Пирит, или золото дураков, является распространенным минералом, который быстро вступает в реакцию с кислородом при контакте с водой или воздухом, например, во время добычи полезных ископаемых, и может привести к кислотным дренажам шахт. Однако мало что известно об окислении пирита в неразработанных породах глубоко под землей.
Новый многомасштабный подход к изучению окисления пирита глубоко под землей предполагает, что трещины и эрозия на поверхности задают скорость окисления, которое, когда оно происходит медленно, позволяет избежать безудержной кислотности и вместо этого оставляет «ископаемые» оксида железа.."
«Окисление пирита - это классическая геологическая и экологическая проблема, но мы мало знаем о скорости окисления пирита, происходящего в глубоких породах», - сказал Синь Гу, доцент-исследователь Института систем Земли и окружающей среды штата Пенсильвания (EESI).. «Когда пирит вступает в реакцию с кислородом, он выделяет серную кислоту, которая может вызвать кислые стоки шахт, серьезную экологическую проблему во всем мире, и особенно здесь, в Пенсильвании».
При контакте с воздухом, как в шахте, пирит полностью окисляется в течение нескольких лет, сказал Гу. Микроорганизмы также могут образовываться на минерале и ускорять реакцию. Процесс окисления происходит быстро и позволяет серной кислоте накапливаться. Однако, если геологические процессы не вести добычу глубоко под поверхностью, замедляют реакцию на десятки тысяч лет и препятствуют накоплению кислоты..
Исследователи изучали окисление пирита в обсерватории критических зон Саскуэханна Шейл-Хиллз (CZO), финансируемой Национальным научным фондом. Shale Hills CZO - это лесной исследовательский участок в лесу Каменной долины штата Пенсильвания, который расположен на вершине сланцевой формации, одного из самых распространенных типов горных пород в мире. Исследователи опустили геофизические инструменты каротажа - инструменты, которые могут отправлять и получать сигналы или даже делать изображения с высоким разрешением - в скважины шириной 3 дюйма и извлекали породы с глубины более 100 футов, чтобы исследовать сланцевую породу и определить, насколько глубокая или мелкая. пирит выветривается и трескается под землей.
Команда изучила зерна пирита и то, как они превращаются в оксиды железа типа ржавчины, с помощью специализированных микроскопов в Лаборатории определения характеристик материалов штата Пенсильвания. Они разрезали камень на кусочки толщиной менее одной десятой дюйма и поместили срезы под сканирующий электронный микроскоп, чтобы получить изображение их микроструктуры. Просвечивающие электронные микроскопы с высоким разрешением, в которых для получения изображений используются пучки электронов, помогли исследователям изучить микроструктуры вплоть до мелких деталей, примерно в 70 раз тоньше человеческого волоса.
Изучение образцов позволило исследователям идентифицировать зону под землей, где пирит окисляется до железного минерала типа ржавчины в очень мелком масштабе, сказал Гу.
Исследователи сообщили о своих выводах в недавнем выпуске журнала Science.
Команда обнаружила, что скорость эрозии сланца контролирует скорость окисления пирита на глубине. Микроскопические трещины, которые образуются в скале на глубине десятков футов ниже поверхности, слишком малы для проникновения микроорганизмов. В таких ландшафтах, как Пенсильвания, которые разрушаются на протяжении тысячелетий, кислород, растворенный в воде, просачивается в отверстия и имеет достаточно времени, чтобы катализировать реакцию, делая это в небольших количествах. Когда это происходит, пирит псевдоморфизируется, что означает, что структурно он сохраняет свою малиновую форму, хотя химически он превратился из сульфида железа в оксид железа..
«Количество и скорость, с которой реакция происходит под землей, объясняет, почему пирит заменяется этими идеальными окаменелостями оксида железа», - сказала Сьюзен Брантли, выдающийся профессор геолого-геофизических наук и директор EESI.
Исследователи использовали свои выводы для разработки модели для расчета скорости окисления пирита на Сланцевых холмах и по всему миру, в том числе в районах с более высокой скоростью эрозии. Это также может помочь ученым лучше понять, какой была Земля до Великого события окисления 2,4 миллиарда лет назад, что позволило более сложным организмам расти и развиваться.
«То, что сделал Синь, экстраординарно», - сказал Брантли. «Он показал, что пирит окисляется на глубине 30 футов или более под поверхностью земли с образованием кристаллов, которые являются точными копиями исходного зерна пирита. Он также показал, что более глубокое понимание пирита может дать информацию о том, почему пирит все еще сохранился на поверхности земли на ранней Земле, когда кислород присутствовал в более низких концентрациях в атмосфере."
Обсерватория критической зоны Shale Hills - лучшее место для проведения такого рода работ, по словам Гу.
«У нас есть эксперты из разных областей, которые работают над различными аспектами этого водораздела, такими как гидрология, эрозия, почвы, биота и профили выветривания», - сказал он.«Если бы мы проводили исследование в одном масштабе или с одной дисциплинарной точки зрения, мы бы упустили большую часть истории. Наш междисциплинарный подход позволяет нам лучше понять, что здесь происходит».