GEOCHIMICA ISOTOPICA APPLICATA

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
GEOCHIMICA E VULCANOLOGIA (GEO/08)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti informazioni aggiornate sui recenti sviluppi della Geochimica ed in particolare di quella isotopica intesa come strumento conoscitivo interdisciplinare nel campo delle Scienze della Terra nonché fornire le informazioni necessarie per l’applicazione delle tecniche geochimiche ed isotopiche nella ricerca e gestione delle risorse naturali.
Al termine del corso lo studente avrà acquisito gli elementi conoscitivi di base e sarà in grado di riconoscere le condizioni in cui l’applicazione delle tecniche geochimiche-isotopiche possono risultare efficaci e formulare giudizi sulla potenzialità e sui limiti di applicazione della metodologia in un determinato contesto naturale di tipo ambientale.

Contenuti dell'insegnamento

L’offerta formativa del corso è articolata in:
lezioni di base finalizzate alla definizione di un quadro teorico di riferimento sugli argomenti trattati quali la geochimica isotopica, con lo studio dei diversi rapporti isotopici che i diversi materiali possono acquisire durante la loro formazione, evoluzione, trasformazione;
in lezioni di carattere applicativo incentrate sulla presentazione e discussione di casi studio in cui le metodologie geochimiche-isotopiche sono state applicate con successo a problematiche legate alle Scienze della Terra;
in lezioni in laboratorio per far conoscere allo studente le problematiche pratiche legate all’ottenimento di misure analitiche .

Programma esteso

Isotopi e rette di calibrazione
Definizioni
Rapporti isotopici
Parametro delta “δ”: definizione ufficiale e tradizionale
Relazione fondamentale e trasformazione dei valori di delta
Costanti di trasformazione per l’espressione numerica di “δ”
Coefficiente di frazionamento
Tipi di misure e strumentazione
Materiali di riferimento utilizzati o utilizzabili
Retta di calibrazione per la determinazione di delta
Commenti metodologici
Calibrazione mediante un solo materiale di riferimento
Problemi e commenti: riproducibilità strumentale ed incertezza di predizione; equazione per il calcolo di delta, due diverse filosofie di calibrazione; la reazione fra apatite ed acido ortofosforico
Il frazionamento isotopico
L’equilibrio isotopico
Il frazionamento cinetico
Preparazione delle diverse tipologie di campione per l’analisi isotopica:
l’acqua; i carbonati e le apatiti; il materiale organico, i minerali silicatici
Strumentazioni collegate allo spettrometro di massa per l’analisi isotopica
Gli isotopi dell’ossigeno e dell’idrogeno
Il ciclo isotopico dell’acqua
Composizione isotopica delle acque naturali
Il frazionamento acqua-vapore, acqua-ghiaccio
Relazione fra composizione isotopica dell’ossigeno e dell’idrogeno nelle piogge: la retta mondiale delle precipitazioni
L’evaporazione delle acque terrestri superficiali
Le piogge e la relazione tra la composizione isotopica e la temperatura media al suolo
Le acque sotterranee e superficiali: lo studio isotopico degli acquiferi; la ricarica nelle zone a clima temperato; l’attenuazione delle variazioni isotopiche con la profondità; esempi di acque di falda
Caratterizzazione isotopica dei ghiacci ed implicazioni climatiche:
i duomi di ghiaccio; come si ricostruisce la variazione di temperatura dal ghiaccio; l’eccesso di deuterio a fini paleoclimatici; come si analizzano i risultati ottenuti
Lo studio della composizione isotopica dell’ossigeno nelle ossa antiche: implicazioni ambientali
Lo studio della composizione isotopica dell’ossigeno e dell’idrogeno nei minerali e nelle rocce
Gli isotopi del carbonio
Composizione isotopica del carbonio nei diversi materiali
Composizione isotopica del carbonio nelle acque naturali
Dissoluzione dell’anidride carbonica nell’acqua e DIC
Frazionamento isotopico del carbonio fra anidride carbonica, DIC e calcite
Evoluzione del DIC e della composizione isotopica al procedere della dissoluzione della calcite
Il metano: frazionamento isotopico DIC-metano
Influenza del metano nella precipitazione di carbonati
Le carote di sedimento marino e lacustre:
la scala delle paleotemperature; variazioni della CO2 atmosferica nelle ere geologiche.
Gli speleotemi:
formazione della stalagmite, interpretazione dei risultati ottenuti
Lo studio della composizione isotopica del carbonio nel collagene e nell’apatite delle ossa antiche: implicazioni ambientali
Gli isotopi dell’azoto
Composizione isotopica dell’azoto nei diversi materiali
I processi biogeochimici dell’azoto e i frazionamenti isotopico dell’azoto
Frazionamento dell’azoto lungo la catena alimentare
Relazione tra composizione isotopica dell’azoto e dell’ossigeno nei nitrati
La contaminazione in nitrato nelle acque superficiali
Lo studio della composizione isotopica dell’azoto negli alimenti ed applicazioni
Lo studio della composizione isotopica dell’azoto nel collagene delle ossa antiche: implicazioni ambientali
Gli isotopi dello zolfo
Composizione isotopica dello zolfo nei diversi materiali
Composizione isotopica del solfato marino
Solfato terrestre e solfato marino
Frazionamento fra solfato e solfuro
Lo zolfo in atmosfera
Il solfato nelle acque naturali
I solfati evaporitici
Scambio isotopico fra acqua e minerali
Sistemi ad alta temperatura: evoluzione dei valori dell’acqua
Le acque geotermiche e geotermometri
Sistemi a bassa temperatura ed idratazione dei minerali silicatici in minerali argillosi
Le salamoie da basamenti cristallini e da formazioni sedimentarie
Le salamoie di Salsomaggiore
Esercitazioni in laboratorio
Utilizzo dello spettrometro di massa, del CHN, TCEA, Preparatore automatico delle acque, Gas-Bench per l’analisi isotopica dell’ossigeno, carbonio, azoto ed idrogeno. Trattamento dei campioni solidi.

Bibliografia

Principles of Isotope Geology-Faure G. ; John Wiley and Sons
Environmental Isotopes in Hydrology -Clark I. e Fritz P.; Lewis Publisher
Geochimica e Ambiente-Dongarrà G. e Varrica D.; EdiSES
Acque, minerali ed ambiente-Venturelli G.; Pitagora
Dispense del docente
Presentazione in powerpoint delle lezioni

Metodi didattici

Il corso sarà articolato in lezioni frontali di base finalizzate alla definizione di un quadro teorico generale e in lezioni, sempre frontali, di carattere applicativo incentrate sulla presentazione e discussione di casi studio. Inoltre il corso sarà integrato con un certo numero di ore di esercitazioni, principalmente in laboratorio, sulle tecniche di misura isotopiche, sulle principali problematiche legate alla calibrazione delle misure isotopiche e sul calcolo dei valori standardizzati sia isotopici che elementari. Parte delle esercitazioni saranno individuali e pratiche allo scopo di permettere allo studente di realizzare autonomamente una determinata procedura analitica delineata in forma teorica durante le lezioni.

Modalità verifica apprendimento

La capacità di usare in modo autonomo, di integrare e di comunicare a terzi le conoscenze dello studente, è verificato, verso la fine del corso, tramite seminari individuali tenuti dagli studenti ai loro compagni di corso con dibattito finale. Il seminario viene preparato dallo studente tramite l’utilizzo di materiale bibliografico fornito dal docente e di supporto multimediale. Il linguaggio utilizzato deve essere quello di una comunicazione scientifica rivolta anche ad interlocutori non specialisti.
L’acquisizione delle conoscenze è verificata tramite esame orale integrato dalla risoluzione di un problema analitico in forma scritta.
Con il seminario vengono acquisiti 15 punti; l’esame orale è articolato su 3 domande da 4 a 6 punti a seconda della difficoltà, l’esercizio scritto vale 2 punti. La lode è acquisita con punteggio uguale o maggiore a 33.