Syllabus del corso
Obiettivi
Il corso si prefigge l'obbiettivo di fornire agli studenti una panoramica piu' ampia possibile riguardo alle tematiche della geochimica isotopica e delle sue applicazioni nelle Scienze della Terra, considerando sia gli isotopi stabili sia gli isotopi instabili o radiogenici. Il corso suddiviso in tre moduli principali (isotopi stabili tradizionali, isotopi stabili non tradizionali, isotopi instabili o radiogenici) fornira' le conoscenze necessarie per poter interpretare correttamente dati isotopici inerenti ai materiali rocciosi (esempio: lave, carbonati, meteoriti), acque (acque marine, acque superficiali, acque di pioggia, acque profonde), gas (atmosferici e vulcanici) nei vari contesti geodinamici. Al termine del corso lo studente avra' acquisito un bagaglio di conoscenze che gli permetteranno di pianificare e condurre studi isotopici nei vari settori delle Scienze della Terra, quali, a titolo di esempio, vulcanologia/petrologia, idrogeologia, paleontologia.
Conoscenza e comprensione
Lo studente completerà e rafforzerà la preparazione e la capacità di comprensione acquisite con gli altri corsi di Geochimica. Acquisirà approfondite conoscenze nell’ambito dei processi della geochimica isotopica, che gli permetteranno di comprendere e interpretare processi complessi quali ad esempio i frazionamenti isotopici in ambienti di alta e bassa temperatura, la ricostruzione delle catene trofiche, l'identificazione delle zone sorgente. Tali conoscenze sono acquisite tramite la frequenza a lezioni frontali. Il livello di apprendimento è valutato mediante una prova orale di profitto dopo il termine del corso.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Grazie alle conoscenze acquisite, lo studente sarà in grado di:
- analizzare in dettaglio i processi di frazionamento isotopico;
- svolgere autonomamente attività di studio e ricerca nel settore della geochimica isotopica;
- utilizzare le proprie conoscenze teoriche per individuare situazioni di criticità e proporre possibili soluzioni;
- risolvere autonomamente le problematiche di tipo geochimico-ambientale avvalendosi del supporto della geochimica isotopica.
Autonomia di giudizio
Lo studente acquisirà la capacità di caratterizzare e valutare l’affidabilità delle informazioni raccolte, il livello di incertezza nei dati e nelle misure, e la complessità dei modelli disponibili per la soluzione dei problemi. Questa capacità permetterà quindi allo studente di valutare in modo autonomo i problemi e di formulare soluzioni anche sulla base di informazioni limitate o incomplete. Ulteriore aspetto che verrà acquisito dallo studente è la capacità di valutare le
conseguenze delle scelte effettuate e delle soluzioni proposte sul contesto isotopico. Tutte queste competenze sono sviluppate attraverso lo studio e la discussione in aula di casi reali.
Abilità comunicative
Lo studente acquisirà la capacità di comunicare in modo sintetico ed efficace le proprie valutazioni e proposte di soluzione sia ad un pubblico specialistico (es: convegni, colleghi) che non specialistico (clienti, popolazione). Quest’ultimo aspetto è fondamentale per le tematiche di gestione del rischio, perché le valutazioni tecniche devono essere trasmesse in modo chiaro ai policy makers che successivamente si interfacciano con la popolazione. La capacità di comunicazione è sviluppata attraverso discussioni in aula delle problematiche studiate.
Capacità di apprendimento
Lo studente acquisirà la capacità di apprendere in modo autonomo nuovi concetti e nuove teorie attingendo, prevalentemente, dalla letteratura in lingua inglese. I vari argomenti del corso verranno trattati utilizzando sia articoli pubblicati in riviste specialistiche, sia libri di testo in lingua inglese. Il livello di apprendimento raggiunto verrà valutato in base alla prova d'esame.
Contenuti sintetici
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Geochimica degli isotopi stabili tradizionali (C, N, O, H, S): Introduzione; terminologia, standards e spettrometria di massa; frazionamento isotopico all'equilibrio e frazionamento isotopico cinetico; l'idrosfera; gli oceani; carbonati biogenici: l'ossigeno; il carbonio negli ambienti di bassa temperatura; minerali di bassa temperatura ad eccezione dei carbonati; Azoto; Zolfo; petrologia ignea; materiali extraterrestri.
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Geochimica degli isotopi stabili non tradizionali: processi di frazionamento isotopico di elementi selezionati (Li, B, Mg, Si, Cl, Ca, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, Tl, U).
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Geochimica degli isotopi instabili o radiogenici: fisica e struttura del nucleo; concetti di base della geochimica degli isotopi radiogenici; sistemi di decadimento e loro applicazioni; isotopi dell'elio e di altri gas rari; isotopi cosmogenici e fossili.
Programma esteso
Geochimica degli isotopi stabili tradizionali (C, N, O, H, S)
- Introduzione: scopo della disciplina, abbondanze isotopiche degli elementi, caratteristiche degli elementi che subiscono un frazionamento isotopico significativo, applicazioni nelle Scienze della Terra, effetti isotopici (all'equilibrio e cinetici).
- Terminologia, standards e spettrometria di massa: Isotopi, isotopologhi, isotopomeri, il valore delta, il fattore di frazionamento α, i valori 1000lnα, Δ ed ε, standards di riferimento, spettrometria di massa dei rapporti isotopici.
- Frazionamento isotopico all'equilibrio: teoria dei fattori di frazionamento degli isotopi stabili, relazione con la temperatura, determinazione sperimentale dei fattori di frazionamento, determinazione empirica dei fattori di frazionamento, altri fattori che controllano il frazionamento isotopico, sistemi isotopici multipli, distribuzione degli isotopologhi.
- L'Idrosfera; abbondanze naturali degli isotopologhi dell'acqua, acque meteoriche, la linea delle acque meteoriche, evaporazione e condensazione, fattori che controllano la composizione isotopica del precipitato, acque sotterranee, sistemi geotermali, brine di bacino e acque di formazione, ghiaccio delle ere glaciali.
- Gli Oceani; variazioni degli isotopi dell'ossigeno negli oceani moderni, profili di profondita' per gli isotopi dell'ossigeno e del carbonio negli oceani moderni, rapporti degli isotopi stabili come rilevatori della produttivita', composizioni isotopiche degli oceani antichi, interazioni basalto/acqua marina, tamponamento del rapporto isotopico dell'ossigeno dell'acqua oceanica.
- Carbonati biogenici - ossigeno; il metodo dell'acido fosforico, la scala delle paleotemperature per gli isotopi dell'ossigeno, fattori che influenzano le paleotemperature stimate tramite gli isotopi dell'ossigeno, applicazioni della paleotermometria degli isotopi dell'ossigeno.
- Il carbonio negli ambienti di bassa temperatura; il ciclo del carbonio, i serbatoi del carbonio, i valori isotopici del carbonio dei carbonati, marini e terrestri.
- I minerali di bassa temperatura ad eccezione dei carbonati; fosfati, silice, minerali delle argille, ossidi di ferro.
- Azoto; il ciclo dell'azoto, il frazionamento degli isotopi dell'azoto, valori caratteristici dei rapporti isotopici dell'azoto per diversi materiali (piante, suoli, fertilizzanti, pioggia, combustibili fossili, acque), rapporti isotopici degli isotopi dell'azoto negli animali.
- Zolfo: tecniche analitiche, frazionamento all'equilibrio e geotermometria, formazione dei solfati e dei solfuri a bassa temperatura - il ciclo sedimentario dello zolfo, variazioni secolari dei rapporti isotopici dello zolfo, rapporti isotopici dello zolfo in ambienti terrestri, variazioni degli isotopi dell'ossigeno nei solfati.
- Petrologia ignea: gli isotopi di carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto e zolfo nella crosta e nel mantello, messa in posto di plutoni: interazioni con la crosta e l'idrosfera, calcolare i rapporti fluido/roccia, degassamento, assimilazione e cristallizzazione frazionata.
- Materiali extraterrestri: classificazione delle meteoriti, gli isotopi dell'ossigeno nel sistema solare, isotopi dell'idrogeno, carbonio, azoto, zolfo e cloro nelle meteoriti.
Geochimica degli isotopi stabili non tradizionali
- informazioni basilari sugli isotopi stabili non tradizionali.
- applicazioni nell'ambito della petrologia ignea.
Geochimica degli isotopi radiogenici
- fisica e struttura del nucleo: struttura nucleare ed energetica; il decadimento di nuclei eccitati ed instabili (decadimento alfa, beta e gamma, cattura di elettroni, fissione spontanea).
- concetti di base della geochimica degli isotopi radiogenici: equazione del decadimento radioattivo; geocronologia.
- sistemi di decadimento e loro applicazioni: sistema Rb-Sr; sistema Sm-Nd; sistema Lu-Hf; sistema Re-Os; sistema La-Ce; sistema U-Th-Pb; isotopi delle serie di decadimento di U e Th.
- Isotopi dell'elio e di sltri gas rari: elio; neon.
- isotopi cosmogenici e fossili: ¹⁴C; ³⁶Cl in idrologia; ¹⁰Be nelle zone di subduzione; eta' delle meteoriti per esposizione ai raggi cosmici; nuclidi fossili.
Prerequisiti
Buone conoscenze di Chimica e Geochimica.
Modalità didattica
27 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
1 lezione da 3 ore in presenza, Didattica Erogativa
6 CFU
Materiale didattico
Dispense fornite dal docente
Specificatamente per il modulo degli isotopi stabili tradizionali:
Sharp Z, Principles of Stable Isotope Geochemistry, seconda edizione, 2017.
Specificatamente per il modulo degli isotopi stabili non tradizionali:
Hoefs J, Stable Isotope Geochemistry, settima edizione, 2015. Springer ed.
Specificatamente per il modulo degli isotopi radiogenici:
White WM, capitolo 8: Radiogenic Isotope Geochemistry. In Geochemistry, seconda edizione, 2020. Wiley-Blackwell ed.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale dopo il termine del corso (non sono presenti prove in itinere) consistente in un colloquio sugli argomenti svolti durante il corso. L'esame si svolgera' con un minimo di tre domande, di cui la prima è un argomento del programma a scelta dello studente. Saranno valutate il grado di conoscenza ed approfondimento dei vari argomenti, la capacità di effettuare collegamenti, la chiarezza di linguaggio nonche' l'utilizzo di un appropriato linguaggio tecnico-scientifico.
Orario di ricevimento
appuntamento da concordare tramite email: alessandro.fabbrizio@unimib.it
Aims
The course aims to provide students with a comprehensive overview of isotopic geochemistry and its applications in Earth Sciences, considering both stable isotopes and unstable or radiogenic isotopes. The course, divided into three main modules (traditional stable isotopes, non-traditional stable isotopes, unstable or radiogenic isotopes), will provide the necessary knowledge to correctly interpret isotopic data related to rock materials (e.g., lavas, carbonates, meteorites), waters (marine waters, surface waters, rainwater, deep waters), gases (atmospheric and volcanic) in various geodynamic contexts. At the end of the course, students will have acquired a wealth of knowledge that will allow them to plan and conduct isotopic studies in various sectors of Earth Sciences, such as, for example, volcanology/petrology, hydrogeology, paleontology.
Knowledge and Understanding
The student will complete and strengthen the preparation and comprehension skills acquired through other Geochemistry courses. They will gain in-depth knowledge of isotopic geochemistry processes, enabling them to understand and interpret complex processes such as isotopic fractionation in high- and low-temperature environments, the reconstruction of trophic chains, and the identification of source zones. These skills are acquired through attendance at lectures. The level of learning is assessed via an oral exam after the course.
Ability to Apply Knowledge and Understanding
Thanks to the knowledge acquired, the student will be able to:
- Analyze in detail isotopic fractionation processes;
- Independently carry out study and research activities in the field of isotopic geochemistry;
- Use their theoretical knowledge to identify critical situations and propose possible solutions;
- Independently solve geochemical-environmental problems with the support of isotopic geochemistry.
Autonomy of Judgment
The student will develop the ability to characterize and evaluate the reliability of collected information, the level of uncertainty in data and measurements, and the complexity of available models for problem-solving. This capacity will allow the student to independently assess problems and formulate solutions even based on limited or incomplete information. Additionally, the student will learn to evaluate the consequences of their choices and proposed solutions on the isotopic context. All these skills are developed through the study and discussion of real cases in class.
Communication Skills
The student will acquire the ability to communicate their evaluations and proposed solutions concisely and effectively, both to a specialized audience (e.g., conferences, colleagues) and to a non-specialist audience (clients, the general public). This latter aspect is crucial for risk management topics, as technical assessments must be clearly conveyed to policymakers who interact with the population. Communication skills are developed through classroom discussions of the studied issues.
Learning Ability
The student will develop the ability to autonomously learn new concepts and theories, mainly by consulting literature in English. The various topics of the course will be addressed using articles published in specialized journals and textbooks in English. The level of learning achieved will be evaluated through the exam.
Contents
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Geochemistry of Traditional Stable Isotopes (C, N, O, H, S): Introduction: Terminology, standards, and mass spectrometry; equilibrium isotopic fractionation and kinetic isotopic fractionation; the hydrosphere; the oceans; biogenic carbonates: oxygen; carbon in low-temperature environments; low-temperature minerals other than carbonates; nitrogen; sulfur; igneous petrology; extraterrestrial materials.
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Geochemistry of Non-Traditional Stable Isotopes: Isotopic fractionation processes of selected elements (Li, B, Mg, Si, Cl, Ca, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, Tl, U).
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Geochemistry of Unstable or Radiogenic Isotopes: Physics and structure of the nucleus; basic concepts of radiogenic isotope geochemistry; decay systems and their applications; isotopes of helium and other rare gases; cosmogenic and fossil isotopes.
Detailed program
Traditional Stable Isotope Geochemistry (C, N, O, H, S)
- Introduction: Purpose of the discipline, isotopic abundances of elements, characteristics of elements that undergo significant isotopic fractionation, applications in Earth Sciences, isotopic effects (equilibrium and kinetic).
- Terminology, Standards, and Mass Spectrometry: Isotopes, isotopologues, isotopomers, delta value, fractionation factor α, values 1000lnα, Δ, and ε, reference standards, mass spectrometry of isotopic ratios.
- Equilibrium Isotopic Fractionation: Theory of stable isotope fractionation factors, relation with temperature, experimental determination of fractionation factors, empirical determination of fractionation factors, other factors controlling isotopic fractionation, multiple isotopic systems, distribution of isotopologues.
- The Hydrosphere: Natural abundances of water isotopologues, meteoric waters, meteoric water line, evaporation and condensation, factors controlling the isotopic composition of precipitation, groundwater, geothermal systems, basin brines and formation waters, glacial ice.
- The Oceans: Variations in oxygen isotopes in modern oceans, depth profiles for oxygen and carbon isotopes in modern oceans, stable isotope ratios as productivity indicators, isotopic compositions of ancient oceans, basalt/seawater interactions, buffering of ocean water oxygen isotopic ratio.
- Biogenic Carbonates - Oxygen: Phosphoric acid method, paleotemperature scale for oxygen isotopes, factors affecting paleotemperatures estimated through oxygen isotopes, applications of oxygen isotope paleothermometry.
- Carbon in Low-Temperature Environments: Carbon cycle, carbon reservoirs, isotopic values of carbonates, marine and terrestrial.
- Low-Temperature Minerals Other Than Carbonates: Phosphates, silica, clay minerals, iron oxides.
- Nitrogen: Nitrogen cycle, nitrogen isotope fractionation, characteristic nitrogen isotope ratios for different materials (plants, soils, fertilizers, rain, fossil fuels, waters), nitrogen isotope ratios in animals.
- Sulfur: Analytical techniques, equilibrium fractionation and geothermometry, formation of sulfates and sulfides at low temperature - sedimentary sulfur cycle, secular variations of sulfur isotope ratios, sulfur isotope ratios in terrestrial environments, variations in sulfur isotope oxygen.
- Igneous Petrology: Isotopes of carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, and sulfur in crust and mantle, emplacement of plutons: crust and hydrosphere interactions, calculating fluid/rock ratios, degassing, assimilation, and fractional crystallization.
- Extraterrestrial Materials: Classification of meteorites, oxygen isotopes in the solar system, hydrogen, carbon, nitrogen, sulfur, and chlorine isotopes in meteorites.
Non-Traditional Stable Isotope Geochemistry
- Basic information on non-traditional stable isotopes
- Applications in igneous petrology.
Radiogenic Isotope Geochemistry
- Physics and Structure of the Nucleus: Nuclear structure and energy; decay of excited and unstable nuclei (alpha, beta, and gamma decay, electron capture, spontaneous fission).
- Basic Concepts of Radiogenic Isotope Geochemistry: Radioactive decay equation; geochronology.
- Decay Systems and Their Applications: Rb-Sr system; Sm-Nd system; Lu-Hf system; Re-Os system; La-Ce system; U-Th-Pb system; U and Th decay series isotopes.
- Isotopes of Helium and Other Rare Gases: Helium; neon.
- Cosmogenic and Fossil Isotopes: ¹⁴C; ³⁶Cl in hydrology; ¹⁰Be in subduction zones; meteorite age by cosmic ray exposure; fossil nuclides.
Prerequisites
Good knowledge of Chemistry and Geochemistry.
Teaching form
27 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
1 three-hour lectures, in person, Delivered Didactics
6 ECTS
Textbook and teaching resource
powerpoint presentations provided by the professor
Specifically for the Traditional Stable Isotope Module:
Sharp Z, Principles of Stable Isotope Geochemistry, second edition, 2017.
Specifically for the Non-Traditional Stable Isotope Module:
Hoefs J, Stable Isotope Geochemistry, seventh edition, 2015. Springer.
Specifically for the Radiogenic Isotope Module:
White WM, Chapter 8: Radiogenic Isotope Geochemistry. In Geochemistry, second edition, 2020. Wiley-Blackwell.
Semester
Second semester
Assessment method
Oral exam after the end of the course (there are no mid-term tests) consisting of an interview on the topics covered during the course. The exam will consist of a minimum of three questions, the first of which is a topic from the program chosen by the student. The following will be evaluated: the degree of knowledge and depth of the various topics, the ability to make connections, the clarity of language, and the use of appropriate technical-scientific language.
Office hours
Appointments to be arranged via email: alessandro.fabbrizio@unimib.it
Scheda del corso
Staff
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Alessandro Fabbrizio