Ab initio calculations of Raman and IR spectra of orthoenstatite and forsterite: lattice dynamics and modelling for planetary remote sensing

Abstract

Several spectroscopic techniques are capable of measuring the fundamental vibrational modes of minerals. The present study focuses on two spectroscopic techniques: Raman spectroscopy and emission spectroscopy, applied to the investigation of two well know mineral families olivine and orthopyroxenes. The motivations and applications of TIR spectral studies, and especially of these two minerals, are wide-ranging, covering fields from astronomy to mantle geophysics; in fact a wide variety of measurement techniques and samples analysis already exist in literature. However, in this study we present some innovations towards the approach applied on the subject: the calculation and the modelling of Raman and emission spectra at room ad at high temperature of those minerals with ab initio quantum mechanics calculations. The approach is carried out employing hybrid HF/DFT approach for its accuracy and reliability calculating vibrational frequencies by means of the computer code CRYSTAL14, which enable a reliable simulation of a full vibrational pattern. Two different kinds of case studies will be shown, one focused on Raman spectroscopy and the other one concerning the modelling of emissivity spectra at high temperature, both cases aim to verify the reliably of this simulation and if it can foresee the trend of spectral features due to temperature. The investigation is mostly focused on the possibility to develop an application of the method on the data that will be acquired by MERTIS, the Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer (MERTIS) on board of the ESA BepiColombo Mercury Planetary Orbiter spacecraft due in 2018.

Le tecniche spettroscopiche in grado di poter misurare le vibrazioni fondamentali dei minerali sono diverse. Il presente studio si focalizza su due tecniche spettroscopiche: spettroscopia Raman e spettroscopia di emissione, applicate all’investigazione di due ben noti minerali della famiglia delle olivine e dell’ortopirosseni. Le motivazioni e le applicazione dello studio delle caratteristiche spettrali nella regione dell’infrarosso termico, e in particolare di questi due minerali, sono di ampio raggio, comprendo campi che vanno dalla astronomia alla geofisica del mantello. tuttavia in questa tesi lo studio di questi argomenti viene trattato in maniera del tutto innovativa: il calcolo e il modelling rdi spettri Raman e di emissione a temperatura ambiente e ad alta temperatura di questi minerali con metodi di calcolo detti ab initio. Tale approccio è realizzato con l’utilizzo di Hamiltoniane ibride HT/DFT per l’accuratezza e l’affidabilità dei dati calcolati ed in particolare del calcolo delle frequenze vibrazionali. i calcoli sono effettuati con il programma CRYSTAL14, che permette la simulazione di un intero pattern vibrazionale. Nella tesi vengono discussi due casi di studio uno focalizzato sulla spettroscopia Raman, l’altro riguardante il modelling di spettri di emissività ad alta temperatura in ambito planetario, entrambi i casi è quello di innanzitutto verificare l’attendibilità dell’approccio, in quanto sperimentato per la prima volta in questo studio e comprendere se tale metodo possa prevedere l’andamento delle caratteristiche spettrali influenzate dal fattore termico. L’investigazione è prevalentemente incentrata sulla possibilità di poter sviluppare una possibile applicazione del metodo sui dati che saranno acquisiti da MERTIS (MErcury Radiometer and thermal Infrared Spectrometer (MERTIS) a bordo della missione spaziale ESA BepiColombo, prevista per il 2018.