TCS Laboratori Multi-Scala

I laboratori e le infrastrutture sperimentali che si occupano dei processi della Terra utilizzano molteplici strumentazioni e metodologie per raccogliere ed elaborare dati e osservazioni al fine di comprendere i meccanismi che regolano l’evoluzione del Pianeta Terra e ne determinano rischi e risorse. In un panorama culturale che richiede una crescente interoperabilità e collaborazione all’interno della comunità scientifica, l’obiettivo strategico dei laboratori sperimentali e analitici per lo studio della Terra Solida è quello di strutturare politiche e consolidare protocolli tesi a massimizzare collaborazioni e a garantire l’uso sinergico delle loro risorse (i.e., dati standardizzati e di qualità e apparecchiature).

Fino a poco tempo fa, la maggior parte dei dati prodotti dai vari laboratori era disponibile solo in forma cartacea, con prodotti finali, (mappe, tabelle o grafici), di riutilizzo limitato, nonostante i bisogni della società in merito all’esplorazione delle risorse e la mitigazione dei rischi terrestri.

Il TCS Multiscale Laboratories (MSL; https://www.epos-eu.org/tcs/multi-scale-laboratories) è una comunità composta da oltre sessanta laboratori affiliati a undici istituzioni accademiche e di ricerca in otto paesi europei, cui afferiscono apparati sperimentali di riferimento mondiale, come microscopi elettronici, macchine per prove di deformazione e strumentazioni per misurazioni di magnetismo delle rocce, divisi in quattro sottodomini delle Scienze della Terra solida:

• Modellazione analogica di processi geodinamici, tettonici e vulcanologici con modelli opportunamente scalati sia spazialmente che temporalmente con i prototipi naturali.
• Proprietà fisiche di rocce, magmi, ceneri vulcaniche e faglie.
• Paleomagnetismo, per lo studio del campo magnetico terrestre e per la ricostruzione dello spostamento delle placche litosferiche nel corso dei tempi geologici
• Geochimica, per lo studio della composizione dei minerali e l’analisi dell'età delle rocce.

Il MSL si occupa, quindi, dei complessi processi che governano la Terra in un'ampia gamma di scale temporali e spaziali: dal picosecondo ai tempi geologici, dalle distanze atomiche a quelle continentali.

Le attività caratterizzanti il MSL sono il trans national access (TNA), ossia la condivisione e la messa a disposizione dei laboratori afferenti al TCS a ricercatori di tutto il mondo, e l’archiviazione, la gestione e la distribuzione dei dati promuovendone condivisione, riutilizzo e interoperabilità (FAIR).

In Italia

I laboratori italiani che afferiscono alla JRU di EPOS ITA come membri del MSL sono i laboratori delle Università di Roma TRE e Trieste, INGV, OGS, e IGG-CNR. Il coordinamento delle attività è gestito dall’Università Roma TRE.

I laboratori italiani del MSL hanno come obiettivo quello di:

• strutturare la rete dei laboratori italiani definendo regole di accesso e di successiva condivisione di metadati, dati e prodotti;
• raccogliere, omogenizzare e condividere metadati, dati e prodotti e metterli a disposizione sul portale del MSL;
• finalizzare l’operatività del servizio di TNA, a livello italiano e partecipando attivamente al tavolo di lavoro europeo;
• censire le infrastrutture dei Laboratori di EPOS-IT;
• mantenere gli strumenti coinvolti nelle TNA.

Univ. Roma TRE, Dipartimento di Scienze | Laboratorio di Tettonica sperimentale (LET) e il Laboratorio di Paleomagnetismo.

L’università di Roma Tre partecipa a EPOS MSL con due laboratori del Dipartimento di Scienze: il laboratorio di Tettonica sperimentale (LET) e il Laboratorio di Paleomagnetismo.

Laboratorio di Tettonica Sperimentale (LET) 

Il LET (Figura 1) nasce nel 1994 ed è il primo laboratorio di modellazione analogica in Italia ).

Attualmente riconosciuto come una delle strutture di riferimento in Europa per lo studio di processi tettonici e vulcano-tettonici attraverso modelli analogici appropriatamente scalati, il LET vanta di un’elevata produttività scientifica, testimoniata dai più di 150 articoli pubblicati in riviste internazionali.  

Gli esperimenti realizzati hanno lo scopo di riprodurre in una scala spaziale e temporale appropriata i processi geologici che caratterizzano la Terra. La calibrazione e l’utilizzo di materiali analoghi, il monitoraggio dell’evoluzione dei modelli e la comparazione dei risultati sperimentali con il prototipo naturale permettono non solo di capire meglio come funziona il nostro pianeta, ma anche di fornire informazioni utili alla valutazione della pericolosità associata fenomeni geologici, come sismicità e vulcanismo.

In particolare, l’attività scientifica del LET si focalizza su 5 linee di ricerca principali:

1. Deformazione a scala crostale, per la comprensione della variabilità dei sistemi naturali in funzione della resistenza fragile/duttile della crosta (Fig. 2a-b);
2. Deformazione a scala litosferica, con un focus sui processi di subduzione, relativa circolazione del mantello e topografia dinamica (Fig. 2c);
3. Processi magmatici, per lo studio della deformazione indotta dalla risalita di magma e messa in posto di plutoni, e collasso degli edifici vulcanici (Fig. 3);
4. Propagazione e rottura di faglie nella crosta e nella litosfera, con un focus sul comportamento sismogenetico della faglia di subduzione e la generazione di terremoti di elevata magnitudo (Fig. 4);
5. Interazione tra processi tettonici ed erosione, finalizzato alla comprensione dell’evoluzione del paesaggio (Fig. 5).

Il LET è coinvolto in numerosi progetti scientifici (e.g., PRIN-MIUR, Protezione Civile Nazionale, EC, NSF, ESF, EUROHORC) e attività di divulgazione (e.g., Commissione per l’educazione dell’Unione Europea Geoscienze EGU, Geo&Geo, Discovery Channel, Rai). Inoltre, numerosi sono i premi e le medaglie assegnati ai ricercatori del LET per l’alta qualità della produzione scientifica (e.g., premio EURYI 2005, Premio Galileo 2010, Prix Viquesnel 2013, medaglia EGU Stephan Muller 2014, Burgen Scholar Award 2009, EGU Outstanding Early Career Scientists Award 2018, Burov medal 2018, AGU medal 2018, Beniamino Segre Award 2019, Francis Birch Lecturer Award 2019, EGU Marie Tharp medal 2022).

Laboratorio di Paleomagnetismo

Il Laboratorio di Paleomagnetismo è stato istituito nel 1996. Il paleomagnetismo è una disciplina geofisica molto versatile che si occupa dello studio della magnetizzazione “fossile” delle rocce. Misurando, infatti, le proprietà magnetiche delle rocce, si può definire il campo magnetico terrestre del passato e le sue variazioni con lo scopo di ottenere informazioni utili non solo a ricostruire i processi tettonici e il contesto geodinamico di aree di interesse, ma anche a definire le condizioni eruttive e di messa in posto di prodotti vulcanici per la mitigazione del rischio.

Le principali linee di ricerca del laboratorio di Paleomagnetismo sono:

1. Analisi paleomagnetiche per la comprensione dell’evoluzione tettonica e contesto geodinamico dell’area del Mediterraneo, dell’Iran e del plateau anatolico;
2. Analisi di Anisotropia delle Suscettività Magnetica (AMS) per la caratterizzazione della deformazione di sedimenti e dell’evoluzione geologica delle aree del Mediterraneo occidentale (Marocco e Spagna meridionale) e meridionale; 
3. Analisi di Anisotropia delle Suscettività Magnetica (AMS) e Magnetizzazione Termica Rimanente (TRM) per la definizione delle modalità di estensione della crosta e risalita di magma, e delle direzione e temperatura di messa in posto di depositi piroclastici.

Dispone delle principali strumentazioni e strutture per la misura di campioni geologici. Il laboratorio si estende su una superficie di 18 mq ed è dotato delle seguenti strumentazioni:

• Magnetometro rotante JR6-A (Fig. 6a);
• Smagnetizzatore termico per campioni TD-48 ASC (Fig. 6b);
• Kappabridge KLY3 Agico (Fig. 6c);
• Magnetizzatore a impulsi ASC (Fig. 6d).

Il Laboratorio di Paleomagnetismo collabora con diverse Università ed Enti di Ricerca (INGV, Geological Survey of Iran, Tehran, Università degli Studi di Sassari,  Sapienza Università di Roma, Alpine Laboratory of Paleomagnetism (ALP), Institut für Geophysik - ETH, University of Tehran, University of Innsbruck) ed è coinvolto in diversi progetti scientifici (e.g., PRIN-MIUR) e in numerose attività di divulgazione, sia a livello europeo (Committee on Education -EGU) sia a livello nazionale (Piano Lauree Scientifiche).

Istituto nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS) | Laboratorio Core Logging

L’istituto nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS) partecipa a EPOS MSL con il laboratorio Core Logging (Fig. 1).

Il laboratorio è una struttura condivisa con il Dipartimento di Matematica e Geoscienze dell’Università degli studi di Trieste.

L’attività di ricerca del laboratorio si focalizza sull’analisi di sedimenti marini e campioni di roccia per studi geologici e paleoambientali. Attraverso misurazioni continue a scala centimetrica delle diverse proprietà fisiche e l’acquisizione di immagini e radiografie ad alta risoluzione, è possibile definire la stratigrafia e la correlazione tra carote di sedimento, una preliminare panoramica della litologia delle carote, un’acquisizione continua di dati per analisi di serie temporali e la migliore strategia di sub-campionamento.

In particolare, l’attività scientifica del Core Logging Lab si focalizza su X linee principali:

• Analisi delle strutture e proprietà fisiche dei sedimenti marini in aree polari finalizzate alla ricostruzione delle dinamiche glaciali per ricostruzioni paleoclimatiche

• Integrazione dei dati relativi ai valori di densità e velocità delle onde P per la creazione di sismogrammi sintetici da correlare con dati geofisici

• Studio delle facies marine

Il laboratorio è equipaggiato con:

1. Multi-Sensor Core Logger Geotek® (MSCL), che permette di misurare in modo non distruttivo l'attenuazione dei raggi gamma (valutatore di porosità di attenuazione dei raggi gamma, GRAPE), la velocità delle onde di compressione (velocità dell'onda P) e la quantità di materiale magneticamente suscettibile presente nel sedimento. Permette di acquisire dati in continuo, con un campionamento fino a 1mm.
2. GeoscanV, dedicato all’acquisizione di fotografie ad alta risoluzione e dati colore RGB sui campioni di sedimento attraverso una fotocamera digitale con sistema di illuminazione dedicato. Lo strumento produce immagini a 48-bit RGB Tiff, con risoluzione fino a 10 micron.
3. Standard X-RAY CT system costituito da sistema in acciaio rivestito di piombo posto su un armadio progettato per racchiudere completamente una sorgente di raggi X, un rivelatore e un campione di carota da esaminare. Lo strumento raccoglie immagini su carotaggi interi o aperti, attraverso rivestimenti in plastica o metallo, su carote fino a 1,5 m di lunghezza.Tutti i dati radiografici vengono acquisiti in conformità con ASTM D4452-14. Le radiografie hanno risoluzione da 40 a 300 micron in formato 16-bit Tiff.

Inoltre il Core Logging Lab è coinvolto in diversi progetti di ricerca e di servizio, e collabora con il PNRA, Programma Nazionale di Ricerche in Antartide per la raccolta dei dati su campioni marini antartici che poi vengono usati per il database del PNRA (progetti PNRA: SEDANOII, WEGA, EGLACOM, CORIBAR, HOLOFERN, ODYSSEA, + nuove analisi su campioni precedenti (IA91 DC, ANTA 97 e 98, BAY 05Collapse 2022).

Istituto di Geoscienze e Georisorse (IGG) del CNR | Laboratorio Geocronologia e Isotopi Radiogenici, Laboratorio Geochimica e Isotopi Stabili, Laboratorio Modellazione Tettonica, Laboratorio Microanalisi Geochimica

Le principali aree di indagine dell’IGG sono la geodinamica (tettonica a placche, ambienti geologici, geologia e geochimica planetaria, dinamica della crosta continentale), la geocronologia (su di un ampio spettro di scale temporali) e la vulcanologia fisica (in particolare orientata ai vulcani attivi del Sud Italia).

Le attività di ricerca comprendono la misurazione, il monitoraggio, la comprensione, l'interpretazione e la modellazione di processi geologici, geodinamici, geochimici e vulcanologici per l'analisi, la stima e la mitigazione di pericoli e rischi. IGG svolge attività di misura sul campo, analisi di laboratorio (approcci geochimici, analisi isotopica ed elementare, geocronologia isotopica e magnetica, caratterizzazione delle proprietà di rocce e minerali, tettonica sperimentale), analisi e interpretazione dei dati, sviluppo e implementazione di banche dati, simulazioni numeriche.  La piattaforma operativa IGG-CNR è in grado di fornire una serie integrata di servizi e prodotti di rilevanza strategica per gli studi geodinamici e ambientali.

È parte integrante delle attività dei Multi Scale Laboratories (MSL) di EPOS ERIC, della JRU EPOS Italia, dei progetti PNRR infrastrutturali ITINERIS e MEET, è stata parte attiva di progetti H2020 (es. ECOPOTENTIAL; INFRAIA-EUROVOLC; GEMEX), svolge ruolo operativo e scientifico fondamentale in progetti internazionali ECORD-IODP e ICDP, oltreché di progettualità nazionali quali il Progetto di Interesse NextData, e di numerosi progetti PRIN, PNRA, PRA e PON.

Nell’ambito della offerta analitica della JRU EPOS Italia, la partecipazione di IGG comprende i seguenti 4 laboratori:

1. Geocronologia e Isotopi Radiogenici, 
2. Geochimica e Isotopi Stabili, 
3. Modellazione Tettonica, 
4. Microanalisi Geochimica.

Il Laboratorio di Geochimica e Isotopi Stabili esegue una grande varietà di analisi geochimiche e isotopiche. Queste comprendono la misurazione sia della concentrazione sia della composizione isotopica di H, N, O, S, C (organico e inorganico) in campioni solidi, liquidi e gassosi. Sono presenti quattro spettrometri di massa dedicati alla caratterizzazione degli isotopi stabili che possono essere collegati a numerose interfacce per la determinazione dei rapporti di ¹⁸O/1⁶O di minerali silicatici, dei rapporti ¹⁸O/1⁶O e ¹³C/¹²C di carbonati, del ¹³C/¹²C del TDIC, per la separazione dei composti del carbonio (CO_², idrocarburi, biomarker, ecc.) e la determinazione di ¹³C e di ²H. Si effettua la determinazione, mediante analisi ad umido, dei componenti chimici principali, minori e in tracce in acque naturali, salamoie geotermiche, acque termali e reflui di discarica. Determinazioni di componenti gassose (CO₂, H₂S, HCl, HF, NH₃ ecc.) arricchite in soluzione alcalina o presenti come gas secchi in gas naturali e/o vapori geotermici/vulcanici. Misure di flusso diffuso (in particolare CO₂ e CH₄). Per quanto riguarda i gas nobili (He, Ne, Ar, Kr e Xe) la ricerca e i servizi del Laboratorio sono centrati sulla determinazione della composizione isotopica dei gas nobili per tracciare l'origine dei fluidi presenti in diversi ambienti tettonici.

Il Laboratorio di Modellazione Tettonica è dedicato alla costruzione di modelli fisici analogici per lo studio di una varietà di processi geologici. I modelli sperimentali sono costruiti su scale temporali e di lunghezza ridotta e studiano processi che vanno dalla scala mesoscopica a quella litosferica. Sebbene i modelli semplifichino la geometria e la reologia del processo geologico, rappresentano una replica dinamica e geometrica realistica del prototipo naturale. Il laboratorio è dotato di una serie di apparecchiature in grado di simulare le diverse forze tangenziali e verticali agenti in natura e di strumentazione di monitoraggio atta ad analizzare in maniera qualitativa e quantitativa i modelli analogici realizzati ed i processi naturali simulati, ad es., scanner a luce strutturata ed apparati di analisi fotogrammetrica per la realizzazione di Modelli Digitali di Elevazione (DEM) e rendering 3D, nonché sistemi di acquisizione automatica di immagini top-view per l'implementazione di Particle Image Velocimetry (PIV) ed analisi statistica dei pattern strutturali riprodotti..

Il Laboratorio di Microanalisi Geochimica ha una vasta esperienza nella geochimica in situ, ovvero microaree da 5 a 100 µm. Il suo team ha installato, nel 1987, una delle prime microsonde ioniche (IMS 4f Cameca) al mondo dedicate all'indagine dei processi della Terra Solida, e la prima sonda italiana LA-ICP-MS nel 1997. Il laboratorio annovera spettrometri in massa QQQ-ICP-MS, HR-ICP-MS e Q-ICP-MS associati a tre sorgenti laser ArF/Nd:YAG (con radiazione LASER da 193 a 266 nm). Tale strumentazione viene impiegata per: i) la determinazione delle concentrazioni di elementi minori e in tracce in matrici inorganiche e organiche; ii) la datazione radiometrica basata sulla sistematica U-Pb di zirconi, monaziti, titaniti, rutili e carbonati. Il laboratorio è supportato da strumentazioni di microscopia elettronica, che permettono tra l’altro di definire le strutture interne di minerali tramite catodoluminescenza (e.g. zircone).

Il Laboratorio di Geocronologia e Isotopi Radiogenici  è stato recentemente implementato con l'acquisizione di spettrometri di massa di ultima generazione, tra cui i) uno spettrometro di massa per gas nobili multicollettore dedicato alla geocronologia 40Ar-39Ar (ARGUS-VI, Thermo Fisher Scientific), il quale consente analisi geocronologiche su campioni più piccoli, associate ad una precisione analitica fino a un ordine di grandezza migliore, e ii) un multicollettore ad alta risoluzione Neptune Plus MC-ICP-MS (Thermo Fisher Scientific). Quest’ultimo è associato a spettrometri di massa multicollettore a ionizzazione termica e camere bianche classe 1000 e classe 100 attrezzate per la digestione acida e la fusione alcalina di minerali, polveri di rocce e campioni di liquidi. Il laboratorio contempla anche l’analisi delle tracce di fissione su apatite, zircone e vetri e l’analisi archeomagnetica dedicata alla datazione di rocce vulcaniche e altri oggetti bruciati.

Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) | Laboratorio per le Alte Pressioni e Alte Temperature di Geofisica e Vulcanologia sperimentali.

Negli ultimi decenni il vertiginoso sviluppo delle conoscenze sulla tecnologia e scienza dei materiali ha reso possibile la costruzione di strumenti in grado di riprodurre le condizioni ambientali che controllano la dinamica dei processi chimico-fisici all'interno e sulla superficie terrestre.

Fra questi processi, quelli relativi alla sismicità ed al magmatismo-vulcanismo sono di particolare rilevanza economica e sociale per il numero di vittime e l'entità di danni che provocano.

In questo ambito si è sviluppato presso la Sezione di Roma 1 dell’INGV il Laboratorio per le Alte Pressioni e Alte Temperature di Geofisica e Vulcanologia Sperimentali.

Lo studio sperimentale dei processi petrologici, geofisici e vulcanologici che avvengono all’interno e sulla superficie della Terra è l’obiettivo del Laboratorio che si è sviluppato in due settori principali, microanalitico e sperimentale. Il settore microanalitico è fondamentale per la caratterizzazione dei materiali. E’ equipaggiato con una microsonda elettronica per lo studio composizionale dei materiali geologici e sperimentali ed un microscopio elettronico ad emissione di campo destinato alle analisi tessiturali e morfometriche ad alta risoluzione. Il laboratorio è a disposizione di un gran numero di ricercatori sia dell’INGV che esterni.

Mediamente ogni anno vengono sviluppate 30 proposte di ricerca inerenti lo studio dei terremoti, eruzioni vulcaniche e le proprietà dei materiali. Il settore sperimentale è costituito da molti apparati che in parte sono stati anche sviluppati all’interno del laboratorio stesso. Le principali applicazioni riguardano (i) lo studio delle proprietà chimico-fisiche dei magmi, (ii) lo studio delle proprietà fisiche delle rocce e (iii) l’approccio analogico allo studio delle dinamiche eruttive e della frattura.

Nel laboratorio lavorano ricercatori e tecnologi sia italiani che stranieri e lo stesso rappresenta oggi un punto di riferimento internazionale della ricerca sperimentale nel settore geofisico e vulcanologico. Ogni anno vengono ospitati ricercatori provenienti da tutto il mondo, mentre l’attività formativa agli studenti provenienti da Università italiane e estere viene garantita attraverso stages, tesi di laurea e dottorati di ricerca. Lo sviluppo del Laboratorio per Alte Pressioni e Alte Temperature ha visto a partire dal 2004 la realizzazione di numerosi progetti sia nazionali che internazionali che vedono in alcuni casi il laboratorio stesso coinvolto anche come host institution.

Dati e Servizi

Le attività caratterizzanti il MSL sono:

• l’omogeneizzazione, l’archiviazione, la gestione e la distribuzione dei dati prodotti dai propri laboratori promuovendone condivisione, riutilizzo e interoperabilità (FAIR);
• il trans national access (TNA), che garantisce l'accesso gratuito ai laboratori afferenti al TCS a ricercatori di tutto il mondo.

Al link https://epos-msl.uu.nl/ è possibile esplorare i dataset del MSL già catalogati nel portale EPOS.

In https://epos-no.uib.no/epos-tna/facilities sono visualizzabili le infrastrutture laboratoriali europee del MSL inserite nel contesto EPOS, incluse quelle italiane.

Alcune di queste infrastrutture sono state messe a disposizione di call TNA pilota organizzate nel passato nonché nell’ambito del progetto EXCITE (https://excite-network.eu/tna-documents). Il MSL team di EPOS prevede di organizzare call TNA (Trans-National Access) a livello europeo a partire dal 2023.

Roma TRE e INGV svolgeranno ruolo di coordinamento in qualità di Service Provider. Tutti i laboratori di EPOS Italia parteciperanno a tali call mettendo a disposizione le loro infrastrutture per accessi fisici e, ove possibile, remoti.

Obiettivi e Impatto

L’obiettivo strategico dei MSL è di strutturare politiche e consolidare protocolli tesi a massimizzare un ampio spettro di collaborazioni garantendo l’uso sinergico delle loro risorse (i.e., metadati, dati, prodotti e apparecchiature). E’ indubbio, quindi,  il valore aggiunto che caratterizza i laboratori del MSL che favoriscono l’interoperabilità e agevolano le collaborazioni nazionali e internazionali all’interno della comunità scientifica e in quella dei servizi civili nell’ottica di un approccio FAIR e senza barriere.

Gli stakeholder interessati all’MSL sono, quindi, le Università, i centri di Ricerca, le istituzioni locali/nazionali/internazionali, le imprese e gli istituti scolastici di ogni grado.

 

Maggiori informazioni nel sito web dell'Infrastruttura di Ricerca EPOS(in Inglese).

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