Syllabus del corso
Obiettivi
Il corso fornisce una introduzione ai principi fondamentali della Geochimica e si prefigge di spiegare i meccanismi ed i principi chimici alla base dei principali processi geologici, e le interconnessioni con le altre discipline delle Scienze della Terra. Gli studenti acquisiscono le conoscenze per caratterizzare e classificare l’origine degli elementi e degli isotopi, la loro distribuzione nei principali reservoir geochimici e geosfere. Il corso consente di comprendere ed interpretare i processi di frazionamento chimico e isotopico, ed applicare elementi e rapporti isotopici quali traccianti dei processi geologici, idrogeologici, petrogenetici, vulcanologici e geodinamici. Gli studenti saranno in grado di valutare l'origine di un fluido o di un processo geologico sulla base dei traccianti geochimici. Saranno impartite le conoscenze sulla radioattività, sui metodi di decadimento radioattivo dei radionuclidi, le principali implicazioni sulla geocronologia ed alcuni metodi di datazione utilizzati. Gli studenti sono in grado di ricostruire i cicli geochimici degli elementi nei diversi ambienti e geosfere. Sarà dato un cenno alle metodologie e tecniche analitiche in laboratorio, con una visita ad 1-2 laboratori analitici; Inoltre, sarà fornito un cenno alle tecniche di campionamento di fluidi e rocce. Infine, saranno impartite le conoscenze di base sui metodi di visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici. Al termine delle esercitazioni, gli studenti saranno in grado di modellizzare un processo di mescolamento che contempli la concentrazione e la composizione isotopica di un elemento in natura. Il corso fornisce le conoscenze quantitative e modellistiche di base per le successive applicazioni ai processi naturali ed industriali.
Contenuti sintetici
Nozioni di base di Geochimica. Cenni di nucleosintesi e cosmochimica. Evoluzione della Terra. Affinità geochimica degli elementi. Sfere geochimiche. Geochimica dell'atmosfera. Geochimica della Litosfera. Geochimica dei volatili magmatici. Solubilità dei volatili. Degassamento magmatico. Geochimica dell’Idrosfera. Weathering meccanico e chimico. Cicli geochimici. Geochimica degli isotopi stabili. Geochimica degli isotopi instabili: decadimento radioattivo e cenni di Geocronologia. Geochimica degli isotopi radiogenici. Geochimica dei gas nobili. Cenni ad alcune applicazioni della Geochimica. Principali metodologie di campionamento acque, gas e rocce e tecniche analitiche. Metodi di visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici.
Programma esteso
Presentazione del corso. Nozioni di base di Geochimica. Ripasso delle principali proprietà degli elementi in relazione alla loro posizione nella tavola periodica. La struttura interna degli atomi. Sfere geochimiche.
Cenni di nucleosintesi e cosmochimica: Teoria del Big-Bang. Red-Shift. Diagramma di Hertzsprung Russell. Evoluzione delle Stelle. Nascita ed evoluzione del sistema solare. Linee di Fraunhofer e composizione chimica del Sole. Nucleosintesi. Fusione di idrogeno ed elio. Ciclo del Carbonio. Reazioni esotermiche e concetto di energia del legame nucleare. Reazioni endotermiche (cattura neutronica) dal Ferro in poi. Affinità geochimica degli elementi, loro influenza sul comportamento geochimico.
Geochimica dell'atmosfera: l’atmosfera primordiale, genesi ed evoluzione, concetto di fugacità di ossigeno, l’atmosfera post-differenziazione della Terra; proprietà chimico-fisiche, composizione e struttura attuale.
Geochimica della litosfera. Composizione chimica della Terra solida: Nucleo, Mantello e Crosta. Genesi e proprietà dei magmi. Differenziazione magmatica. Classificazione degli elementi. Elementi maggiori ed in tracce. Diagrammi classificativi. Coefficienti di ripartizione. Cenni di petrologia sperimentale.
Geochimica dei volatili magmatici. Classificazione di gas magmatici, vulcanici ed idrotermali. Solubilità dei volatili nei fusi silicatici. Degassamento magmatico. Composizione dei gas vulcanici in relazione ai contesti geodinamici ed a condizioni di mantello differenti. Tecniche di campionamento ed analisi dei gas vulcanici. Tecniche di campionamento ed analisi dei gas vulcanici.
Geochimica dell'idrosfera, geochimica delle acque. Proprietà chimico-fisiche delle acque. Unità di concentrazione specie acquose. Diagramma classificativo Langelier-Ludwig. Potenziale ionico, tempo di residenza, elementi conservativi e meccanismi di rimozione. Specie carbonatiche in acqua di mare. Equilibri chimici in fase acquosa. Coefficienti di ripartizione.
Processi di weathering. Weathering dei carbonati e degli allumo-silicati. Origine e struttura delle argille. Diagrammi di attività. Reazioni di ossido-riduzione. Diagrammi Eh-pH. Tecniche di campionamento acque e misura dei parametri chimico-fisici.
Geochimica degli isotopi stabili (H, O, C, N, S). Notazione delta, fattore di frazionamento e di arricchimento. Standard internazionali. Frazionamenti isotopici. Processo di evaporazione e condensazione: l'esempio degli oceani e delle piogge. Composizione isotopica delle precipitazioni, retta meteorica mondiale. Cenni ai cicli geochimici di alcuni elementi. Uso degli isotopi in Paleoclimatologia. Geotermometria isotopica. Composizione dell'azoto nell'ambito del suo ciclo (bio)geochimico. Gli isotopi stabili nel mantello e nei sistemi magmatici.
Geochimica degli isotopi instabili. Definizione di radioattività. Carta dei nuclidi. Meccanismi di decadimento radioattivo e principali catene di decadimento. Legge del decadimento radioattivo ed equazione basilare della geocronologia. Il tempo di dimezzamento. Principali metodi geocronologici. Il metodo delle isocrone. Geochimica degli isotopi radiogenici come traccianti petrogenetici.
Geochimica dei gas nobili. Proprietà dei gas nobili e cenni storici. Gas nobili in atmosfera. Coefficienti di ripartizione. Modalità di campionamento varie matrici analizzabili per gas nobili e tecniche analitiche. Classificazione nei principali reservoir geochimici e geosfere.
Metodi di visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici.
Prerequisiti
Chimica
Modalità didattica
Ore totali: 68
28 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza
2 attività di laboratorio da 3 ore svolte in modalità interattiva in presenza
2 attività di esercitazione da 3 ore svolte in modalità interattiva in presenza
Materiale didattico
Dispense fornite dal docente
TESTI
W.M. White, Geochemistry
McSween H.Y., Richardson S.M. Jr., Uhle M.E., Geochemistry (Pathways and Processes)
Longinelli A., Deganello S., Introduzione alla Geochimica
J. Hoefs, Stable isotope Geochemistry
Walker M., Quaternary Dating Methods, Wiley
Porcelli, D., Ballentine, C.J. and Wieler, R. (2002). An introduction to noble gas geochemistry and cosmochemistry. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 47: 1-18.
APPROFONDIMENTI ULTERIORI
Faure G. (1998), Principles and Applications of Geochemistry
Krauskopf K.B. & Bird, D. K., Introduction to Geochemistry, 1995. McGraw-Hill International Editions.
Ozima M. & Podosek F.A. (2002), Noble Gas Geochemistry, Cambridge University
Burnard P., The Noble Gases as geochemical tracers, Springer
Dongarrà G. & Varrica D. (2004) “Geochimica e ambiente” EDISES
C.J. Allègre, Isotope Geology
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo anno, secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale che consiste in un colloquio sugli argomenti svolti durante il corso. L'esame è composto da non meno di tre domande aperte in cui il docente valuterà la conoscenza ed approfondimento dei concetti, la capacità di collegare gli argomenti, la chiarezza espositiva, l'utilizzo di un linguaggio appropriato alla materia, l’impegno profuso nella preparazione dell’esame, la frequentazione del corso.
Voto in trentesimi
Orario di ricevimento
Contattare il docente via email: andrealuca.rizzo@unimib.it
Aims
The course introduces to the fundamental principles of Geochemistry and aims to explain the mechanisms and chemical principles underlying the main geological processes, and the interconnections with other disciplines of Earth Sciences. Students acquire the knowledge to characterize and classify the origin of elements and isotopes, their distribution in the main geochemical reservoirs and geospheres. The course allows understanding and interpreting chemical and isotopic fractionation processes, and use isotopic elements and ratios as tracers of geological, hydrogeological, petrogenetic, volcanological and geodynamic processes. Students will be able to assess the origin of a fluid or a geological process based on geochemical tracers. Knowledge of radioactivity, methods of radioactive decay of radionuclides, the main implications on geochronology and some dating methods used will be imparted. Students are able to reconstruct the geochemical cycles of the elements in different environments and geospheres. A mention will be given of analytical methodologies and techniques in the laboratory, with a visit to 1-2 analytical laboratories; furthermore, an overview of fluid and rock sampling techniques will be provided. Finally, basic knowledge on methods of visualization and processing of geochemical data will be imparted. At the end of the practical sessions, students will be able to model a mixing process involving the concentration and isotopic composition of a naturally occurring element. The course provides the basic quantitative and modeling knowledge for subsequent applications to natural and industrial processes.
Contents
Basic notions of Geochemistry. Notes on nucleosynthesis and cosmochemistry. Evolution of the Earth. Geochemical affinity of the elements. Geochemical spheres. Geochemistry of the atmosphere. Geochemistry of the Lithosphere. Geochemistry of magmatic volatiles. Solubility of volatiles. Magmatic degassing. Geochemistry of the Hydrosphere. Mechanical and chemical weathering. Geochemical cycles. Stable isotope geochemistry. Geochemistry of unstable isotopes: radioactive decay and notes on geochronology. Geochemistry of radiogenic isotopes. Geochemistry of noble gases. Notes on some applications of Geochemistry. Main water, gas and rock sampling methodologies and analytical techniques. Methods of visualization and processing of geochemical data.
Detailed program
Presentation of the course. Basic notions of Geochemistry. Review of the main properties of the elements in relation to their position in the periodic table. The internal structure of atoms. Geochemical spheres.
Outline of nucleosynthesis and cosmochemistry: big bang theory. Red shift. Hertzsprung–russell diagram and stellar evolution. Formation and evolution of the solar system. Fraunhofer lines and chemical composition of the sun. Nucleosynthesis: hydrogen and helium fusion, carbon cycle. Exothermic reactions and the concept of nuclear binding energy. Endothermic reactions (neutron capture) from Iron onwards. Geochemical affinity of the elements, their influence on geochemical behavior.
Geochemistry of the atmosphere: the primordial atmosphere, genesis and evolution, concept of oxygen fugacity, the post-differentiation atmosphere of the Earth; chemical-physical properties, composition and current structure.
Geochemistry of the lithosphere. Chemical composition of the solid Earth: Core, Mantle and Crust. Genesis and properties of magmas. Magmatic differentiation. Classification of elements. Major and trace elements. Classification diagrams. Partition coefficients. Notes on experimental petrology.
Geochemistry of magmatic volatiles. Classification of magmatic, volcanic and hydrothermal gases. Solubility of volatiles in silicate melts. Magmatic degassing. Composition of volcanic gases in relation to geodynamic contexts and different mantle conditions. Volcanic gas sampling and analysis techniques. Volcanic gas sampling and analysis techniques.
Geochemistry of the hydrosphere, geochemistry of water. Chemical-physical properties of water. Unit of concentration of aqueous species. Langelier-Ludwig classification diagram. Ionic potential, residence time, conservative elements and removal mechanisms. Carbonate species in sea water. Chemical equilibria in the aqueous phase. Partition coefficients.
Weathering processes. Weathering of carbonates and aluminosilicates. Origin and structure of clays. Activity diagrams. Oxidation-reduction reactions. Eh-pH diagrams. Water sampling techniques and measurement of chemical-physical parameters.
Geochemistry of stable isotopes (H, O, C, N, S). Delta notation, fractionation and enrichment factor. International standards. Isotope fractionations. Evaporation and condensation process: the example of oceans and rain. Isotopic composition of precipitation, global meteoric line. Notes on the geochemical cycles of some elements. Use of isotopes in Paleoclimatology. Isotopic geothermometry. Composition of nitrogen within its (bio)geochemical cycle. Stable isotopes in the mantle and magmatic systems.
Geochemistry of unstable isotopes. Definition of radioactivity. Nuclide map. Radioactive decay mechanisms and main decay chains. Law of radioactive decay and basic equation of geochronology. The half-life. Main geochronological methods. The isochrone method. Geochemistry of radiogenic isotopes as petrogenetic tracers.
Geochemistry of noble gases. Properties of noble gases and historical notes. Noble gases in the atmosphere. Partition coefficients. Sampling methods for various matrices that can be analyzed for noble gases and analytical techniques. Classification into the main geochemical reservoirs and geospheres.
Methods of visualization and processing of geochemical data.
Prerequisites
Chemistry
Teaching form
Total hours: 68
28 two-hour lectures delivered in person
2 three-hour laboratory activities conducted interactively in person
2 three-hour practical sessions conducted interactively in person
Textbook and teaching resource
Slides provided during the lessons
BOOKS
W.M. White, Geochemistry
McSween H.Y., Richardson S.M. Jr., Uhle M.E., Geochemistry (Pathways and Processes)
Longinelli A., Deganello S., Introduzione alla Geochimica
J. Hoefs, Stable isotope Geochemistry
Walker M., Quaternary Dating Methods, Wiley
Porcelli, D., Ballentine, C.J. and Wieler, R. (2002). An introduction to noble gas geochemistry and cosmochemistry. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 47: 1-18.
FURTHER INSIGHTS
Faure G. (1998), Principles and Applications of Geochemistry
Krauskopf K.B. & Bird, D. K., Introduction to Geochemistry, 1995. McGraw-Hill International Editions.
Ozima M. & Podosek F.A. (2002), Noble Gas Geochemistry, Cambridge University
Burnard P., The Noble Gases as geochemical tracers, Springer
Dongarrà G. & Varrica D. (2004) “Geochimica e ambiente” EDISES
C.J. Allègre, Isotope Geology
Semester
II year, II semester
Assessment method
Oral examination consisting of a discussion on the topics covered during the course. The exam includes no fewer than three open-ended questions, through which the instructor will assess the student's knowledge and depth of understanding, ability to make connections between topics, clarity of expression, use of subject-appropriate terminology, effort put into exam preparation, and attendance of the course.
Vote out of thirty
Office hours
To make an appointment, please write to andrealuca.rizzo@unimib.it
Staff
-
Andrea Luca Rizzo