IDROGEOCHIMICA

IDROGEOCHIMICA

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iten
Codice
65685
ANNO ACCADEMICO
2019/2020
CFU
6 cfu al 1° anno di 9022 SCIENZE GEOLOGICHE (LM-74) GENOVA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
GEO/08
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (SCIENZE GEOLOGICHE )
periodo
2° Semestre
materiale didattico

PRESENTAZIONE

L’insegnamento di Idrogeochimica si prefigge di trattare mediante la presentazione degli strumenti teorici e computazionali adeguati e di elevato standard scientifico gli equilibri che si instaurano tra soluzioni acquose quali pioggia, acqua di falda, acqua superficiale e fasi minerali che costituiscono rocce e suoli. Il Corso comprende una sezione dedicata agli equilibri isotopici di ossigeno e idrogeno in soluzione acquosa.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento ha lo scopo di fornire al futuro professionista le basi per una corretta interpretazione delle interazioni tra le acque ospitate in un reservoir e la matrice solida che lo costituisce. Vengono messe in luce le relazioni tra i vari compartimenti nel quadro del ciclo generale dell’acqua attraverso il campionamento, l’interpretazione diagrammatica e l’elaborazione dei dati derivanti dai referti analitici di laboratorio. L’interesse per la dinamica evolutiva di un acquifero per ciò che concerne la condizione di qualità conduce nella seconda parte ad affrontare le tematiche di base per l’approntamento di una simulazione di flusso e trasporto (anche reattivo). A tal proposito verranno presentate le nozioni base di modellistica alle differenze finite, alle tecniche base di risoluzione numerica ed alle condizioni di stabilità di calcolo in simulazione. La dinamica fine inter-acquifero, la scansione evolutiva temporale in rapporto alle relazioni con i compartimenti attigui (atmosfera e acqua marina) viene indagata mediante lo studio isotopico di O e H per cui parte del programma verterà sul frazionamento isotopico di tali elementi. Il percorso di acquisizione delle conoscenze inerenti l’insegnamento troverà il completamento nella pratica computazionale dei calcoli di speciazione di soluzioni acquose in condizioni termo-bariche tipiche degli acquiferi superficiali e nella presentazione di case studies di interesse della geochimica delle acque. Una parte del programma verrà condotta sul terreno con esercitazioni di campionamento di acque da sorgenti e acque superficiali. Ogni argomento teorico presentato sarà supportato dalla pratica computazionale in lezioni guidate mediante software OpenSource.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L’insegnamento è concepito per coprire in maniera il più equilibrato possibile diversi aspetti dell’attività di indagine di un sistema idrico latu sensu nel campo dell’attività professionale e di Ricerca. In particolare lo studente al termine delle attività formative sarà in grado di:

  • saper descrivere nelle componenti fondamentali un sistema eterogeneo, multicomponente acqua-roccia con lo scopo di modellizzare numericamente gli aspetti principali;
  • aver la capacità di valutare criticamente le scelte effettuate nella scelta delle variabili scelte per la descrizione di un sistema acqua-roccia semplificato;
  • saper generare un input per codici di calcolo specifici che rispecchino i desiderata di progetto, le risorse operative e che soddisfino le necessità di accuratezza, precisione e solvibilità;
  • saper acquisire correttamente i parametri chimico-fisici labili di campo utilizzabili successivamente in sede di modelling;
  • saper integrare per la soluzione del problema le informazioni derivanti da altri ambiti specifici per un Geologo.

PREREQUISITI

L’insegnamento è basato su uno scambio continuo tra docente e studente e richiede l’applicazione di principi già conosciuti in altri Insegnamenti. Per affrontare efficacemente il Corso è necessario avere una conoscenza consolidata relativa ai corsi seguiti durante il Corso di Laurea Triennale, in particolare della Geochimica.

Modalità didattiche

L’insegnamento si compone di lezioni frontali e lezioni pratiche guidate assistite al PC. Essendo previsti test di apprendimento, attività per l’applicazione delle conoscenze acquisite, attività pratiche e metodologiche, la frequenza a lezioni ed esercitazioni di  laboratorio è fortemente consigliata. Le lezioni frontali in aula sono erogate mediante presentazioni multimediali. Le lezioni pratiche guidate sono mirate all’applicazione immediata delle conoscenze teoriche acquisite durante la lezione.Le esercitazioni di laboratorio si svolgono in aula informatica del DISTAV. Una parte del Corso sarà caratterizzato da uscite sul terreno per consolidare le tecniche di acquisizione dei parametri chimico-fisici labili caratterizzanti l'ambiente fisico indagato.

PROGRAMMA/CONTENUTO

L'insegnamento di Idrogeochimica [IGCH-65685] ha lo scopo di fornire al futuro professionista le basi per una corretta interpretazione delle interazioni tra le acque ospitate in un reservoir e la matrice solida che lo costituisce. Vengono messe in luce le relazioni tra i vari compartimenti nel quadro del ciclo generale dell’acqua attraverso il campionamento, l’interpretazione diagrammatica e l’elaborazione dei dati derivanti dai referti analitici di laboratorio.

L’interesse per la dinamica evolutiva di un acquifero per ciò che concerne la condizione di qualità conduce nella seconda parte ad affrontare le tematiche di base per l’approntamento di una simulazione di flusso e trasporto (anche reattivo). A tal proposito verranno presentate le nozioni base di modellistica alle differenze finite, alle tecniche base di risoluzione numerica ed alle condizioni di stabilità di calcolo in simulazione.

La dinamica fine inter-acquifero, la scansione evolutiva temporale in rapporto alle relazioni con i compartimenti attigui (atmosfera e acqua marina) viene indagata mediante lo studio isotopico di O e H per cui parte del programma verterà sul frazionamento isotopico di tali elementi.

Il percorso di acquisizione delle conoscenze inerenti l’insegnamento troverà il completamento nella pratica computazionale dei calcoli di speciazione di soluzioni acquose in condizioni termo-bariche tipiche degli acquiferi superficiali e nella presentazione di case studies di interesse della geochimica delle acque.

Una parte del programma verrà condotta sul terreno con esercitazioni di campionamento di acque da sorgenti e acque superficiali. Ogni argomento teorico presentato sarà supportato dalla pratica computazionale in lezioni guidate mediante software OpenSource.

Introduzione

Definizioni di acquifero e corpo idrico: limiti fisici e caratteri giuridici. Legislazione di riferimento sulle acque (EU, nazionale). Piano Regionale di Tutela delle Acque (PTA). Ciclo dell’acqua: impronta chimico-fisica ed isotopica delle acque nei vari compartimenti (acque di pioggia, superficiali, falda, carsica, marina). In e out del budget idrico di un acquifero. Zona satura e instaura di un acquifero. Caratteristiche di trasferimento dalla superficie all’acquifero di inquinanti inorganici ed organici. Workflow di un progetto in ambito idrogeochimico.

Campionamento

Definizione di survey e monitoraggio (sorveglianza, operativo, indagine): scala di osservazione nel dominio spazio-temporale. Questione di budget, accuratezza e sincronismo di acquisizione. Preparazione di una uscita sul terreno per campionamento di acque. Calcolo della portata di sorgenti. Spurgo preliminare di un pozzo di emungimento. Strumenti per la misurazione di T, pH, Eh, EC, TDS, O2, alcalinità, pCO2: taratura e manutenzione. Logging in continuo di un pozzo. Campionamento delle aliquote: filtratura, acidificazione. Stoccaggio. Protocolli analitici richiesti dal TU Dlgs 152/06.

Interpretazione dei dati

Unità di misura di concentrazione e di grandezze chimico-fisiche. Relazioni di conversione tra le varie unità e grandezze. Elettroneutralità di un’analisi di acqua. Diagrammi bivariati. Diagramma di Ficklin. Diagrammi triangolari. Diagramma di Piper. Diagramma di Langelier-Ludwig (LL). Analisi speditiva di un referto analitico di laboratorio.

Soluzioni acquose in un mezzo poroso

Natura del mezzo poroso “numerico”: relazioni con la realtà geologica. Porosità e legge di Darcy, gradiente idraulico, permeabilità. Tensore della conducibilità idraulica. Anisotropia ed eterogeneità dell’acquifero dipendente dalla scala di osservazione. Movimenti di una soluzione acquosa in un mezzo poroso: advezione, diffusione, dispersione. Leggi di Fick corrette. Tortuosità. Coefficienti di dispersione. Interazione diretta tra soluto-solvente e matrice solida: isoterme di adsorbimento (Langmuir e Freundlich). Fattore di ritardo. Scambio ionico tra soluzione e matrice solida. Il processo di mixing di acque: la norma, non l’eccezione. Modelli numerici di flusso e trasporto reattivo: caratteri principali. Equazioni di Laplace e di Poisson. Metodo delle differenze finite. Principi del Metodo NR per la soluzione di sistemi di equazioni lineari. Condizioni al contorno di un modello delle differenze finite. Condizioni di stabilità numerica del calcolo di flusso e trasporto reattivo.

Isotopi stabili di H e O

Dimensione isotopica della Tabella Periodica. Gli isotopi stabili di maggior interesse per l’idrogeochimica: H, O. Standard di riferimento (SMOW, V-SMOW). Frazionamento isotopico: perché, dove e in quali condizioni avviene. Fattore di frazionamento. Linea meteorica isotopica mondiale (MWML) e locale. Effetti di temperatura, di quota, di precipitazione e “continentale” sul frazionamento.

Calcoli di speciazione

Perché eseguire un calcolo di speciazione. Richiami di Geochimica di base: attività termodinamica, costante di Henry, fugacità, forza ionica, costanti di reazione e di equilibrio, costanti condizionali, affinità termodinamica all’equilibrio, indice di saturazione. Tipologia dei modelli di reazione acqua-roccia. Equilibrio vs. Disequilibrio. Cinetiche di reazione. Database termodinamici per i calcoli di speciazione: struttura e contenuto. Perché esistono più database termodinamici. Impatto della scelta di un database sui risultati del calcolo. Workflow della procedura di calcolo della speciazione di una soluzione acquosa. Diagrammi Eh-pH e dipendenza dal database termodinamico: ATLAS Eh-pH (Japan).

Software
Phreeqc3.0 [ http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/ ]
PHAST/P4W [ http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phast/ ]
PhreePlot [ http://www.phreeplot.org ]

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Le slides utilizzate durante le lezioni non sono disponibili in quanto sono concepite come strumento didattico nel facilitare il docente a seguire un filo logico e a permettere allo studente di seguire la lezione i cui contenuti sono riportati in maniera estesa e completa nei testi consigliati. I testi sotto indicati sono suggeriti come testi di riferimento, ma gli studenti possono comunque utilizzare anche altri testi di livello universitario.

Vetuschi Zuccolini M. (2011) Appunti di Idrogeochimica.
Ottonello G. (1991) Principi di Geochimica. Zanichelli Editore
Clark I (2015) Groundwater Geochemistry and Isotopes. CRC Press.

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: Il ricevimento degli studenti sarà concordato direttamente con il docente via email.

LEZIONI

Modalità didattiche

L’insegnamento si compone di lezioni frontali e lezioni pratiche guidate assistite al PC. Essendo previsti test di apprendimento, attività per l’applicazione delle conoscenze acquisite, attività pratiche e metodologiche, la frequenza a lezioni ed esercitazioni di  laboratorio è fortemente consigliata. Le lezioni frontali in aula sono erogate mediante presentazioni multimediali. Le lezioni pratiche guidate sono mirate all’applicazione immediata delle conoscenze teoriche acquisite durante la lezione.Le esercitazioni di laboratorio si svolgono in aula informatica del DISTAV. Una parte del Corso sarà caratterizzato da uscite sul terreno per consolidare le tecniche di acquisizione dei parametri chimico-fisici labili caratterizzanti l'ambiente fisico indagato.

INIZIO LEZIONI

Le lezioni del primo semestre avranno inizio a partire dal 30 Settembre 2019 ed avranno termine entro il 17 Gennaio 2020, le lezioni del secondo semestre avranno inizio a partire dal 17 Febbraio 2020 e avranno termine entro il 12 Giugno 2020.

Consultare orario dettagliato al seguente link: https://easyacademy.unige.it/portalestudenti/

ESAMI

Modalità d'esame

L'esame consiste nella soluzione di un test personalizzato inviato via mail dal Docente e svolto indipendentemente da ogni studente nei tempi e nei modi a sua discrezione, presentato e discusso in data di esame davanti alla Commissione. L'esame è superato se lo studente ha ottenuto un voto maggiore o uguale a 18.  Saranno disponibili 3 appelli nella sessione invernale (gennaio-febbraio) e 3 appelli nella sessione estiva (giugno, luglio, settembre). Studenti lavoratori e studenti non in corso sarà possibile richiedere l’attivazione di sessioni straordinarie.

Modalità di accertamento

I dettagli sulle modalità di preparazione all’esame sono presentati nel corso della prima lezione, assieme ad una presentazione del Corso nella sua completezza, il grado di approfondimento richiesto per ogni argomento saranno forniti nel corso delle lezioni. L’esame sarà basato principalmente sulla discussione dei risultati del test fornito dal docente. Sulla base della qualità delle risposte la Commissione prenderà spunto per approfondire altri argomenti trattati durante le lezioni e non direttamente affrontate nel test. Sarà anche valutata la capacità di esporre gli argomenti in modo chiaro e con una terminologia corretta.

ALTRE INFORMAZIONI

La frequenza costante e regolare alle lezioni e alle correlate esercitazioni di laboratorio è fortemente raccomandata seppur non obbligatoria. Il docente acquisirà la presenza degli studenti all’apertura della lezione.