La geochimica degli isotopi stabili è una vasta disciplina che conta numerose applicazioni nella geologia, nella biologia, nel campo agronomico, medico, archeologico e alimentare. In geologia, può essere applicata agli studi di alta e bassa temperatura, dalla vulcanologia e geotermia all’idrotermalismo e alla climatologia (e paleoclimatologia), fino ad applicazioni alla geologia planetaria.

La geochimica degli isotopi stabili studia le concentrazioni relative degli elementi e dei loro isotopi, in particolar modo di idrogeno, carbonio, azoto, ossigeno e zolfo. Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti lo stesso numero di protoni ma differiscono in numero di neutroni e quindi in numero di massa atomica. L’isotopo leggero di questi elementi è il più abbondante in natura rispetto a quello più pesante. La loro relativa abbondanza e il rapporto tra l’isotopo pesante e leggero non è costante: ci sono molti meccanismi naturali per i quali l’isotopo pesante (o leggero) può essere preferenzialmente concentrato o impoverito in una fase (solida, liquida o gassosa) rispetto ad un’altra (i.e., frazionamento isotopico).

La geochimica degli isotopi stabili studia sia i meccanismi non ancora conosciuti che inducono il frazionamento isotopico sia applica le conoscenze attuali sui frazionamenti isotopici dei vari elementi per risalire ai meccanismi che lo hanno generato.
Questa disciplina è un potente strumento per indagare e studiare l’origine dei fluidi terrestri (idrotermali, geotermici, magmatici) che precipitano minerali, che interagiscono con la geo- e biosfera, che alimentano falde acquifere, che circolano negli strati profondi e superficiali della terra. E’ altresì fondamentale per definire la storia magmatica di una roccia, per ricavare l’origine di una meteorite, per identificare il ruolo biologico nella formazione o nella alterazione di rocce terrestri così come per vedere le variazioni climatiche nel tempo (a scala geologica e recente).
Il Laboratorio di Isotopi Stabili dell’Istituto di Geoscienze e Georisorse inizia la sua attività nel 2005 e nel corso del tempo è stato implementato con nuova strumentazione e metodiche, permettendo una sempre più vasta applicabilità delle nostre analisi. Nel 2016 il laboratorio è stato rinnovato, implementato e trasferito in un nuovo spazio più ampio e moderno.

Il laboratorio di geochimica degli isotopi stabili, insieme ad altri laboratori di IGG e altri EPR, fa parte della reti ESFRI EPOS (European Plate Observing System, (www.epos-eu.org) che nasce per integrare a livello europeo le infrastrutture di ricerca nazionali per le Scienze della Terra Solida.

STRUMENTAZIONE

La strumentazione presente nel laboratorio consente la misura del contenuto di azoto, zolfo, idrogeno e di carbonio organico e inorganico (TN, TS, H, TOC, TIC) di campioni solidi, liquidi e gas e di determinarne la loro composizione isotopica.
Inoltre il laboratorio è impegnato nello sviluppo di nuove metodologie volte all’implementazione dei sistemi di introduzione, anche automatizzabili, del campione nelle macchine che si interfacciano agli spettrometri e alla ricerca di nuovi metodi per l’analisi isotopica di matrici complesse (gas di spazi di testa) o a bassa concentrazione (gas secchi campionati da fumarole o in aria ambiente con concentrazioni molto basse).

Sono presenti quattro spettrometri di massa IRMS (Thermo Delta XP, Thermo Delta Plus, Finningan MAT Delta Plus, Finningan ThermoQuest Delta Plus) che si interfacciano con:

  • Linea di fluorinazione laser per la determinazione dei rapporti di 18O/16O e 17O/16O di minerali silicatici
  • Gasbench II (Finningan) per la determinazione automatica in CF dei rapporti di 18O/16O e 13C/12C di carbonati
  • Linea di preparazione per la determinazione dei rapporti di 18O/16O e 13C/12C di carbonati impuri (es.: calcite, dolomite, magnesite), di rocce a contenuto variabile di carbonato e di carbonati misti (con estrazione sequenziale)
  • Gas Cromatografo Trace GC Ultra (Thermo Scientific) per la separazione dei composti del carbonio (CO2, idrocarburi, biomarker, etc) e la determinazione di 13C ed eventualmente di 2H
  • TC/EA (Finningan) per analisi isotopica di 2H e 18O di acque e di solidi (con campionatore automatico per liquidi e solidi)
  • Analizzatore elementare Flash EA1112HT (Thermo Scientific) per analisi elementare e isotopica di C, H, N, S, O di solidi, liquidi e gas (compresi gas in spazi di testa)
  • Analizzatore Elementare (Carlo Erba) per analisi quantitativa e isotopica di C, H, N di liquidi (olio, vino, olii combustibili e benzine) e solidi

PERSONALE

Dott.ssa Chiara Boschi (Ricercatrice CNR- Responsabile Laboratorio)

Dott.Luigi Dallai (Ricercatore CNR)

Dott.ssa Ilaria Baneschi (Tecnologa CNR)

Dott. Maurizio Catania (Tecnico CNR) 

Dott. Massimo Guidi (Associato CNR)

Dott.ssa Eleonora Regattieri (Associata IGG-CNR)

Il laboratorio ospita abitualmente colleghi, associati e personale in formazione proveniente da università e centri di ricerca.

CONTATTI

Telefono:

050 621 2315 (Dott.ssa Chiara Boschi) 

050 621 3470 (Dott. Luigi Dallai)

050 6212343 (Dott.ssa Ilaria Baneschi)

050 3152390 (Laboratorio preparazione campioni)

E-mail:

chiara.boschi(at)igg.cnr(dot)it 

luigi.dallai(at)igg.cnr(dot)it

ilaria.baneschi(at)igg.cnr(dot)it 

Le tecniche analitiche in uso nel laboratorio sono molteplici, in funzione della matrice (gassosa, liquida, solida) e dell’isotopo da analizzare. In particolare, il campione di partenza deve essere adeguatamente trattato al fine di ottenere un’aliquota gassosa da introdurre nello spettrometro IRMS in modo continuo (continuous flow) o manuale (dual inlet).

I campioni solidi possono venire ablati (tramite tecniche di estrazione laser), combusti (tramite tecniche di ossidazione flash), pirolizzati (tramite decomposizione termica ad alta temperatura), disciolti in acido o trattati attraverso solventi organici.
I campioni liquidi sono trattati tramite pirolizzazione; i campioni gassosi se puri (solo N2, CO2, H2, CO) sono iniettati tal quali, oppure separati criogenicamente o tramite tecniche gas cromatografiche.

L’aliquota gassosa risultante dalle tecniche di preparazione del campione è introdotta nello spettrometro IRMS, dove è ionizzata. Le varie molecole gassose sono separate in funzione della loro massa (in base al rapporto m/z) e quantificate tramite un detector (Faraday Cup).
Il rapporto isotopico è espresso in per mille (‰) rispetto ad uno standard internazionale (PDB per il carbonio, SMOW per l’ossigeno e il deuterio, AIR per l’azoto). Ad ogni run di misura sono analizzati standards certificati insieme ai campioni per la calibrazione e correzione dei dati misurati.

PROGETTI

  • GEMEX 2016-2019 (Horizon 2020) “Cooperation in Geothermal energy research Europe-Mexico for development of Enhanced Geothermal Systems and Superhot Geothermal Systems".
  • Progetto Ecopotential 2015-2019 (HORIZON 2020) “Improving future Ecosystem Benefits through earth observations”.
  • IODP EXPEDITION 357 “Atlantis Massif Serpentinization and Life”.
  • Progetto INGV-UniPi Speleotemi (Federazione Speleologica Toscana)
  • Progetto DESCRAMBLE 2015-2018 (Horizon 2020) “Developing the next generation technologies of renewable electricity and heating/cooling”
  • 2014-2015 Progetto di ricerca per la ricostruire la storia ambientale e climatica del bacino del lago dell’Accesa e del Trasimeno durante gli ultimi diecimila anni. Progetto in collaborazione con il Dip. di scienze della Terra e l’Università di Colonia.
  • Progetto IMAGE, 2013-2017: Integrated Methods for Advanced Geothermal Exploration; European project co-funded by the European Commission within the 7th Framework Programme for Research and Technological Development (FP7).
  • The Ritmare Flagship Project, 2012-2016: Planning of the Deep Marine Environment and the Open Sea, supported by the Ministry of Education, Universities and Research.
  • Progetto RESPIRA, 2009-2013: REservoir Serpentinitici toscani: da Potenziale Inquinante a Risorsa Ambientale (Tuscan serpentinites reservoir: from potential pollutant to environmental resource), supported by Tuscan Region (Italy) and EU.
  • CSNA‐PNRA project 2012-2014: Antarctic meteorites, supported by the Ministry of Education, Universities and Research.
  • CSNA‐PNRA project: 2010-2012: Transitions between glacial and interglacial periods inferred by the multidisciplinary investigation of glaciomarine sediments in Ross Sea (Antarctica), supported by the Ministry of Education, Universities and Research.
  • PRIN 2010-2014. Lo studio delle ceneri vulcaniche distali (tefra) in sistemi lacustri all’interno del progetto ICDP (SCOPSCO): studio dell’impatto ambientale e contributi alla cronologia e alla valutazione della pericolosità vulcaniche in aree distali. Settore Geo/08 (Geochimica e Vulcanologia). Responsabile Scientifico: Dr. Roberto Sulpizio (Università di Pisa).
  • PRIN 2010-2013. Le formazioni costiere della Patagonia come archivi naturali delle variazioni del livello marino e del clima durante il Quaternario nell’emisfero australe: un contributo per la costruzione di scenari climatici futuri. Settore Geo/08 (Geochimica e Vulcanologia). Responsabile Scientifico: Dr. Giovanni Zanchetta (Università di Pisa).
  • IGG-CNR- URBAT 2009-2011. Attività di studio, ricerca, campionamento ed analisi chimico fisiche connesse al progetto per una metodologia unitaria di smaltimento dei residui terrosi provenienti dalla ricamatura dei corsi d'acqua (Responsabile modulo: Dr. Massimo Guidi)

INTERESSI SCIENTIFICI

  • Studio delle serpentiniti oceaniche e delle loro alterazioni di bassa temperatura con formazione di carbonati (Sequestro mineralogico della CO2).
  • Studio isotopico (O, C) della formazione di carbonati in differenti ambienti geodinamici.
  • Studio delle interazioni tra geo-, bio- e idrosfera (laghi, zone umide, speleotemi) attuali e passati per ricostruzioni ambientiali e climatiche.

PUBBLICAZIONI SELEZIONATE

  • Regattieri E., Giaccio B., Nomade S., Francke A., Vogel H., Drysdale R. N., Perchiazzi N., Wagner B., Gemelli M., Mazzini I., Boschi C., Galli P., Peronace E., (2017). A Last Interglacial record of environmental changes from the Sulmona Basin (central Italy). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 472: 51–66, doi: 10.1016/j.palaeo.2017.02.013.
  • Zanchetta G., Bini M, Giaccio G., Manganelli G., Benocci A., Regattieri E., Colonese A.C., Boschi C., Biagioni C., (2017). Middle Pleistocene (MIS 14) environmental conditions in the central Mediterranean derived from terrestrial molluscs and carbonate stable isotopes from Sulmona Basin (Italy). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 485, 236–246, doi: 10.1016/j.palaeo.2017.06.016
  • Attanasio D., Boschi C., Bracci S., Cantisani E., Paolucci F., (2016). The Greek and Asiatic marbles of the Florentine Niobids. Journal of Archaeological Science 66, 103-111, doi: 10.1016/j.jas.2015.12.008.
  • Brogi A., Alçiçek M.C., Yalciner C.C., Capezzuoli E., Liotta D., Meccheri M., Rimondi V., Ruggieri G., Gandin A., Boschi C., Büyüksarac A., Alçiçek H. Bülbül A., Baykara M.O., Shen C.C., (2016). Hydrothermal fluids circulation and travertine deposition in an active tectonic setting: Insights from the Kamara geothermal area (western Anatolia, Turkey). Tectonophysics 680, 211-232.
  • Smeraglia L., Berra F., Billi A., Boschi C., Carminati E., and Doglioni C. (2016). Origin and role of fluids involved in the seismic cycle of extensional faults in carbonate rocks. Earth and Planetary Science Letters 450, 292–305, doi: 10.1016/j.epsl.2016.06.042.
  • Regattieri, E., Zanchetta, G., Drysdale, R.N., Isola, I., Woodhead, J.D., Hellstrom, J.C., Giaccio, B., Greig, A., Baneschi, I., Dotsika, E., (2016). Environmental variability between the penultimate deglaciation and the mid Eemian: Insights from Tana che Urla (central Italy) speleothem trace element record. Quaternary Science Reviews, 152,  80-92. doi: 10.1016/j.quascirev.2016.<wbr />09.027.
  • Zanchetta G., Regattieri E., Isola I., Drysdale R. N., Drysdale R. N., Bini M., Baneschi I., Hellstrom J. C. (2016). The so-called "4.2 event" in the central mediterranean and its climatic teleconnections. Alpine and Mediterranean Quaternary, 29: 5-17.
  • Giaccio B., Regattieri E., Zanchetta G., Wagner B., Galli P., Mannella G., Niespolo E., Peronace E., Renne P.R., Nomade S., Cavinato G.P., Messina P., Sposato A., Boschi C., Florindo F., Marra F., Sadori L. (2015). A key continental archive for the last 2 Ma of climatic history of the central Mediterranean region: A pilot drilling in the Fucino Basin, central Italy. Sci. Dril., 20, 13–19, 2015, doi:10.5194/sd-20-13-2015.
  • Baneschi I., Isola I., Regattieri E., Guidi M., Zanchetta G. (2015). Composizione isotopica delle acque di pioggia e di stillicidio dell’Antro del Corchia: Implicazioni Idrologiche e Paleoclimatiche. Acta Apuana, IX-X: 59-69.
  • Gil G., Barnes J. D., Boschi C., Gunia P., Raczyński P., Szakmány G., Bendő Z., Péterdi B., (2015). Nephrite from Złoty Stok (Sudetes, SW Poland): Petrological, geochemical, and isotopic evidence for a dolomite-related origin. Can. Min., 53, 533-556.
  • Regattieri E., Giaccio B., Galli P., Nomade S., Peronace E., Messina P., Sposato A., Boschi C., Gemelli M., (2015). A multi-proxy record of MIS 11-12 deglaciation and glacial MIS 12 instability from the Sulmona basin (central Italy).
  • Rimondi V., Costagliola P., Ruggieri G., Benvenuti M., Boschi C., Brogi A., Capezzuoli E., Morelli G., Gasparon M., Liotta D., (2015). Fluid inclusions, mineralogy, carbon and oxygen isotopes of tectonically controlled banded calcite veins (banded travertine): insights from the fossil hydrothermal system of Castelnuovo dell’Abate (Tuscany, Italy). In press to International Journal of Earth Sciences.
  • Attanasio D., C. Boschi, S. Bracci, E. Cantisani, F. Paolucci, (2014). Provenance Studies of the Marble of Ancient Sculptures in the Tribune of the Uffizi Gallery, Florence, Archaeometry, doi: 10.1111/arcm.12121.
  • Colonese A.C., Zanchetta G., Fallick A.E., Manganelli G., Lo Cascio P., Hausmann N., Baneschi I., Regattieri E. (2014). Oxygen and carbon isotopic composition of modern terrestrial gastropod shells from Lipari Island, Aeolian Archipelago (Sicily). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 394: 119-127.
  • Lorenzini S., Baroni C., Baneschi I., Salvatore M.C., Fallick A.E., Hall B.L. (2014). Adélie penguin dietary remains reveal Holocene environmental changes in the western Ross Sea (Antarctica). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 395: 21–28.
  • Masi A., Sadori L., Restelli Balossi F., Baneschi I., Zanchetta G. (2014). Stable carbon isotope analysis as a crop management indicator at Arslantepe (Malatya, Turkey) during the Late Chalcolithic and Early Bronze Age. Vegetation History and Archaeobotany, 23: 751–760.
  • Mazzarini F., G. Ruggeri, I. Isola, C. Boschi, A. Dini, G. Musumeci, S. Rocchi, (2014). Fluid transfer and vein thickness distribution in high and low temperature hydrothermal systems at shallow crustal level in southern Tuscany (Italy). Annals of Geophysics, 57, 3, 2014, S0326; doi:10.4401/ag-6263.
  • Mittempergher, S., Dallai, L., Pennacchioni, G., Renard, F., Di Toro, G. (2014). Origin of hydrous fluids at seismogenic depth: Constraints from natural and experimental fault rocks. Earth and Planetary Science Letters, 385, 97-109, DOI: 10.1016/j.epsl.2013.10.027.
  • Negri, A., Amorosi, A., Antonioli, F., Bertini, A., Florindo, F., Lurcock, P.C., Marabini, S., Mastronuzzi, G., Regattieri, E., Rossi, V., Scarponi, D., Taviani, M., Zanchetta, G., Vai, G.B. (2014). A potential global boundary stratotype section and point (GSSP) for the Tarentian Stage, Upper Pleistocene, from the Taranto area (Italy): Results and future perspectives. Quaternary International, in press dx.doi.org/10.1016/j.quaint.2014.08.057.
  • Tribuzio, R., Renna, M.R., Dallai, L., Zanetti, A., (2014). The magmatic-hydrothermal transition in the lower oceanic crust: Clues from the Ligurian ophiolites, Italy. Geochimica et Cosmochimica Acta, 130, 188-211, DOI: 10.1016/j.gca.2014.01.010.
  • D'Antonio, M., Tonarini, S., Arienzo, I., Civetta, L., Dallai, L., Moretti, R., Orsi, G., Andria, M., Trecalli, A., (2013). Mantle and crustal processes in the magmatism of the Campania region: inferences from mineralogy, geochemistry, and Sr-Nd-O isotopes of young hybrid volcanics of the Ischia island (South Italy). Contributions to Mineralogy and petrology, 165, 6, 1173-1194, DOI: 10.1007/s00410-013-0853-x.
  • Baneschi I., Dallai L.; Giazzi G.; Guidi M.; Krotz L. (2013). A method for the definition of the carbon oxidation number in the gases dissolved in waters and the redox variations using an elemental analyser (FlashEA 1112). Preliminary data from a stratified lake. J. Geochemical exploration., 124: 14-21.
  • Colonese A.C., Zanchetta G., Perles C., Drysdale R.N., Manganelli G., Baneschi I., Dotsika E., Valladas H. (2013). Deciphering late Quaternary land snail shell δ18O and δ13C from Franchthi Cave (Argolid, Greece). Quaternary Research, 80: 66-75.
  • Gozzi, F., Gaeta, M., Freda, C., Mollo, S., Di Rocco, T., Marra, F., Dallai, L., Pack, A., (2013). Primary magmatic calcite reveals origin from crustal carbonate, Lithos, 190, 191-203, doi: 10.1016/j.lithos.2013.12.008.
  • Masi A., Sadori L., Zanchetta G., Baneschi I., Giardini M., (2013). Climatic interpretation of carbon isotope content of mid-Holocene archaeological charcoals from eastern Anatolia. Quaternary International, 303: 64-72.
  • Masi A., Sadori L., Baneschi I., Siani A.M., Zanchetta G. (2013). Stable isotope analysis of archaeological oak charcoal from eastern Anatolia as a marker of mid-Holocene climate change. Plant Biology, 15: 83-92.
  • Di Rocco, T., Freda, C., Gaeta, M., Mollo, S., Dallai, L., (2012). Magma Chambers Emplaced in Carbonate Substrate: Petrogenesis of Skarn and Cumulate Rocks and Implications for CO2 Degassing in Volcanic Areas. Journal of Petrology, 53, 11, 2307-2332, DOI: 10.1093/petrology/egs051.
  • Meneghini F., Botti F., Aldega L., Boschi C., Corrado S., Marroni M., Pandolfi L., (2012). Hot fluid pumping along shallow level collisional thrusts: the Monte Rentella Shear Zone, Umbria Apennine, Italy. Journal of Structural Geology 37, 36-52.
  • Zanchetta G., Van Welden A., Baneschi I., Drysdale R., Sadori L., Roberts N., Giardini M., Beck C., Pascucci V. (2012). Multiproxy record for the last 4500 years from Lake Shkodra (Albania/Montenegro). J. Quaternary Science, 27: 780-789.
  • Dallai, L., Burgess, R., (2011). A record of Antarctic surface temperature between 25 and 50 m.y. ago. Geology, 39, 5, 423-426.
  • Dallai L., Cioni R., Boschi C., D’Oriano C., (2011). Oxygen isotope composition of mafic magmas at Vesuvius, EPSL. 310, 84–95.
  • Lorenzini S., Baneschi I., Fallick A.E., Salvatore M.C., Zanchetta G., Dallai L., Baroni C. (2011). Insights into the Holocene environmental setting of Terra Nova Bay region (Ross Sea, Antarctica) from oxygen isotope geochemistry of Adélie penguin eggshells. The Holocene, 22(I): 63-69.
  • Perinelli, C., Armienti, P., Dallai, L., (2011) Thermal Evolution of the Lithosphere in a Rift Environment as Inferred from the Geochemistry of Mantle Cumulates, Northern Victoria Land, Antarctica. Journal of Petrology, 52, 4, 665-690.
  • Leng M.J., Baneschi I., Zanchetta G., Jex C.N., Wagner B., Vogel H. (2010). Late Quaternary palaeoenvironmental reconstruction from Lakes Ohrid and Prespa (Macedonia/Albania border) using stable isotopes. Biogeosciences, 7: 3109-3122.
  • Lorenzini S., Baroni C., Fallick A.E., Baneschi I., Salvatore M.C., Zanchetta G., Dallai L. (2010). Carbon and Nitrogen isotopic ratio of Adélie penguin remains document a late-Holocene paleodietary shift in Northern Victoria Land (Ross Sea, Antarctica). Oecologia, 164: 911-919. DOI 10.1007/s00442-010-1790-2.
  • Mazzarini F., Isola I., Ruggieri G., Boschi C., (2010). Fluid circulation in the upper brittle crust: thickness distribution, hydraulic transmissivity fluid inclusion and isotopic data of veins hosted in the Oligocene sandstones of the Macigno Formation in southern Tuscany, Italy, Tectonophysics, 493, 118–138.
  • Meneghini F., Botti F., Aldega L., Boschi C., Corrado S., Marroni M., Pandolfi L., (2010). Hot fluid pumping along shallow level collisional thrusts: the Monte Rentella Shear Zone, Umbria Apennine, Italy. Rendiconti della Società Geologica Italiana, Volume 11, Fascicolo 1, pp 337-338.
  • Vannucchi P., Remitti F., Bettelli G., Boschi C., Dallai L., (2010). Fluid history related to the early Eocene-middle Miocene convergent system of the Northern Apennines (Italy): constraint from structural and isotopic studies. J. Geophys. Res. 115, B05405,, doi:10.1029/2009JB006590.
  • Vannucchi P., Remitti F., Boschi C., Bettelli G., Dallai L., (2010). Deformation and fluid circulation in an erosive subduction channel: constraints from structural and isotopic studies of the ancient analogue of the Northern Apennines of Italy, Rendiconti della Società Geologica Italiana, Volume 11, Fascicolo 1, pp 360-361.
  • Xia, QK., Hao, YT; Li, P., Deloule, E., Coltorti, M., Dallai, L., Yang, XZ., Feng, M., (2010). Low water content of the Cenozoic lithospheric mantle beneath the eastern part of the North China Craton. Journal of Geophysical Research, 115, B07207, DOI: 10.1029/2009JB006694.