazione di trasferimento radiativi, con costanti ottiche dei minerali derivate empiricamente. Informazioni semiquantitative su miscele di minerali e qualche tipo di roccia usano tecniche come il modello MGM (Sunshine et al., 1990), che produce una decomposizione dello spettro in un certo numero di processi causa di assorbimento di energia. Per questo progetto, verrà usata la routine MGM con miglioramenti nei parametri statistici per la selezione del miglior fit.
3. Spettroscopia a varie scale.
Il sensore iperspettrale a immagine OMEGA su Mars Express opera da orbita nell’intervallo 0.35-5.1 micron, con risoluzione spaziale da 300 m a 5 km, con acquisizione in 352 e 400 bande, e con variabile risoluzione spettrale nei diversi intervalli di lunghezza d’onda.
Come discusso in precedenza, la combinazione non lineare di spettri di diversi minerali in un suolo o roccia e la combinazione lineare di spettri di materiali diversi in un pixel interagiscono nel determinare lo spettro del pixel. La interpretazione dei dati spettrali da remoto può essere aiutata dalla caratterizzazione spettrale dei materiali geologici con spettroscopia in laboratorio e in situ (scala dell’affioramento).

Acquisizione e analisi dei dati
1. Scelta degli end member
Il modello geochimico sviluppato per le rocce di Meridiani Planum indica un insieme di minerali evaporitici e di alterazione, che possono trovarsi anche in rocce terrestri; alcuni possono essere sintetizzati in laboratorio. Inoltre, dati TES e Mini-TES degli affioramenti di Meridiani Planum hanno evidenziato una importante componente spettrale attribuita a polvere vulcanica ricoprente le rocce (Christensen et al., 2004, Squyres et al., 2004). Quindi, nella scelta degli end member per la caratterizzazione spettrale dei solfati di Marte si considerano anche prodotti vulcanici.
Rocce e sedimenti considerati sono:
a. Depositi evaporitici della Sicilia meridionale e Appennino centrale e settentrionale, con varie composizioni, alterazioni, impurità, tessiture e grado di cristallinità, forniti dal Gruppo di ricerca sui depositi salini del Dipartimento di Scienze della Terra,UNI PR. I campioni comprendono: gesso primario e secondario, selenite, alite, gesso risedimentato di varia granulometria, campioni laminati e a bande di gesso e materiale silicoclastico, anidrite, inclusi di anidrite in gesso con areola di transizione.
b. Depositi idrotermali dalla Solfatara di Pozzuoli. Ignimbriti molto alcaline ricoprono un complesso vulcanico a composizione prevalentemente trachitica (Rosi e Sbrana, ed., 1987). Il sistema idrotermale mostra una zonazione con diverse associazioni di minerali, formatisi a diverse temperature, comprendenti minerali argillosi, solfati e solfuri.
c. Rocce basaltiche e depositi piroclastici dei vulcani Etna e Vulcano. La moda dei basalti del Monte Etna consiste principalmente di plagioclasi, clinopirosseni, olivina e opachi, presenti come fenocristalli in una pasta di fondo per lo più microcristallina e amorfa. L’alterazione sineffusiva agisce in profondità sulla roccia. L’alterazione tardiva forma rivestimenti a granulometria fine. Minerali solfatici sono abbondanti in prossimità dei bordi dei crateri. I basalti di Vulcano contengono fenocristalli di olivina; la pasta di fondo comprende plagioclasio diopsidico-sialitico (basalto prìmitivo), plagioclasio zonato labradoritico-bytownitico (scorie recenti) e vetro siliceo (De Astis et al., 1997). Alcuni campioni presentano croste di solfosali.
d. Rocce basaltiche da crosta oceanica, con alterazione idrotermale. Molti campioni presentano una spessa crosta, in cui le variazioni di composizione sono visivamente espresse da variazioni di colore dall’interno alla superficie.
Per i punti b e c, sono previste misure spettroscopiche sul terreno, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geofisica (INGV).
e. Idrossilati che possono formarsi come precursori dell’ematite vengono sintetizzati in laboratorio, in quantità sufficiente per le analisi spettroscopiche. Le variabili di input sono rocce contenenti Fe2+ e fluidi contenenti SO42-, Cl-, CO32-. I parametri fisici e chimici sono T, stress meccanico, pH, Eh. I sali idrossilati precipitano con complessi processi di ossidazione-deprotonazione-idrolisi sui minerali di Fe2+, e contengono anioni come componenti strutturali essenziali. Questi sali, o green rust, sono caratterizzati da diversi rapporti Fe2+/Fe3+; gli anioni possono essere Cl-, SO42-. CO32-. I green rust, prodotti intermedi del processo, possono trovarsi in natura, sebbene siano fasi poco ordinate che, per ossidazione e deidrossilazione, possono trasformarsi in ematite (anche a seguito di shock meccanici). I green rust possono comunque essere stabili nell’atmosfera a basso contenuto di ossigeno di Marte, e la loro individuazione può: essere una importante indicazione di questi processi; essere una spiegazione dell’alto contenuto in SO4 (Cl, CO3) nel suolo marziano; e rappresentare una possibile alternativa per i precursori dell’ematite.
2. Preparazione dei campioni
Le misure spettroscopiche di laboratorio sono fatte su:
a. tranci di roccia tal-quale, levigati, per ottenere le caratteristiche spettrali della roccia originaria;
b. sezioni dello spessore alterato, per ottenere profili spettrali dell’alterazione;
c. miscele a due e tre componenti di minerali evaporatici e ignei, con variazione sistematica delle quantità relative; vengono preparate anche miscele che riproducono composizioni riconosciute o ipotizzate per Marte. Da minerali puri separati dalle rocce e macinati si ottengono diverse classi graulometriche, e vengono preparate miscele di diverse percentuali di minerali e di diverse granulometrie;
d. precipitati di green rust molto puri vengono sintetizzati con deposizione elettrochimica su substrato d’oro, incorporando anioni come carbonati o cloruri (GR1) o solfati (GR2) (Peulon et al. 2003, 2004).
3. Misure spettroscopiche
Misure spettroscopiche in riflettanza in laboratorio vengono prevalentemente eseguite nell’intervallo 0.35-2.50 micron; nel secondo anno, dopo valutazione delle stato di avanzamento della ricerca, le misure potranno essere estese all’infrarosso medio. Sul terreno, vengono eseguite misure spettroscopiche in riflettanza tra 0.35 e 2.50 micron e di emissività nel medio infrarosso.
4. Procedure per l’analisi degli spettri
I diversi passaggi per l’analisi degli spettri a tutte le scale sono:
a. metodi empirici e statistici per la classificazione degli spettri di laboratorio, in situ e di pixel immagine, basati sulla geometria complessiva del profili spettrale dei pixel, come: analisi delle componenti principali, e comparazione tra spettri trasformati in vettori in uno spazio a n dimensioni;
b. analisi degli spettri di laboratorio, in situ, e di pixel rappresentativi delle classi definite statisticamente, applicando metodi di parametrizzazione delle bande e deconvoluzione con modelli basati su distribuzioni Gaussiane, per assegnare un significato mineralogico alle strutture di assorbimento riconosciute negli spettri;
c. mappatura dei pixel con significato mineralogico, applicando metodi basati sulle strutture di assorbimento.
5. Analisi petrografiche e geochimiche
Il significato composizionale delle strutture di assorbimento riconosciute negli spettri alle diverse scale è valutato con analisi petrografiche e chimiche sugli stessi campioni usati per le misure spettroscopiche di laboratorio e in situ. Le analisi comprendono:
a. analisi petrografiche modali;
b. diffrattometria a raggi X qualitativa e quantitativa di polveri;
c. analisi SEM-EDS;
d. analisi con microsonda elettronica EDS (Camera Camebax);
e. spettroscopia Mössbauer per determinare lo stato di valenza di Fe, l’occupanza dei siti e avere indicazioni sul grado di cristallinità;
f. spettroscopia Raman, a complemento della diffrazione a raggi X e spettroscopia Mössbauer, per caratterizzare i Green Rust.
6. Dati iperspettrali a disposizione:
a. dati da satellite (Hyperion) e da aereo (MIVIS) relativi al Monte Etna e a Vulcano (Italia);
b. analisi e classificazione di dati OMEGA.

Organizzazione temporale delle attività
Primo anno:
- scelta dei campioni per le analisi spettroscopiche di laboratorio;
- ulteriore campionamento nell’area della Solfatara di Pozzuoli;
- misure spettroscopiche di riflettanza in laboratorio nel visibile-infrarosso vicino;
- prima campagna sul terreno per misure di riflettanza (visibile-infrarosso vicino) e di emissività (medio infrarosso) sulla Solfatara, Etna e Vulcano;
- inizio delle analisi petrografiche e chimiche dei campioni di roccia;
- preparazione di polveri e miscele, e separazione dei minerali da rocce di particolare interesse;
- pre-processamento di dati OMEGA relativi ad aree campione, selezionate in accordo con le altre Unità di Ricerca: valutazione dell’ampiezza del rumore random, valutazione del segnale-rumore.
Secondo anno:
- completamento delle analisi petrografiche e chimiche dei campioni di roccia;
- analisi e interpretazione di dati spettrali, con attribuzione del significato composizionale e mineralogico alle strutture di assorbimento;
- eventualmente, misure spettroscopiche di riflettanza nell’infrarosso medio in laboratorio;
- seconda campagna sul terreno per misure spettroscopiche di riflettanza e di emissività;
- estrazione dalle immagini iperspettrali terrestri da remoto di profili spettrali di pixel significativi per l’interpretazione dei dati OMEGA nell’infrarosso medio
- calibrazione, interpretazione e classificazione di dati OMEGA e mappatura;
- integrazione dei dati OMEGA classificati con i risultati ottenuti dalle altre Unità di Ricerca.

Risultati
Le analisi forniranno:
a. Descrizione di facies spettrali, albedo e tessitura di rocce evaporitiche terrestri con vario grado di purezza, alle scale di laboratorio, terreno e da remoto.
b. Correlazione delle facies spettrali con i dati petrografici e composizionali, e con i contesti geologici terrestri cui le spettrofacies appartengono. Questo risultato è critico per la interpretazione geologica di aree di Marte.
c. Identificazione di facies spettrali, albedo e tessitura spettrale di rocce e suoli evaporitici di Marte con dati OMEGA.
d. Descrizione geologicamente coerente di aree su Marte in cui sono stati identificati solfati, con correlazione, in collaborazione con altre Unità di Ricerca, delle facies spettrali con i contesti deposizionali e tettonici riconosciuti.
e. Un risultato intermedio è la creazione di una libreria di spettri di laboratorio e in situ, contenente file di spettri e relative informazioni composizionali.
I risultati verranno presentati a congressi internazionali e nazionali e verranno pubblicati su riviste internazionali.

Sinergia con altri progetti (esterni al presente progetto)
Questo progetto si avvantaggerà della collaborazione con il gruppo di ricerca del Dipartimento di Scienze della terra, Università di Parma, che lavora sulla “Origine, cronologia e distribuzione dei depositi salini nei bacini del Mediterraneo centrale (Sicilia, Calabria e Toscana): implicazioni a grande scala per la crisi di salinità messiniana”.
Questo progetto inoltre integrerà parte dei dati acquisiti nel corso di uno studio in collaborazione con L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, sulla creazione di una banca dati di spettri di superfici con diverse caratteristiche composizionali.

Collaborazione, per questo progetto, con altri Istituti di Ricerca:
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – INGV, Roma
Dipartimento di Fisica Applicata – IFAC-CNR, Firenze
Dipartimento di Fisica – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN, Università di Lecce
Dipartimento di Mineralogia e Petrologia, Università di Padova