Landskab til atomskalaer:Forskere anvender ny tilgang til pyritoxidation

Pyrit, eller fjols guld, er et almindeligt mineral, der reagerer hurtigt med ilt, når det udsættes for vand eller luft, såsom under minedrift, og kan føre til sur minedrænering. Lidt ved man, imidlertid, om oxidation af pyrit i uudviklet sten dybt under jorden.

En ny, multi-skala tilgang til at studere pyritoxidation dybt under jorden tyder på, at brud og erosion ved overfladen sætter tempoet for oxidation, hvilken, når det sker langsomt, undgår løbende surhed og efterlader i stedet jernoxid "fossiler".

"Pyritoxidation er et klassisk geologisk og miljømæssigt problem, men vi ved lidt om hastigheden af ​​pyritoxidation, der forekommer i dyb sten, "sagde Xin Gu, assisterende forskningsprofessor i Penn State's Earth and Environmental Systems Institute (EESI). "Når pyrit reagerer med ilt, det frigiver svovlsyre, som kan forårsage dræning af sure miner, et alvorligt miljøproblem over hele kloden og især her i Pennsylvania. "

Når den udsættes for luft, som i en mine, pyrit oxiderer fuldt ud i løbet af få år, Sagde Gu. Mikroorganismer kan også dannes på mineralet og fremskynde reaktionen. Oxidationsprocessen sker hurtigt og tillader svovlsyre at akkumulere. Imidlertid, hvis den ikke udgraves dybt under overfladen, geologiske processer bremser reaktionen med titusinder af år og forhindrer, at syren ophobes.

Forskerne studerede pyritoxidation ved National Science Foundation-finansieret Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory (CZO). Shale Hills CZO er et skovklædt forskningssted i Penn State's Stone Valley Forest, der ligger oven på en skiferformation, en af ​​de mest almindelige klippetyper i verden. Forskerne sænkede geofysiske logningsværktøjer - instrumenter, der kan sende og modtage signaler, eller endda tage billeder i høj opløsning-ned ad boringer, der er 3 tommer brede og genvundne klipper fra mere end 100 fod dybe for at undersøge skifergrundlaget og identificere, hvor dybe eller overfladiske pyritvejr og brud under jorden.

Holdet studerede pyritkorn, og hvordan de bliver til jernoxider af rusttype ved hjælp af specialiserede mikroskoper i Penn State's Material Characterization Laboratory. De skar klippen i skiver, der var mindre end en tiendedel af en tomme tykke og placerede sektionerne under scanningselektronmikroskoper for at se deres mikrostrukturer. Højopløselige transmissionselektronmikroskoper, som bruger elektronstråler til at producere billeder, hjalp forskerne med at studere mikrostrukturerne ned til små funktioner omkring 70 gange tyndere end et menneskehår.

Undersøgelse af prøverne gav forskerne mulighed for at identificere den zone under jorden, hvor pyrit oxiderer til et jernmineral af rusttype i en meget fin skala, Sagde Gu.

Forskerne rapporterede deres fund i en nylig udgave af Videnskab .

Teamet fandt ud af, at skiferens erosionshastighed kontrollerede hastigheden af ​​pyritoxidation på dybden. Mikroskopiske sprækker, der dannes i klippen, ti meter under overfladen er for små til, at mikroorganismer kan komme ind. I landskaber som Pennsylvania, der eroderer i årtusinder, ilt opløst i vand siver ind i åbningerne og har masser af tid til at katalysere reaktionen, gør det i små mængder. Når dette sker, pyrit pseudomorfer, hvilket betyder, at den strukturelt bevarer sin hindbærlignende form, selvom den kemisk har transformeret sig fra jernsulfid til jernoxid.

"Mængden og hastigheden, hvormed reaktionen sker under jorden, forklarer, hvorfor pyrit erstattes af disse perfekte jernoxidfossiler, sagde Susan Brantley, fremtrædende professor i geovidenskab og direktør for EESI.

Forskerne brugte deres fund til at udvikle en model til beregning af pyritoxidationshastigheder ved Shale Hills og over hele kloden, herunder i områder med hurtigere erosionshastigheder. Det kan også hjælpe forskere med bedre at forstå, hvordan Jorden var før den store oxidationsbegivenhed for 2,4 milliarder år siden, som tillod mere komplekse organismer at vokse og udvikle sig.

"Det, Xin gjorde, er ekstraordinært, "Brantley sagde." Han viste, at pyrit oxiderer 30 fod eller mere under jordoverfladen for at danne krystaller, der er perfekte kopier af det originale pyritkorn. Han viste også, at denne dybere forståelse af pyrit kan afsløre oplysninger om, hvorfor pyrit stadig var bevaret på landoverfladen på den tidlige jord, når ilt var til stede ved lavere koncentrationer i atmosfæren. "

Shale Hills Critical Zone Observatory er det bedste sted at udføre denne type arbejde, ifølge Gu.

"Vi har eksperter fra forskellige områder, der arbejder med forskellige aspekter af dette vandskel, ligesom hydrologi, erosion, jord, biota- og vejrprofiler, "sagde han." Hvis vi gennemførte undersøgelsen i en skala eller fra et disciplinært perspektiv, vi ville have savnet en stor del af historien. Vores tværfaglige tilgang giver os mulighed for bedre at forstå, hvad der sker her. "