GEOCHIMICA

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
GEOCHIMICA E VULCANOLOGIA (GEO/08)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo 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 Ambientali 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.

Prerequisiti

Nessuno

Contenuti dell'insegnamento

L’offerta formativa del corso è articolata in:
lezioni di base finalizzate alla definizione di un quadro teorico semplificato di riferimento sugli argomenti trattati quali la geochimica ambientale con i risvolti ecologici dei cicli geochimici e dell'impatto antropico su tali cicli, dell'inquinamento delle acque naturali e del suolo, la geochimica isotopica, con lo studio dei diversi rapporti che gli isotopi possono avere nella composizione dei sali disciolti, nell'acqua, nella sostanza organica;
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 Ambientali;
in lezioni in laboratorio per far conoscere allo studente le problematiche pratiche legate all’ottenimento di misure analitiche .

Programma esteso

Richiami di termodinamica chimica
Concentrazione, attività, reazione chimica, grado di avanzamento di una reazione, energia libera, potenziale chimico, costante d’equilibrio
Ossidoriduzione di interesse ambientale
Generalità, reazioni redox, potenziale di ossido riduzione (Eh),
Diagrammi Eh-pH: specie dell’azoto, dello zolfo, del carbonio, del cloro
Stabilità delle fasi solide nel campo Eh-pH: goethite, magnetite
Ossidazione dei solfuri
Introduzione alla Geochimica degli Isotopi Stabili
Cosa sono gli isotopi
Abbondanza atomica relativa degli isotopi stabili utilizzati
Elementi investigati
L’unità “δ”
Standard di riferimento per ossigeno ed idrogeno
Standard di riferimento per il carbonio
Standard di riferimento per l’azoto
Standard di riferimento per lo zolfo
Formula di conversione degli standard
Caratteristiche fondamentali degli standard
Lo spettrometro di massa
Notazioni in uso per riportare i valori isotopici
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
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
Acque ed isotopi
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
Relazione fra composizione isotopica e salinità delle acque
Evaporazione dell’acqua oceanica a diversi gradi di umidità atmosferica
Eccesso di deuterio
La condensazione del vapore oceanico:
L’evaporazione delle acque terrestri superficiali
Le piogge: relazione tra la composizione isotopica e la temperatura media al suolo; l’effetto latitudine, l’affetto altitudine; l’effetto continentalità; l’effetto stagionalità; l’effetto quantità; i pluviometri
Le acque sotterranee: 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
I fiumi
Caratterizzazione isotopica delle acque nella provincia di Parma
Caratterizzazione isotopica dei ghiacci ed implicazioni climatiche
Le specie carbonatiche disciolte in acqua
Composizione isotopica del carbonio nei diversi materiali
Composizione isotopica del carbonio nelle acque naturali
Dissoluzione dell’anidride carbonica nell’acqua e DIC
Effetti isotopici sulla distribuzione del carbonio
Frazionamento isotopico del carbonio fra anidride carbonica, DIC e calcite
Evoluzione del DIC e della composizione isotopica al procedere della dissoluzione della calcite
Variazione della composizione isotopica della CO2 atmosferica
Il metano: frazionamento isotopico DIC-metano
Influenza del metano nella precipitazione di carbonati
Le specie azotate disciolte in acqua
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
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, separazione del vapore
Geotermometri
Sistemi a bassa temperatura: evoluzione dei valori dell’acqua
Idratazione dei minerali silicatici in minerali argillosi
Le salamoie da basamenti cristallini
Le salamoie da formazioni sedimentarie
Lo scambio acqua-gas
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. Pre 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.