Pyrit, eller dårens guld, är ett vanligt mineral som reagerar snabbt med syre när det utsätts för vatten eller luft, till exempel under gruvdrift, och kan leda till sur mindränering. Lite är känt, dock, om oxidation av pyrit i outgrävd berg djupt under jorden.

En ny, flerskaligt tillvägagångssätt för att studera pyritoxidation djupt under jorden tyder på att sprickbildning och erosion på ytan sätter oxidationstakten, som, när det sker långsamt, undviker skenande surhet och lämnar istället efter sig järnoxid "fossiler".

"Pyritoxidation är ett klassiskt geologiskt och miljöproblem, men vi vet lite om hastigheten för pyritoxidation som förekommer i djupt berg, sa Xin Gu, biträdande forskningsprofessor vid Penn State's Earth and Environmental Systems Institute (EESI). "När pyrit reagerar med syre, det frigör svavelsyra, som kan orsaka sur mindränering, ett allvarligt miljöproblem över hela världen och särskilt här i Pennsylvania."

När den utsätts för luft, som i en gruva, pyrit kommer att oxideras helt inom några år, sa Gu. Mikroorganismer kan också bildas på mineralet och påskynda reaktionen. Oxidationsprocessen sker snabbt och gör att svavelsyra ackumuleras. Dock, om den lämnas outgrävd djupt under ytan, geologiska processer bromsar reaktionen med tiotusentals år och förhindrar att syran ackumuleras.

Forskarna studerade pyritoxidation vid National Science Foundation-finansierade Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory (CZO). Shale Hills CZO är en skogbevuxen forskningsplats i Penn State Stone Valley Forest som ligger ovanpå en skifferformation, en av de vanligaste bergarterna i världen. Forskarna sänkte geofysiska loggningsverktyg - instrument som kan skicka och ta emot signaler, eller till och med ta högupplösta bilder – ner i borrhål som är 3 tum breda och återvunna stenar från mer än 100 fots djup för att undersöka skifferberggrunden och identifiera hur djupt eller ytligt pyrit vittrar och spricker under jorden.

Teamet studerade pyritkorn och hur de förvandlas till järnoxider av rosttyp med hjälp av specialiserade mikroskop i Penn State's Material Characterization Laboratory. De skar stenen i skivor mindre än en tiondels tum tjocka och placerade sektionerna under svepelektronmikroskop för att avbilda deras mikrostrukturer. Högupplösta transmissionselektronmikroskop, som använder elektronstrålar för att producera bilder, hjälpte forskarna att studera mikrostrukturerna ner till små detaljer som var cirka 70 gånger tunnare än ett människohår.

Genom att undersöka proverna kunde forskarna identifiera den underjordiska zonen där pyrit oxideras till ett järnmineral av rosttyp i en mycket fin skala, sa Gu.

Forskarna rapporterade sina rön i ett färskt nummer av Vetenskap .

Teamet fann att erosionshastigheten för skiffern styrde hastigheten för pyritoxidation på djupet. Mikroskopiska sprickor som bildas i berget tiotals fot under ytan är för små för att mikroorganismer ska kunna komma in. I landskap som Pennsylvanias som urholkas under årtusenden, syre löst i vatten sipprar in i öppningarna och har gott om tid att katalysera reaktionen, gör det i små mängder. När detta inträffar, pyrit-pseudomorferna, vilket innebär att den strukturellt behåller sin hallonliknande form trots att den kemiskt har förvandlats från järnsulfid till järnoxid.

"Mängden och hastigheten med vilken reaktionen sker under jorden förklarar varför pyrit ersätts av dessa perfekta järnoxidfossiler, ", sa Susan Brantley, framstående professor i geovetenskap och chef för EESI.

Forskarna använde sina resultat för att utveckla en modell för att beräkna oxidationshastigheter för pyrit vid Shale Hills och över hela världen, inklusive i områden med snabbare erosionshastigheter. Det kan också hjälpa forskare att bättre förstå hur jorden såg ut före den stora oxidationshändelsen för 2,4 miljarder år sedan, vilket gjorde att mer komplexa organismer kunde växa och utvecklas.

"Vad Xin gjorde är extraordinärt, ", sade Brantley. "Han visade att pyrit oxiderar 30 fot eller mer under landytan för att bilda kristaller som är perfekta kopior av det ursprungliga pyritkornet. Han visade också att denna djupare förståelse av pyrit kan avslöja information om varför pyrit fortfarande bevarades på landytan på den tidiga jorden, när syre var närvarande i lägre koncentrationer i atmosfären."

Shale Hills Critical Zone Observatory är det bästa stället att utföra den här typen av arbete, enligt Gu.

"Vi har experter från olika områden som arbetar med olika aspekter av denna vattendelare, som hydrologi, erosion, jordar, biota och väderprofiler, " sa han. "Om vi ​​genomförde studien i en skala eller ur ett disciplinärt perspektiv, vi skulle ha missat en stor del av historien. Vår tvärvetenskapliga strategi gör att vi bättre kan förstå vad som händer här."