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.

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.

Indagine modellistica sulla tenuta idraulica delle difese arginali deputate alla protezione idraulica del territorio

La prima parte di questo lavoro di tesi tratta dell’interazione tra un bacino di laminazione e il sottostante acquifero: è in fase di progetto, infatti, la costruzione di una cassa di espansione sul torrente Baganza, a monte della città di Parma. L’obiettivo di tale intervento è di ridurre il rischio di esondazione immagazzinando temporaneamente, in un serbatoio artificiale, la parte più pericolosa del volume di piena che verrebbe rilasciata successivamente con portate che possono essere agevolmente contenute nel tratto cittadino del torrente. L’acquifero è stato preliminarmente indagato e monitorato permettendone la caratterizzazione litostratigrafica. La stratigrafia si può riassumere in una sequenza di strati ghiaioso-sabbiosi con successione di lenti d’argilla più o meno spesse e continue, distinguendo due acquiferi differenti (uno freatico ed uno confinato). Nel presente studio si fa riferimento al solo acquifero superficiale che è stato modellato numericamente, alle differenze finite, per mezzo del software MODFLOW_2005. L'obiettivo del presente lavoro è di rappresentare il sistema acquifero nelle condizioni attuali (in assenza di alcuna opera) e di progetto. La calibrazione è stata condotta in condizioni stazionarie utilizzando i livelli piezometrici raccolti nei punti d’osservazione durante la primavera del 2013. I valori di conducibilità idraulica sono stati stimati per mezzo di un approccio geostatistico Bayesiano. Il codice utilizzato per la stima è il bgaPEST, un software gratuito per la soluzione di problemi inversi fortemente parametrizzati, sviluppato sulla base dei protocolli del software PEST. La metodologia inversa stima il campo di conducibilità idraulica combinando osservazioni sullo stato del sistema (livelli piezometrici nel caso in esame) e informazioni a-priori sulla struttura dei parametri incogniti. La procedura inversa richiede il calcolo della sensitività di ciascuna osservazione a ciascuno dei parametri stimati; questa è stata valutata in maniera efficiente facendo ricorso ad una formulazione agli stati aggiunti del codice in avanti MODFLOW_2005_Adjoint. I risultati della metodologia sono coerenti con la natura alluvionale dell'acquifero indagato e con le informazioni raccolte nei punti di osservazione. Il modello calibrato può quindi essere utilizzato come supporto alla progettazione e gestione dell’opera di laminazione. La seconda parte di questa tesi tratta l'analisi delle sollecitazioni indotte dai percorsi di flusso preferenziali causati da fenomeni di piping all’interno dei rilevati arginali. Tali percorsi preferenziali possono essere dovuti alla presenza di gallerie scavate da animali selvatici. Questo studio è stato ispirato dal crollo del rilevato arginale del Fiume Secchia (Modena), che si è verificato in gennaio 2014 a seguito di un evento alluvionale, durante il quale il livello dell'acqua non ha mai raggiunto la sommità arginale. La commissione scientifica, la cui relazione finale fornisce i dati utilizzati per questo studio, ha attribuito, con molta probabilità, il crollo del rilevato alla presenza di tane di animali. Con lo scopo di analizzare il comportamento del rilevato in condizioni integre e in condizioni modificate dall'esistenza di un tunnel che attraversa il manufatto arginale, è stato realizzato un modello numerico 3D dell’argine mediante i noti software Femwater e Feflow. I modelli descrivono le infiltrazioni all'interno del rilevato considerando il terreno in entrambe le porzioni sature ed insature, adottando la tecnica agli elementi finiti. La tana è stata rappresentata da elementi con elevata permeabilità e porosità, i cui valori sono stati modificati al fine di valutare le diverse influenze sui flussi e sui contenuti idrici. Per valutare se le situazioni analizzate presentino o meno il verificarsi del fenomeno di erosione, sono stati calcolati i valori del fattore di sicurezza. Questo è stato valutato in differenti modi, tra cui quello recentemente proposto da Richards e Reddy (2014), che si riferisce al criterio di energia cinetica critica. In ultima analisi è stato utilizzato il modello di Bonelli (2007) per calcolare il tempo di erosione ed il tempo rimanente al collasso del rilevato.

Geochemical and Sr, Nd, Pb isotope investigation of the New Caledonia ophiolite

The New Caledonia ophiolite hosts one of the largest obducted mantle section in the world, hence providing a unique insight for the study of upper mantle processes. These mantle rocks belong to an “atypical” ophiolitic sequence, which is dominated by refractory harzburgites but it also includes minor spinel and plagioclase lherzolites. Upper crust is notably absent in the ophiolite, with the exception of some mafic-ultramafic cumulates cropping out in the southern part of the island. Although the New Caledonia ophiolite has been under investigation for decades, its ultra-depleted nature has made its characterization an analytical challenge, so that few trace element data are available, while isotopic data are completely missing. In this thesis a comprehensive geochemical study (major, trace element and Sr-Nd-Pb isotopes) of the peridotites and the associated intrusive mafic rocks from the New Caledonia ophiolite has been carried out. The peridotites are low-strain tectonites showing porphyroclastic textures. Spinel lherzolites are undepleted lithotypes, as attested by the presence of 7-8 vol% of Na2O and Al2O3-rich clinopyroxene (up to 0.5 wt% Na2O; 6.5 wt% Al2O3), Fo content of olivine (88.5-90.0 mol%) and low Cr# of spinel (13-17). Conversely, harzburgites display a refractory nature, proven by the remarkable absence of primary clinopyroxene, very high Fo content in olivine (90.9-92.9 mol%), high Mg# in orthopyroxene (89.8-94.2) and Cr# in spinel (39-71). REE contents show abyssal-type patterns for spinel lherzolites, while harzburgites display U-shaped patterns, typical of fore-arc settings. Spinel lherzolites REE compositions are consistent with relatively low degree (8-9%) of fractional melting of a DMM source, starting in the garnet stability field. Conversely, REE models for harzburgites indicate high melting degrees (20-25%) of a DMM mantle source under spinel faies conditions, consistent with hydrous melting in forearc setting. Plagioclase lherzolites exhibit melt impregnation microtextures, Cr- and TiO2-enriched spinels and REE, Ti, Y, Zr progressive increase with respect to spinel lherzolites. Impregnation models indicate that plagioclase lherzolites may derive from spinel lherzolites by entrapment of highly depleted MORB melts in the shallow oceanic lithosphere. Mafic intrusives are olivine gabbronorites with a very refractory composition, as attested by high Fo content of olivine (87.3-88.9 mol.%), very high Mg# of clinopyroxene (87.7-92.2) and extreme anorthitic content of plagioclase (An = 90-96 mol%). The high Mg#, low TiO2 concentrations in pyroxenes and the anorthitic composition of plagioclase point out an origin from ultra-depleted primitive magmas in a convergent setting. Geochemical trace element models show that the parental melts of gabbronorites are primitive magmas with striking depleted compositions, bearing only in part similarities with the primitive boninitic melts of Bonin Islands. The first Sr, Nd and Pb isotope data obtained for the New Caledonia ophiolite highlight the presence of DM mantle source variably modified by different processes. Nd-Sr-Pb isotopic ratios for the lherzolites (+6.98≤epsilon Ndi≤+10.97) indicate a DM source that suffered low-temperature hydrothermal reactions. Harzburgites are characterized by a wide variation of Sr, Nd and Pb isotopic values, extending from DM-type to EM2 compositions (-0.82≤ epsilon Ndi≤+17.55), suggesting that harzburgite source was strongly affected by subduction-related processes. Conversely, combined trace element and Sr-Nd-Pb isotopic data for gabbronorites indicate a derivation from a source with composition similar to Indian-type mantle, but affected by fluid input in subduction environment. These geochemical features point out an evolution in a pre-Eocenic marginal basin setting, possibly in the proximity of a transform fault, for the lherzolites. Conversely, the harzburgites acquired their main geochemical and isotopic fingerprint in subduction zone setting.