Zeolieten kunnen worden beschouwd als het werkpaard van de natuur.

Gevuld met microscopisch kleine gaten en kanalen, deze ultraporeuze mineralen kunnen milieuverontreinigingen opnemen, filtreer drinkwater, kernafval te beheren en zelfs kooldioxide (CO ₂ ).

Nutsvoorzieningen, in de eerste studie in zijn soort, Onderzoekers van de Northwestern University hebben oude zeolietspecimens geanalyseerd die zijn verzameld aan de randen van Oost-IJsland om te ontdekken dat zeolieten calciumisotopen op een geheel onverwachte manier scheiden.

"Calcium komt voor als meerdere isotopen met verschillende massa's, " zei Claire Nelson, de eerste auteur van de krant. "De meeste mineralen bevatten bij voorkeur lichtere calciumisotopen. Wat we ontdekten is dat sommige zeolieten in extreme mate de voorkeur geven aan lichtere isotopen, terwijl andere zeolieten de voorkeur geven aan zwaardere isotopen, een zeldzaam en opvallend resultaat."

Deze bevinding kan helpen bij het kwantificeren van temperaturen in zowel moderne als oude geologische systemen, evenals informeren over inspanningen om door de mens veroorzaakte klimaatverandering te verminderen door vastlegging van koolstofafvang.

De studie werd op vrijdag (1 oktober) gepubliceerd in het tijdschrift Communicatie Aarde en Milieu , een nieuw open access tijdschrift opgericht door Nature Portfolio.

"We hebben iets totaal onverwachts en nieuws ontdekt, " zei Andrew Jacobson, senior auteur van de studie. "Het zou verreikende implicaties kunnen hebben in de geowetenschappen en op verschillende gebieden, vooral gezien het feit dat zeolieten talloze toepassingen hebben in de industrie, geneeskunde en milieusanering."

Jacobson is hoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Nelson behaalde onlangs haar Ph.D. werkt in het laboratorium van Jacobson en is momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University. Zeolietexpert Tobias Weisenberger, een geoloog aan het Breiðdasvík Research Center van de Universiteit van IJsland, was een belangrijke co-auteur van de studie.

Abseilen voor rotsen

Hoewel ze zich in een grote verscheidenheid aan geologische omgevingen vormen, zeolieten komen vooral veel voor in vulkanische omgevingen die basalt produceren. Terwijl lava uit vulkanen uitbarstte, stapelt het zich in de loop van de tijd op, de begraven rotsen comprimeren en transformeren. Grondwater interageert met deze rotsen om zeolieten te vormen, die bestaan ​​uit aluminium, zuurstof- en siliciumatomen aan elkaar gekoppeld om driedimensionale kooiachtige structuren te maken.

"De aanvankelijke vulkanische lava kristalliseerde tot primaire mineralen, "Zei Nelson. "Toen regende het water en infiltreerde het in de rotsen, loste ze op en produceerde secundaire mineralen zoals zeolieten en calciet."

Om monsters te verzamelen voor het onderzoek, Nelson bezocht de regio Berufjörður-Breiðdalur in het oosten van IJsland, waar glaciale erosie diepe valleien en fjorden in basaltrots heeft uitgehouwen om begraven zeolieten te onthullen. Nelson klom naar de top van de bergen van de fjord en daalde af in de rivierkloof om monsters van verschillende hoogten te verzamelen, die verschillende diepten van begraving vertegenwoordigen en dus temperaturen van metamorfisme.

Een zware verrassing

Om deze monsters te analyseren, Nelson gebruikte een state-of-the-art, zeer nauwkeurige methode voor het meten van calciumisotopen ontwikkeld in het laboratorium van Jacobson. Nelson en Jacobson waren vooral geïnteresseerd in het identificeren van mechanismen die calciumisotopen fractioneren (of scheiden) op basis van hun massa.

"Al decenia, geowetenschappers hebben zeolieten gebruikt om de hydrothermische verandering van basalt te begrijpen, maar tot nu toe, calciumisotooponderzoekers hadden ze verwaarloosd, "Zei Jacobson. "Het blijkt dat, de mineralen vertonen extreem grote calciumisotoopfractioneringen, veel groter dan iemand had voorspeld of zelfs voor mogelijk had gehouden."

Het Northwestern-team ontdekte dat de zeolieten extreme calciumisotoopvariabiliteit vertoonden, meer dan praktisch alle andere materialen die aan het aardoppervlak worden geproduceerd.

Na verdere analyse, Nelson ontdekte dat dit gedrag direct correleert met bindingslengtes tussen calcium- en zuurstofatomen in de zeolieten. Zeolieten die langere bindingen ondersteunen, accumuleren lichtere calciumisotopen, terwijl die met kortere bindingen zwaardere calciumisotopen accumuleren.

"In principe, zwaardere isotopen geven de voorkeur aan sterkere (of kortere) bindingen, " zei Nelson. "Het is thermodynamisch gunstiger voor sterkere bindingen om zwaardere isotopen te concentreren. Langere bindingen geven energetisch de voorkeur aan lichtere isotopen. Dergelijke waarnemingen zijn zeldzaam en geven informatie over wat we weten over het gedrag van calciumisotopen in het algemeen."

Heet potentieel

De resultaten hebben verstrekkende gevolgen, aangezien zeolieten meerdere industriële en commerciële toepassingen hebben. In aanvulling, het begrijpen van de mechanismen die calciumisotopen fractioneren, kan helpen bij het informeren van zowel bestaande als nieuwe toepassingen van de calciumisotoopproxy. Omdat isotopenfractionering temperatuurafhankelijk kan zijn, Jacobson en Nelson zeggen dat zeolieten kunnen worden ontwikkeld tot een volledig nieuw type geothermische meter, potentieel in staat om oude temperaturen te reconstrueren in omgevingen waar zeolieten worden gevormd.

"De relatie tussen bindingslengte geeft aan dat de fractioneringen worden gecontroleerd door thermodynamica in plaats van kinetiek, Nelson zei. Thermodynamisch, of evenwicht, gecontroleerde fractionering is temperatuurafhankelijk. Dus, met meer onderzoek, de calciumisotoopverhoudingen van zeolieten kunnen worden gebruikt om temperaturen uit het verleden te kwantificeren."

Het nieuwe begrip heeft ook betekenis voor het gebruik van calciumisotopen om basaltverwering op te sporen, inclusief zijn rol in klimaatregulering op lange termijn en toepassing bij het afvangen en opslaan van koolstof.