Ny forvitringsanalyse sporer nøjagtigt den geokemiske flux under Jordens overflade

vejrlig, hvorved sten bliver til jord, har betydning for jordens klima, håndtering af metalmalm, forureningsdetektion og fødevareproduktion. Ved at bruge en ny isotopmetode, IsoNose-projektet fulgte med succes kemiske grundstoffers rejse fra sten til planter.

Udnyttelse af naturressourcer på jordens overflade foregår i et hidtil uset tempo og omfang. Hvis denne udnyttelse af jord, vand, og ædle metaller skal være bæredygtige, det skal blive mere effektivt. At opnå dette hviler på en bedre forståelse af de transformative biogeokemiske processer involveret, når kemiske elementer rejser fra klippe til jord, til planter, gennem grundvandet, i flodvand og i malmforekomster.

Det EU-finansierede IsoNose-projekt blev etableret for at bruge de seneste teknologiske fremskridt, især inden for massespektrometri, at udforske dannelsen af ​​disse naturressourcer og dermed åbne feltet for bedre praksis. Projektet kastede yderligere lys, ikke kun på den måde, hvorpå Jordens overflade overfører opløste kemiske grundstoffer, men også på, hvordan metaller ændrer deres isotopfingeraftryk, da de optages af organismer.

Måling af isotoper med massespektrometri

Sten omdannes til jord, (forvitring), når vand strømmer gennem stenbrud og de efterfølgende kemiske reaktioner omdanner primære mineraler til sekundære mineraler, med organisk kulstof, der akkumuleres nær Jordens overflade og et jordlag efterladt under. Denne proces udspiller sig typisk over tusinder af år

Stenopløsning resulterer i hvert af de kemiske grundstoffer, der var blevet fanget, såsom magnesium, jern eller zink (ved at tage metalliske eksempler) for at følge forskellige veje. Nogle rejser ind i de nydannede jorder, andre forbruges af planter, med nogle opløst i floder. For at lære mere om sammensætningen og omdannelsen af ​​metalliske elementer specifikt, IsoNose-teamet samlede værtsrock, forvitret jord og sediment, samt vandprøver, til laboratorieanalyse.

Analyse afhang af måling af isotoper af disse elementer (deres varierende atomvægt eller masse) i prøverne. Forskerne benyttede sig af såkaldt 'isotopfraktionering' - visse isotopers præference (med tungere eller lettere atomvægte) til at bevæge sig ind i et givet materiale, der blev dannet på jordens overflade ved forvitring, for eksempel. Dette antyder så de sandsynlige årsager til disse transformationer (såsom klimaændringer).

Holdet vejede først prøverne for at bestemme, hvor meget af hvert element de indeholdt, med en proces kaldet kromatografi, der derefter anvendes til at adskille grundstofferne fra hinanden. Et massespektrometer blev derefter brugt til at måle isotoperne ved at injicere de ioniserede isotoppartikler i et rør med et elektrisk felt, adskille de lettere isotoper fra de tungere, giver hver prøve en isotopforholdsværdi.

Som projektkoordinator professor Friedhelm von Blanckenburg, uddyber, "At kombinere denne eksisterende metode med 'multikollektor induktivt koblet massespektrometri' med en teknik kaldet femtosekund laserablation viste sig at være ekstremt kraftfuld. Kombinationen målte meget præcist og samtidigt bittesmå skift i den relative overflod af metalliske grundstofisotoper og kemiske mængder på faste stoffer med en opløsning på et par tusindedele af en millimeter."

Mod forbedret praksis og udvidet omfang

Fra et miljømæssigt perspektiv, IsoNoses forskning kan bruges til at forklare, hvordan Jordens overflade har reguleret klima og drivhusgasser, over millioner af år. Teknikkerne kan også anvendes til at identificere kilder til miljøforurenende stoffer, samt at bestemme effektiviteten af ​​afhjælpningsindsatsen.

Måling af metalliske isotoper øger også forståelsen af, hvordan disse elementer kom til at være i klippen i første omgang, tilbyder mineindustrien indsigt for mere bæredygtig udvinding. Som professor von Blanckenburg udtrykker det, "Vi har givet en videnskabelig ramme, med empiri, for bedre udnyttelse af jordens overfladeressourcer på en måde, der ikke vil forringe brugen af ​​fremtidige generationer."

Et andet sandsynligt område for fremtidig forskning er at overføre disse teknikker til jordforvaltningspraksis, til fødevareproduktion, som mere effektivt kan opfylde behovene hos en global befolkning, nu langt over syv milliarder mennesker og hurtigt voksende. Måling af metalliske isotoper kan hjælpe nøjagtigt med at spore mineralnæringsstoffers veje fra jord til planter og dermed føre til mere målrettet gødning, samt etablering af biomarkører for sygdomme.

Afsluttende, Professor von Blanckenburg siger, "Vores forskere vil bruge IsoNose som en platform, hvorfra de kan føre dette spirende felt ind i nye områder, herunder geovidenskab, miljømæssig efterforskning, biomedicinske videnskaber og efterforskning af mineralressourcer."