Course Syllabus
Obiettivi
Il corso approfondisce i principali metodi di datazione assoluta e relativa su scala temporale lunga e breve, e le relative tecniche analitiche di studio. Gli studenti acquisiscono le conoscenze sul decadimento radioattivo dei radionuclidi più utilizzati ed i principali metodi radiometrici di datazione assoluta; saranno altresì approfonditi metodi non radiometrici di datazione relativa.
Inoltre, il corso applica i principi fondamentali della Geochimica dei fluidi per ricostruire l’origine ed il ciclo dei volatili nell’interno della Terra in ultimo rilasciati in atmosfera/idrosfera dal vulcanismo. Gli studenti, con un approccio multidisciplinare, imparano ad utilizzare i traccianti geochimici dei fluidi (in particolare quelli isotopici), ponendoli in relazione alla geodinamica terrestre, al degassamento magmatico/vulcanico in ambiente sottomarino e subaereo, all’impatto sul clima terrestre.
Infine, il corso fornisce le competenze pratiche sulle tecniche di prelevamento sul terreno di fluidi e/o rocce in ambiente vulcanico, sulle principali metodologie analitiche di laboratorio e sul campo, modalità di acquisizione, visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici. Al termine del corso gli studenti saranno in grado di stabilire in maniera autonoma quali parametri geochimici applicare per una ricerca di base su un sistema vulcanico o applicata al monitoraggio vulcanico.
Contenuti sintetici
Richiami di nucleosintesi, origine ed evoluzione della Terra, struttura atomica e definizione di isotopo instabile. Concetto di decadimento radioattivo, meccanismi di decadimento, metodi radiometrici di datazione assoluta su scala temporale lunga e breve. Datazioni attraverso nuclidi cosmogenici. Metodi di datazione non radiometrica. Isotopi radiogenici.
Concetti base di Geochimica dei fluidi. Isotopi stabili ed isotopi dei gas nobili. Composizione dei volatili nel mantello, nel magma e nei sistemi vulcanici/idrotermali. Solubilità dei volatili nei fusi silicatici. Degassamento magmatico. Variazioni composizionali in relazione alla geodinamica. Impatto del degassamento sugli ecosistemi marini/oceanici ed atmosferici, implicazioni climatiche. Ciclo dei volatili nel mantello.
Principali tecniche di campionamento dei fluidi/rocce, esperienza pratica sul campo, e metodologie analitiche. Acquisizione, visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici.
Programma esteso
Presentazione del corso. Richiami sulla struttura atomica, definizione di isotopo stabile, instabile e radiogenico. Cenni di nucleosintesi, formazione ed evoluzione della Terra, affinità geochimica degli elementi, sfere geochimiche. Richiami su elementi maggiori ed in traccia.
Concetto di decadimento radioattivo, principali meccanismi di decadimento, equazione generale del decadimento radioattivo. Metodo Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb, K-Ar e ³⁹Ar-⁴⁰Ar. Datazioni attraverso radiocarbonio (¹⁴C) ed altri nuclidi cosmogenici (es. ³He, ³H). Metodi di datazione non radiometrica basati sull'accumulo regolare di sedimenti, ghiacci o materiale biologico (es. varve dating e dendrocronologia) nel tempo, e di datazione relativa basata sull’equivalenza dell’età. Richiami sugli isotopi stabili ed isotopi dei gas nobili. Gli isotopi stabili (delta¹³C, delta¹⁸O, deltaD) come geocronometri e metodi di ricostruzione paleoclimatica.
Composizione dei volatili mantellici/magmatici/vulcanici (H₂O, CO₂, S, gas nobili, alogeni) e variazioni composizionali in relazione alla geodinamica. Solubilità dei volatili nei fusi silicatici e ripartizione delle specie tra le fasi coesistenti. Degassamento magmatico: definizione, tipologia e principali modelli utilizzati. Processi di frazionamento, contaminazione e mescolamento tra volatili di origine differente. Vulcanismo e degassamento in ambiente sottomarino; impatto sugli ecosistemi marini/oceanici ed atmosferici, cambiamenti climatici. Implicazioni generali sul ciclo dei volatili in relazione alla geodinamica.
Principi di spettrometria di massa. Modalità di acquisizione, visualizzazione ed elaborazione dei dati geochimici. Visita ai laboratori isotopi dei gas nobili (geocronologia) ed isotopi stabili del DISAT.
Escursione per verificare sul campo i concetti acquisiti durante il corso, esperienza pratica di campionamento fluidi/rocce per le successive analisi geochimiche e misure sul campo (possibili target Canarie, Eolie, Etna, Flegrei-Vesuvio).
Prerequisiti
Gli studenti devono avere seguito il corso di Sicurezza sul Terreno.
Consigliato il corso di Introduzione alla Vulcanologia previsto come materia a scelta alla triennale (attivo dal 2024-2025).
Modalità didattica
Ore totali: 52
14 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza
4 uscita sul campo (Campus Abroad) da 6 ore svolte in modalità interattiva in presenza
Materiale didattico
Dispense fornite dal docente, pubblicazioni scientifiche
TESTI
Walker M., Quaternary Dating Methods, Wiley
W.M. White, Geochemistry
McSween H.Y., Richardson S.M. Jr., Uhle M.E., Geochemistry (Pathways and Processes)
J. Hoefs, Stable isotope Geochemistry
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
A. Longinelli, S. Deganello, Introduzione alla Geochimica
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
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Gli studenti saranno valutati su una prova orale sugli argomenti svolti durante il corso (70% del voto) ed una relazione/presentazione inerente all’escursione (30% del voto). L'esame orale è composto da non meno di tre domande aperte, di cui la prima è un argomento del programma a scelta dello studente. 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 delves into the main methods of absolute and relative dating on a long and short time scale, and the related analytical study techniques. Students acquire knowledge of the radioactive decay of the most used radionuclides and the main radiometric methods of absolute dating; non-radiometric methods of relative dating will also be explored in depth.
Furthermore, the course applies the fundamental principles of fluid geochemistry to reconstruct the origin and cycle of volatiles in the Earth's interior ultimately released into the atmosphere/hydrosphere by volcanism. Students, with a multidisciplinary approach, learn to use the geochemical tracers of fluids (particularly isotopic ones), placing them in relation to terrestrial geodynamics, magmatic/volcanic degassing in underwater and subaerial environments, and the impact on the terrestrial climate.
Finally, the course provides practical skills on techniques for sampling fluids and/or rocks from the ground in a volcanic environment, on the main analytical methodologies in the laboratory and in the field, methods of acquisition, visualization and processing of geochemical data. At the end of the course, students will be able to independently determine which geochemical parameters to apply for basic research on a volcanic system or for volcanic monitoring purposes.
Contents
Recall of nucleosynthesis, origin and evolution of the Earth, atomic structure and definition of unstable isotope. Concept of radioactive decay, decay mechanisms, radiometric methods of absolute dating on long and short time scales. Dating through cosmogenic nuclides. Non-radiometric dating methods. Radiogenic isotopes.
Basic concepts of fluid geochemistry. Stable isotopes and isotopes of noble gases. Composition of volatiles in mantle, magma and volcanic/hydrothermal systems. Solubility of volatiles in silicate melts. Magmatic degassing. Compositional variations in relation to geodynamics. Impact of degassing on marine/ocean and atmospheric ecosystems, climate implications. Cycle of volatiles in the mantle.
Main fluid/rock sampling techniques, practical field experience, and analytical methodologies. Acquisition, visualization and processing of geochemical data.
Detailed program
Presentation of the course. Recall on atomic structure, definition of stable, unstable and radiogenic isotope. Notes on nucleosynthesis, formation and evolution of the Earth, geochemical affinity of the elements, geochemical spheres. Recalls on major and trace elements.
Concept of radioactive decay, main decay mechanisms, general equation of radioactive decay. Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb, K-Ar and ³⁹Ar-⁴⁰Ar method. Dating through radiocarbon (¹⁴C) and other cosmogenic nuclides (e.g. ³He, ³H). Non-radiometric dating methods based on the regular accumulation of sediments, ice or biological material (e.g. varve dating and dendrochronology) over time, and relative dating based on age equivalence. Recall on stable isotopes, radiogenic isotopes and isotopes of noble gases. Stable isotopes (delta¹³C, delta¹⁸O, deltaD) as geochronometers and paleoclimatic reconstruction methods.
Composition of mantle/magmatic/volcanic volatiles (H₂O, CO₂, S, noble gases, halogens) and compositional variations in relation to geodynamics. Solubility of volatiles in silicate melts and distribution of species among the coexisting phases. Magmatic degassing: definition, typology and main models used. Processes of fractionation, contamination and mixing between gases of different origins. Volcanism and degassing in underwater environments; impact on marine/ocean and atmospheric ecosystems, climate change. General implications on the volatile cycle in relation to geodynamics.
Principles of mass spectrometry. Methods of acquisition, visualization and processing of geochemical data. Visit to the DISAT noble gas isotopes and stable isotopes laboratories.
Excursion to verify in the field the concepts acquired during the course, practical experience of sampling fluids/rocks for subsequent geochemical analyzes and field measurements (possible targets Canary Islands, Aeolian Islands, Etna, Flegrei-Vesuvius).
Prerequisites
Students must have taken the Safety course to attend field work.
The “Introduction to Volcanology” course (active since 2024-2025) foreseen as an elective subject in the three-year course is recommended.
Teaching form
Total hours: 52
14 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
4 six-hour field activities, in person, Interactive Teaching
Textbook and teaching resource
Slides provided during the lessons, scientific publications
BOOKS
Walker M., Quaternary Dating Methods, Wiley
W.M. White, Geochemistry
McSween H.Y., Richardson S.M. Jr., Uhle M.E., Geochemistry (Pathways and Processes)
J. Hoefs, Stable isotope Geochemistry
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
A. Longinelli, S. Deganello, Introduzione alla Geochimica
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
First semester
Assessment method
Students will be assessed on an oral test on the topics covered during the course (70% of the grade) and a report/presentation relating to the excursion (30% of the grade). The oral exam is made up of no fewer than three open questions, the first of which is a topic of the program chosen by the student. The teacher will evaluate the knowledge and depth of the concepts, the ability to connect the topics, the clarity of presentation, the use of language appropriate to the subject, the commitment made in preparing for the exam, the attendance of the course.
Vote out of thirty
Office hours
To make an appointment, please write to andrealuca.rizzo@unimib.it