Borttagning av bergstopp, en kolbrytningsteknik som används i stora delar av centrala Appalachien, är en extrem form av ytbrytning, som gräver ut åsar så djupa som 600 fot – dubbelt så långa som en fotbollsplan – och begraver intilliggande dalar och bäckar i berggrund och kolrester. Denna gruvverksamhet har länge varit känd för att ha negativa effekter på vattenkvaliteten nedströms.

En ny studie ledd av vattendelareforskaren Matthew Ross vid Colorado State University fann att många av dessa effekter på vattenkvaliteten orsakas av en dramatisk ökning av den kemiska vittringshastigheten i gruvlandskap, som smälter bort berggrunden upp till 45 gånger snabbare än outgrävda områden. Dessutom, vittringen har globala konsekvenser för svavelets kretslopp, som är ett nyckelnäringsämne för alla livsformer.

Resultaten visar att när människor flyttar stora mängder berg och jord för att bygga städer eller för att utvinna resurser, de kan helt förändra och påskynda de naturliga vittringsprocesserna på land, vilket kan påverka vattenkvaliteten nedströms.

Ross, en biträdande professor vid institutionen för ekosystemvetenskap och hållbarhet, beskrev de kemiska vittringshastigheterna som en av de högsta som någonsin observerats, jämfört med landskap över hela världen.

Studien, "Pyritoxidation driver exceptionellt höga vittringshastigheter och geologisk CO ₂ släpps ut i bergstoppsminerade landskap, " publicerades i tidskriften Globala biogeokemiska cykler .

Kolkretsloppet stört

Denna ökade vittring – som många gruvrelaterade effekter – börjar när järnsulfid eller pyrit, ett mineral även känt som dårguld som ofta finns i kol, utsätts för luft. Detta skapar svavelsyra, vilket gör vattnet som rinner ut från gruvan extremt surt och frätande. För att neutralisera syran, i stora delar av Central Appalachia är den pyritbärande stenen avsiktligt omgiven av och blandad med karbonatstenar.

Även om detta begränsar syra-gruvdräneringsproblem, dessa syraproducerande och neutraliserande reaktioner skapar idealiska förhållanden för snabb kemisk vittring av berggrunden, med överraskande konsekvenser för geologisk kolkretslopp i dessa landskap.

I de flesta områden som upplever kemisk vittring, koldioxid löses upp i kolsyra, ett svagt vittringsmedel. När kolsyra reagerar med silikater eller stenbildande mineraler, koldioxid är permanent inlåst i berggrunden, balansera kolkretsloppet under miljontals år. I ogruvat landskap, denna process ger en långsam men oundviklig sänkning för atmosfärisk koldioxid, eller CO ₂ .

I gruvlandskap med rikligt med svavelsyra, vittringsreaktionerna är inte längre beroende av kolsyra, och potentialen för geologisk kolbindning elimineras. Istället, svavelsyran väder ut syranutraliserande karbonater, som släpper ut koldioxid i atmosfären.

Detta innebär att långt efter att gruvdriften i dessa områden har upphört, forskare uppskattar att mellan 20 procent och 90 procent av det kol som absorberas av växter på ytan kommer att elimineras genom utsläpp av stenkol till atmosfären.

"Eftersom den här vittringen sker så snabbt och den drivs av svavelsyra, det skapar ett landskap som är en källa för koldioxid, " sa Ross. "Du löser snabbt upp landskapet och släpper ut en massa stenkol."

Denna regionala påverkan har också globala konsekvenser för svavelets kretslopp, ett element som är viktigt för alla livsformer. Medan bergstoppsgruvor i Appalachia täcker en liten del, 0,006 procent, av landområdet på jorden, de kan bidra med så mycket som 7 procent av den totala globala leveransen av svavel från land till hav.

Denna forskning, finansierat av National Science Foundation, är en del av ett pågående projekt som leds av Ross, som nyligen började på fakulteten vid Warner College of Natural Resources.