Exploration of the contribution of isotope ratio mass spectrometry to the investigation of explosives: A study of black powders and ammonium nitrate fertilisers

The increasing number of bomb attacks involving improvised explosive devices, as well as the nature of the explosives, give rise to concern among safety and law enforcement agencies. The substances used in explosive charges are often everyday products diverted from their primary licit applications. Thus, reducing or limiting their accessibility for prevention purposes is difficult. Ammonium nitrate, employed in agriculture as a fertiliser, is used worldwide in small and large homemade bombs. Black powder, dedicated to hunting and shooting sports, is used illegally as a filling in pipe bombs causing extensive damage. If the main developments of instrumental techniques in explosive analysis have been constantly pushing the limits of detection, their actual contribution to the investigation of explosives in terms of source discrimination is limited. Forensic science has seen the emergence of a new technology, isotope ratio mass spectrometry (IRMS), that shows promising results. Its very first application in forensic science dates back to 1979. Liu et al. analysed cannabis plants coming from different countries [Liu et al. 1979]. This preliminary study highlighted its potential to discriminate specimens coming from different sources. Thirty years later, the keen interest in this new technology has given rise to a flourishing number of publications in forensic science. The countless applications of IRMS to a wide range of materials and substances attest to its success and suggest that the technique is ready to be used in forensic science. However, many studies are characterised by a lack of methodology and fundamental data. They have been undertaken in a top-down approach, applying this technique in an exploratory manner on a restricted sampling. This manner of procedure often does not allow the researcher to answer a number of questions, such as: do the specimens come from the same source, what do we mean by source or what is the inherent variability of a substance? The production of positive results has prevailed at the expense of forensic fundamentals. This research focused on the evaluation of the contribution of the information provided by isotopic analysis to the investigation of explosives. More specifically, this evaluation was based on a sampling of black powders and ammonium nitrate fertilisers coming from known sources. Not only has the methodology developed in this work enabled us to highlight crucial elements inherent to the methods themselves, but also to evaluate both the longitudinal and transversal variabilities of the information. First, the study of the variability of the profile over time was undertaken. Secondly, the variability of black powders and ammonium nitrate fertilisers within the same source and between different sources was evaluated. The contribution of this information to the investigation of explosives was then evaluated and discussed. --------------------------------------------------------------------------------------------------- Le nombre croissant d'attentats à la bombe impliquant des engins explosifs artisanaux, ainsi que la nature des charges explosives, constituent une préoccupation majeure pour les autorités d'application de la loi et les organismes de sécurité. Les substances utilisées dans les charges explosives sont souvent des produits du quotidien, détournés de leurs applications licites. Par conséquent, réduire ou limiter l'accessibilité de ces produits dans un but de prévention est difficile. Le nitrate d'ammonium, employé dans l'agriculture comme engrais, est utilisé dans des petits et grands engins explosifs artisanaux. La poudre noire, initialement dédiée à la chasse et au tir sportif, est fréquemment utilisée comme charge explosive dans les pipe bombs, qui causent des dommages importants. Si les développements des techniques d'analyse des explosifs n'ont cessé de repousser les limites de détection, leur contribution réelle à l'investigation des explosifs est limitée en termes de discrimination de sources. Une nouvelle technologie qui donne des résultats prometteurs a fait son apparition en science forensique: la spectrométrie de masse à rapport isotopique (IRMS). Sa première application en science forensique remonte à 1979. Liu et al. ont analysé des plants de cannabis provenant de différents pays [Liu et al. 1979]. Cette étude préliminaire, basée sur quelques analyses, a mis en évidence le potentiel de l'IRMS à discriminer des spécimens provenant de sources différentes. Trente ans plus tard, l'intérêt marqué pour cette nouvelle technologie en science forensique se traduit par un nombre florissant de publications. Les innombrables applications de l'IRMS à une large gamme de matériaux et de substances attestent de son succès et suggèrent que la technique est prête à être utilisée en science forensique. Cependant, de nombreuses études sont caractérisées par un manque de méthodologie et de données fondamentales. Elles ont été menées sans définir les hypothèses de recherche et en appliquant cette technique de façon exploratoire sur un échantillonnage restreint. Cette manière de procéder ne permet souvent pas au chercheur de répondre à un certain nombre de questions, tels que: est-ce que deux spécimens proviennent de la même source, qu'entend-on par source ou encore quelle est l'intravariabilité d'une substance? La production de résultats positifs a prévalu au détriment des fondamentaux de science forensique. Cette recherche s'est attachée à évaluer la contribution réelle de l'information isotopique dans les investigations en matière d'explosifs. Plus particulièrement, cette évaluation s'est basée sur un échantillonnage constitué de poudres noires et d'engrais à base de nitrate d'ammonium provenant de sources connues. La méthodologie développée dans ce travail a permis non seulement de mettre en évidence des éléments cruciaux relatifs à la méthode d'analyse elle-même, mais également d'évaluer la variabilité de l'information isotopique d'un point de vue longitudinal et transversal. Dans un premier temps, l'évolution du profil en fonction du temps a été étudiée. Dans un second temps, la variabilité du profil des poudres noires et des engrais à base de nitrate d'ammonium au sein d'une même source et entre différentes sources a été évaluée. La contribution de cette information dans le cadre des investigations d'explosifs a ensuite été discutée et évaluée.

A search for the origin of cadmium in the soil of the Swiss Jura

The top soil of a 14.5 km(2) region at la Chaux-de-Fonds in the Swiss Jura is exceptionally rich in cadmium. It contains an average of 1.3 mg per kg of soil. The spatial distribution of the metal has no simple pattern that could be explained by atmospheric deposition or agricultural practices. Thin soil contained most of its Cd at the surface; in thicker soil Cd is mainly concentrated between 60 and 80 cm depth. No specific minerals or soil fractions could account for these accumulation, and the vertical distribution of Cd is best explained by leaching from the topsoil and further adsorption within layers of nearly neutral pH. The local Jurassic sedimentary rocks contained too little Cd to account for the Cd concentrations in the soil. Alpine gravels from glacial till were too sparse in soils to explain such a spreading of Cd. Moreover this origin is contradictory with the fact that Cd is concentrated in the sand fraction of soils. The respective distributions of Fe and Cd in soils, and soil fractions, suggested that the spreading of iron nodules accumulated during the siderolithic period (Eocene) was not the main source of Cd. Atmospheric deposition, and spreading of fertiliser or waste from septic tanks seem the only plausible explanation for the Cd concentrations, but at present few factors allow us to differentiate between them.