Pyriet, of het goud van de dwaas, is een veel voorkomend mineraal dat snel reageert met zuurstof bij blootstelling aan water of lucht, zoals tijdens mijnbouwactiviteiten, en kan leiden tot zure mijnafvoer. Weinig is bekend, echter, over de oxidatie van pyriet in niet-gemijnd gesteente diep onder de grond.

een nieuwe, multischaalbenadering voor het bestuderen van pyrietoxidatie diep onder de grond suggereert dat breuken en erosie aan de oppervlakte het tempo van oxidatie bepalen, die, als het langzaam gebeurt, vermijdt op hol geslagen zuurgraad en laat in plaats daarvan ijzeroxide "fossielen" achter.

"Pyrietoxidatie is een klassiek geologisch en milieuprobleem, maar we weten weinig over de snelheid van pyrietoxidatie in diep gesteente, " zei Xin Gu, assistent-onderzoeksprofessor aan het Earth and Environmental Systems Institute (EESI) van Penn State. "Als pyriet reageert met zuurstof, het geeft zwavelzuur af, die kan leiden tot zure mijnafvoer, een ernstig milieuprobleem over de hele wereld en vooral hier in Pennsylvania."

Bij blootstelling aan lucht, als in een mijn, pyriet zal binnen enkele jaren volledig oxideren, zei Gu. Micro-organismen kunnen zich ook op het mineraal vormen en de reactie versnellen. Het oxidatieproces verloopt snel en zorgt ervoor dat zwavelzuur zich kan ophopen. Echter, als het diep onder het oppervlak niet wordt gedolven, geologische processen vertragen de reactie met tienduizenden jaren en voorkomen dat het zuur zich ophoopt.

De onderzoekers bestudeerden de oxidatie van pyriet bij het door de National Science Foundation gefinancierde Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory (CZO). De Shale Hills CZO is een beboste onderzoekslocatie in het Stone Valley Forest in Penn State, bovenop een schalieformatie, een van de meest voorkomende steensoorten ter wereld. De onderzoekers verlaagden geofysische loggingtools - instrumenten die signalen kunnen verzenden en ontvangen, of maak zelfs foto's met een hoge resolutie - door boorgaten van 3 inch breed en teruggevonden rotsen van meer dan 30 meter diep om de schaliebodem te onderzoeken en vast te stellen hoe diep of ondiep pyriet doorstaat en ondergronds breekt.

Het team bestudeerde pyrietkorrels en hoe ze veranderen in roestachtige ijzeroxiden met behulp van gespecialiseerde microscopen in het Material Characterization Laboratory van Penn State. Ze sneden de rots in plakjes van minder dan een tiende van een centimeter dik en plaatsten de secties onder scanning-elektronenmicroscopen om hun microstructuren in beeld te brengen. Transmissie-elektronenmicroscopen met hoge resolutie, die elektronenbundels gebruiken om beelden te produceren, hielp de onderzoekers de microstructuren te bestuderen tot kleine functies die ongeveer 70 keer dunner waren dan een mensenhaar.

Door de monsters te onderzoeken, konden de onderzoekers de ondergrondse zone identificeren waar pyriet op zeer fijne schaal oxideert tot een roestachtig ijzermineraal. zei Gu.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in een recent nummer van Wetenschap .

Het team ontdekte dat de erosiesnelheid van de schalie de snelheid van pyrietoxidatie op diepte regelde. Microscopische spleten die zich tientallen meters onder het oppervlak in het gesteente vormen, zijn te klein voor micro-organismen om binnen te komen. In landschappen zoals die van Pennsylvania die in de loop van millennia eroderen, zuurstof opgelost in water sijpelt in de openingen en heeft voldoende tijd om de reactie te katalyseren, doen dit in kleine hoeveelheden. Wanneer dit gebeurt, de pyriet pseudomorfen, wat betekent dat het structureel zijn framboosachtige vorm behoudt, ook al is het chemisch getransformeerd van ijzersulfide in ijzeroxide.

"De hoeveelheid en snelheid waarmee de reactie ondergronds plaatsvindt, verklaart waarom pyriet wordt vervangen door deze perfecte ijzeroxide-fossielen, '" zei Susan Brantley, onderscheiden hoogleraar geowetenschappen en directeur van EESI.

De onderzoekers gebruikten hun bevindingen om een ​​model te ontwikkelen om de oxidatiesnelheid van pyriet in Shale Hills en over de hele wereld te berekenen. ook in gebieden met hogere erosiesnelheden. Het kan wetenschappers ook helpen beter te begrijpen hoe de aarde eruitzag vóór de Grote Oxidatie, 2,4 miljard jaar geleden, waardoor complexere organismen konden groeien en evolueren.

"Wat Xin deed is buitengewoon, "Zei Brantley. "Hij toonde aan dat pyriet 30 voet of meer onder het landoppervlak oxideert om kristallen te vormen die perfecte replica's zijn van de oorspronkelijke pyrietkorrel. Hij toonde ook aan dat dit diepere begrip van pyriet informatie kan onthullen over waarom pyriet nog steeds werd bewaard aan het landoppervlak op de vroege aarde, wanneer zuurstof aanwezig was bij lagere concentraties in de atmosfeer."

Het Shale Hills Critical Zone Observatory is de beste plaats om dit soort werk uit te voeren. volgens Gu.

"We hebben experts uit verschillende vakgebieden die aan verschillende aspecten van dit keerpunt werken, zoals hydrologie, erosie, bodems, biota en verweringsprofielen, " zei hij. "Als we de studie op één schaal of vanuit één disciplinair perspectief zouden uitvoeren, dan hadden we een groot deel van het verhaal gemist. Onze interdisciplinaire aanpak stelt ons in staat om beter te begrijpen wat hier gebeurt."