Laboratorio isotopi dei gas nobili

Responsabile: Andrea Luca Rizzo

E-mail: andrea.rizzo@ingv.it

Coordinamento Scientifico: : Antonio Caracausi, Andrea Rizzo, Mauro Martelli

Collaboratori: :Maria Grazia Misseri, Mariano Tantillo

E-mail: laboratoriogasnobili.pa@ingv.it

Regolamento accesso ai laboratori

Il laboratorio isotopi dei gas nobili

Il laboratorio isotopi dei gas nobili, della sezione di Palermo è l’unico in Italia in grado di effettuare misure elementari ed isotopiche in simultanea di He, Ne e Ar in campioni di gas, acque e minerali/rocce, con livelli di precisione ed accuratezza tra i più elevati al mondo. Nell’ambito del vulcanismo (subaereo e sottomarino), i gas nobili sono tra gli strumenti più potenti per investigare, monitorare e valutare il rischio vulcanico.

Allo stato attuale il laboratorio è suddiviso in due settori di applicazione: analisi su matrici solide e analisi su matrici fluide, ciascuno dotato di 3 spettrometri di massa e relative linee di purificazione per l’analisi simultanea di He, Ne e Ar sulla stessa aliquota di gas.

Il Laboratorio nasce, presso l’Istituto Geochimica dei Fluidi (IGF) del CNR di Palermo, negli anni ’90, con l’obiettivo di acquisire nuovi parametri nell’ambito della sorveglianza geochimica, attraverso la misura del rapporto isotopico dell’elio. A tale scopo, venne installato in laboratorio Il primo spettrometro, un VG5400 a doppio collettore (Fig.1), uno di tre strumenti al mondo, modificato su specifica richiesta per la misura simultanea degli isotopi dell’elio (unità di massa atomica 3 e 4). Le prime analisi furono eseguite nel 1992 in campioni di gas liberi (Fig.2) ed arricchiti in soluzioni alcaline (Fig.3) provenienti dalle principali aree vulcaniche italiane. Negli anni successivi l’investigazione fu estesa ai gas disciolti nelle acque (generalmente termali e/o termominerali, ma anche sorgenti di acque fredde), appartenenti a sistemi geotermici ubicati in aree vulcaniche e sismiche, agli studi di solubilità dei gas nobili in fusi silicatici, ed alle inclusioni fluide in minerali (Figg.4 – 5) e rocce di origine principalmente vulcanica.

In seguito con la nascita dell’INGV di Palermo, avvenuta nel 2000, si avvia un progetto di sviluppo del laboratorio, per la realizzazione di una nuova elettronica per la gestione del VG5400, con l’installazione di uno spettrometro di massa Argus-GVI (Figg.6 – 7) e di una nuova linea di purificazione connessa ad esso, seguita, inoltre, dall’installazione di un Helix MC-GVI (Figg.8 – 9) inizialmente progettato per gli isotopi del neon. Tra il 2004 ed il 2008 è stato pensato in laboratorio, e realizzato da una ditta italiana esterna, un sistema di frantumazione cristalli (Fig.10) ed una nuova linea di purificazione (Fig.11), successivamente implementati per aumentare la capacità analitica del laboratorio. Nello stesso periodo il VG5400 fu sostituito con un Helix SFT-GVI (Fig.12). Tra il 2010 ed il 2017 il laboratorio è stato ulteriormente sviluppato con l’installazione di altri 3 strumenti forniti dalla Thermo Scientific [ 2 Helix SFT (Figg.13 – 14) ed 1 Helix MC-plus (Fig. 15)], una fornace di alta temperatura (Fig.16 – 17), una cella per ablazioni laser (Figg.18 – 19) e due linee di purificazione automatiche (Fig.11).

Configurazioni strumentali

Il laboratorio isotopi dei gas nobili è dotato di strumentazioni, ad elevata precisione ed accuratezza analitica, in grado di determinare l’abbondanza elementare ed isotopica dei gas nobili leggeri (He, Ne ed Ar) contenuti in fluidi (Figg.2 – 3), minerali (Figg.4 – 5) e rocce. Il laboratorio è virtualmente diviso in due sezioni, distinte in funzione del tipo di campioni da analizzare e delle relative applicazioni scientifiche:
1. Analisi isotopiche di fluidi, quali gas secchi, gas arricchiti in soluzioni alcaline e gas disciolti in acqua, prelevati in qualsiasi ambiente subaereo o sottomarino (Fig.20) e finalizzati a studi di ricerca di base sui volatili della Terra, ed al monitoraggio geochimico in aree vulcaniche e sismiche.
2. Analisi isotopiche di solidi, quali minerali e rocce (inclusioni fluide e componente reticolare disciolta) provenienti da ambienti principalmente vulcanici (lave, tefra, enclave mafici, inclusi ultramafici, vetri naturali e sintetici, etc.) finalizzati a studi di ricerca di base sul mantello, specifici sistemi vulcanici o contesti geodinamici, solubilità in fusi silicatici, etc.

Le strumentazioni a disposizione nella prima sezione del laboratorio sono:

– n. 1 spettrometro di massa Helix SFT-GVI per la misura simultanea di 3He e 4He (Fig.12).

– n. 1 spettrometro di massa Helix MC-GVI per la misura simultanea di 40Ar, 38Ar, e 36Ar (Figg.8 e 9).

– n. 1 spettrometro di massa Helix MC plus-Themo Scientific per la misura simultanea di 20Ne, 21Ne, 22Ne (Fig.15).

– n. 3 linee di purificazione (He, Ne, e Ar) dei campioni di gas (Fig.21), interconnesse agli spettrometri di massa, dotate di sistema di introduzione con 3 volumi calibrati da 0.1 cc (Figura 22), e trappola criogenica per adsorbimento e separazione gas nobili (T fino a 10°K, Fig.23).

– n. 1 linea di purificazione campioni di gas e standard con quadrupolo (fino a massa 200).

– Installazione n. 1 linea di purificazione automatica (Fig.11), interconnessa ai 3 spettrometri di massa, dotata di sistema di introduzione gas per analisi gas nobili pesanti (Kr, Xe).

Sviluppi in corso e/o imminenti:

– Realizzazione n. 1 sistema di estrazione gas disciolti in acqua da tubi di rame (Figg.24 – 25).

Le strumentazioni a disposizione nella seconda sezione del laboratorio sono:

– n. 1 spettrometro di massa Helix SFT-Themo Scientific per la misura simultanea di 3He e 4He (Fig.13).

– n. 1 spettrometro di massa Argus-GVI per la misura simultanea di 40Ar, 38Ar, e 36Ar (Fig.6 e 7).

– n. 1 spettrometro di massa Helix SFT-Themo Scientific per la misura via “peak jumping” di 20Ne, 21Ne, 22Ne, 40Ar2+ e 44CO222+(Fig.14).

– n. 1 sistema di frantumazione cristalli per l’investigazione delle inclusioni fluide (Fig.10).

– n. 1 fornace UHV di alta temperatura (max 1900°C; Fig.16 e 17).

– n. 1 linea di purificazione automatica (Fig.11), interconnessa al sistema di frantumazione cristalli, alla fornace ed ai 3 spettrometri di massa, dotata di sistema di introduzione gas e trappola criogenica per adsorbimento e separazione gas nobili (T fino a 10°K).

– n. 1 linea di purificazione in vetro per estrazione (Fig.29), purificazione ed intrappolamento CO2 da inclusioni fluide.

Sviluppi in corso e/o imminenti:

– Sviluppo tecnica analitica per analisi in situ su minerali e vetri (naturali o sintetici) attraverso cella UHV connessa a sistema laser e spettrometro Helix SFT-Themo Scientific (Fig.18 e 19).

Applicazioni ed attività di ricerca

Il laboratorio isotopi dei gas nobili della sezione di Palermo è in grado di fornire supporto analitico (in collaborazione o a pagamento) per molte delle applicazioni che questi traccianti consentono.

Sebbene le attività istituzionali ed i progetti di ricerca siano sempre in continua evoluzione, i principali campi di applicazione dei gas nobili prodotti dal laboratorio riguardano:

– Origine dei fluidi nei sistemi naturali della Terra.
– Evoluzione e struttura dei sistemi vulcanici (subaerei e sottomarini), ed implicazioni geodinamiche.
– Circolazione dei fluidi in sistemi idrotermali/magmatici (subaerei e sottomarini) e geotermici.
– Caratteristiche del mantello e principali processi che lo riguardano (rifusione, rifertilizzazione, metasomatismo, degassamento, contaminazione).
– Solubilità dei gas nobili nei fusi silicatici.
– Sviluppo di modelli di degassamento magmatico.
– Monitoraggio vulcanico e dinamiche di unrest pre- e sin-eruttivo.
– Relazioni tra tettonica e degassamento.

Rapporti tecnici su metodi sviluppati in laboratorio

238 Tecnica di estrazione ed analisi della concentrazione e della composizione isotopica dell’anidride carbonica contenuta nelle inclusioni fluide.
Mimma Emanuela Gennaro, Paolo Cosenza, Giuseppe Riccobono, Mariano Tantillo, Fausto Grassa, Andrea Rizzo.
URL: “http://istituto.ingv.it/l-ingv/produzione-scientifica/rapporti-tecnici-ingv/archivio/rapporti-tecnici-2012/?searchterm=tantillo”

87 Sistema di frantumazione minerali e rocce (crusher) per la stima delle concentrazioni elementari ed isotopiche dei gas nobili contenuti nelle inclusioni fluide.
Mariano Tantillo, Giuseppe Riccobono, Andrea Rizzo.
URL: http://istituto.ingv.it/l-ingv/produzione-scientifica/rapporti-tecnici-ingv//archivio/rapporti-tecnici-2009/