Gas emission centres on Mars surface and putative biological contribution: insights on hydrothermal fluid circulation in the upper crust

The herein presented work aims to develop and expand Mars geological exploration in a search for life prospective and, accordingly, water resurgence features and possible degassing centers have been given a central role in the target selection and process investigation. Hydrothermal fluid circulation in the Martian crust is among the natural processes characterized by the combined involvement of fluids such water and methane so defining a potential set of environments prone to biosphere growth and flourish. Subsurface fluid flow is a key area of planetary science research because fluids affect almost every physical, chemical, mechanical and thermal property of the upper crust. Hydrothermal systems are closely bond to the transport of mass, heat, nutrients and chemical species in hydrogeological systems making these mechanisms central in fields such as volcano-tectonic, deep-biosphere and water/ice cycle. To step forward toward a new generation of planetary exploration that aims, not only to analyse and map the surfaces of planetary bodies other than Earth, but also to push the survey down in depth, in the first chapter we successfully test the efficiency of a rising technique that allows to probe the subsurface starting from surface case studies: fractal analysis. This method was firstly applied on many different study cases on Earth to investigate the location at depth of magma chambers and sediment source layers beneath volcanic vent and mud volcano fields. We thus took this technique and applied it to many different well-known morphologically convergent features on Mars, but with very different inferred formation process, in order to test if fractal analysis were an efficient methodology to identify spatial patterns linked to system of percolating connected fractures and drained material source depth by outputting the expected outcomes for the different cases. Thanks to the successfully obtained results we fostered the implementation of such method in the planetary exploration research field. In the second chapter is reported the produced work concerning the exploration and investigation aimed to identify new regions on Mars with a high astrobiological potential through the usage of classic and fractal analyses. Since the main objective of the herein presented work is to spot emission centers linked to water and methane release, we set our starting point on the search for fields of pitted mounds, which are good candidate morphologies for our purposes. Many different areas, with large coverages and very different geological context showed a relationship with systems of connected fractures extending many kilometres beneath the surface. We were not just able to profitably analyse different areas and locate several interesting vast regions, but we observed a systematic linkage between large fields of pitted mounds on the surface and the shallowest interface between gas hydrate-rich cryosphere and hydrosphere hypothesised for the Martian subsurface, so discovering the potential key role of clathrates on a, geologically speaking, recent Mars. The intriguing results produced and displayed in the first two chapters of this work led to a spectrum of unsolved questions concerning the processes that could be involved in such kind of phenomena. We thus choose to approach this topic from the structural side aiming to produce structural asset interpretations based on fluid circulation evidence, where information is available. In the third chapter, we hence face a propaedeutic explorative study which has the objective to compare sulfate vein networks on several locations on Earth with sulfate veins outcropping in the Gale crater (Curiosity Rover landing site, Mars), that represent the only case of close up acquisitions of Martian features that surely experienced fluid circulation. A better understanding of the structural asset on portions of the Martian surface will progressively lead to a contextualisation of the forces that could have contributed to drive the fluid flows in the upper Martian crust and again pushing the exploration toward the subsurface realm and to the identification of outgassing and water related environments. In the fourth chapter are exposed preliminary works that further pursue the aim of identify and investigate environments that experienced fluid circulation, backbone of this thesis. On one side, we moved on in exploring the Martian surface throughout the observation of the freshly acquired four-colours images of the CaSSIS camera we are involved in, with remarkable outcomes thanks to the location of light-toned ridges possibly linked to hydrothermal fluid percolation and connected rocks alteration. Contextually, we also approached the question from the compositional side by enhancing spectral libraries with the production of spectral signatures, on ultraviolet- far infrared wavelength span, of minerals belonging to environments that, on Earth, are linked to low temperature hydrothermal circulation and of rare bio-mineralisation features that are siliceous stromatolites.

Il lavoro presentato ha lo scopo di sviluppare ed espandere l'esplorazione geologica di Marte nell’ottica di ricerca di ambienti adatti allo sviluppo della vita e, di conseguenza, centri di risalita di acqua e centri di degassamento hanno avuto un ruolo centrale nella selezione degli obiettivi di indagine. La circolazione idrotermale nella crosta marziana è tra i processi naturali caratterizzati dal coinvolgimento combinato di fluidi quali acqua e metano, definendo così un potenziale insieme di ambienti inclini alla crescita e allo sviluppo della biosfera. La circolazione di fluidi nel sottosuolo è un'area chiave nel contesto delle scienze planetarie perché essi influenzano quasi ogni proprietà fisica, chimica, meccanica e termica della crosta superiore. I sistemi idrotermali sono strettamente legati al trasporto di massa, calore, sostanze nutritive e specie chimiche nei sistemi idrogeologici, rendendo questi meccanismi centrali in campi quali il ciclo vulcano-tettonico, la biosfera profonda e il ciclo acqua / ghiaccio. Per sviluppare una nuova generazione di esplorazione planetaria che mira non solo ad analizzare e mappare le superfici dei corpi planetari diversi dalla Terra, ma anche a sondarne le profondità, nel primo capitolo testiamo con successo l'efficienza di una nuova tecnica che permette di investigare il sottosuolo partendo dalle osservazioni di superficie: l’analisi frattale. Questo metodo è stato applicato per la prima volta sulla Terra per indagare la profondità delle camere magmatiche e degli strati sorgente che alimentano vulcanesimo magmatico e vulcani di fango. Abbiamo quindi applicato questa tecnica a diverse strutture di superficie su Marte con caratteristiche morfologicamente convergenti, ma con processi di formazione molto diversi, al fine di verificare se l'analisi frattale fosse una metodologia efficiente per identificare la presenza di un sistema percolante di fratture connesse e la profondità della sorgente del materiale drenato. I risultati sono stati positivi promuovendone così l'implementazione nel processo di esplorazione planetaria. Nel secondo capitolo viene riportato il lavoro prodotto relativo all'esplorazione volto a identificare nuove regioni ad alto potenziale su Marte attraverso l'uso di analisi classiche e frattali. Poiché l'obiettivo principale del presente lavoro presentato è quello di individuare i centri di emissione legati al rilascio di acqua e metano, poniamo il nostro punto di partenza nella ricerca di campi di pitted mounds, che sono ottimi candidati per i nostri scopi. Varie aree, con grandi coperture e un contesto geologico molto diverso, hanno mostrato una relazione con sistemi di fratture connesse con estensioni fino svariati chilometri di profondità. Non solo siamo stati in grado di analizzare proficuamente aree diverse e localizzare vaste regioni ad alto interesse, ma abbiamo osservato un collegamento sistematico tra grandi campi di pitted mounds sulla superficie e l'interfaccia più superficiale tra la criosfera ricca in clatrati e l'idrosfera ipotizzata per il sottosuolo marziano, scoprendo così il ruolo chiave che i clatrati potrebbero aver avuto su Marte i un passato geologicamente recente. I risultati promettenti prodotti e mostrati nei primi due capitoli di questo lavoro hanno portato a uno spettro di domande riguardanti i processi che potrebbero essere coinvolti in questo tipo di fenomeni. Scegliamo quindi di affrontare questo argomento tramite l’interpretazione dell’assetto strutturale basato su evidenze di circolazione di fluidi, in aree in cui tali informazioni sono disponibili. Nel terzo capitolo, quindi, affrontiamo uno studio esplorativo propedeutico che ha l'obiettivo di confrontare sistemi di vene a solfati in diverse località sulla Terra con le vene a solfati affioranti nel Gale crater, che rappresentano l'unico caso di acquisizioni ravvicinate di strutture marziane che sicuramente hanno sperimentato circolazione di fluidi. Una migliore comprensione dell’assetto strutturale su porzioni della superficie marziana può portare progressivamente ad una contestualizzazione delle forze che potrebbero aver contribuito a guidare i flussi di fluido nella crosta superiore marziana e inoltre a migliorare la corrente conoscenza del sottosuolo marziano nonché all’identificazione di ambienti legati all'acqua. Nel quarto capitolo sono esposti i lavori preliminari che hanno come obiettivo quello di identificare e indagare ambienti che hanno subito la circolazione di fluidi, spina dorsale di questa tesi. Da un lato, siamo andati avanti nell'esplorazione della superficie marziana attraverso l'osservazione delle immagini a quattro colori appena acquisite della camera CaSSIS, con esiti notevoli grazie all’individuazione di creste probabilmente legate alla percolazione di fluido idrotermale e all'alterazione delle rocce incassanti. Contestualmente, abbiamo anche affrontato la questione dal lato composizionale migliorando le librerie spettrali con la produzione di firme spettrali, in lunghezze d'onda dall'ultravioletto al lontano infrarosso, di minerali appartenenti ad ambienti che, sulla Terra, sono legati alla circolazione idrotermale a bassa temperatura e di rare bio-mineralizzazioni quali le stromatoliti silicee.