Zeoliter kan betraktas som naturens arbetshäst.

Fylld med mikroskopiska hål och kanaler, dessa ultraporösa mineraler kan suga upp miljöföroreningar, filtrera dricksvatten, hantera kärnavfall och till och med absorbera koldioxid (CO ₂ ).

Nu, i den första studien i sitt slag, Forskare från Northwestern University har analyserat forntida zeolitexemplar som samlats in från kanterna av östra Island för att upptäcka att zeoliter separerar kalciumisotoper på ett helt oväntat sätt.

"Kalcium förekommer som flera isotoper med olika massor, sa Claire Nelson, tidningens första författare. "De flesta mineraler innehåller företrädesvis lättare kalciumisotoper. Vad vi fann är att vissa zeoliter föredrar lättare isotoper i extrem grad, medan andra zeoliter föredrar tyngre isotoper, ett sällsynt och slående resultat."

Detta fynd kan hjälpa till att kvantifiera temperaturer i både moderna och gamla geologiska system, samt informera om ansträngningar för att mildra mänskligt orsakade klimatförändringar genom kolavskiljning.

Studien publicerades i fredags (1 oktober) i tidskriften Kommunikation Jord och miljö , en ny open access-tidskrift etablerad av Nature Portfolio.

"Vi upptäckte något helt oväntat och nytt, sa Andrew Jacobson, senior författare till studien. "Det kan få omfattande implikationer inom geovetenskapen och över olika områden, speciellt med tanke på att zeoliter har otaliga tillämpningar inom industrin, medicin och miljösanering."

Jacobson är professor i jord- och planetvetenskap vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Nelson tog nyligen sin Ph.D. arbetar i Jacobsons laboratorium och är för närvarande postdoktor vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. Zeolitexperten Tobias Weisenberger, en geolog vid Islands universitets Breiðdasvík Research Center, var en viktig medförfattare till studien.

Rapellerande för stenar

Även om de bildas i en mängd olika geologiska miljöer, Zeoliter är särskilt vanliga i vulkaniska miljöer som producerar basalt. När lava bröt ut från vulkaner hopar sig med tiden, de begravda stenarna komprimeras och transformeras. Grundvatten interagerar med dessa bergarter för att bilda zeoliter, som består av aluminium, syre- och kiselatomer kopplade samman för att skapa tredimensionella burliknande strukturer.

"Den initiala vulkaniska lavan kristalliserades till primära mineraler, " sa Nelson. "Sedan regnade vatten ner och infiltrerade klipporna, löste upp dem och producerade sekundära mineraler som zeoliter och kalcit."

För att samla in prover för studien, Nelson besökte Berufjörður-Breiðdalur-regionen på östra Island, där glacial erosion har huggit in djupa dalar och fjordar i basaltberg för att avslöja nedgrävda zeoliter. Nelson klättrade till toppen av fjordens berg och rappellerade in i flodkanjonen för att samla prover från olika höjder, representerar olika begravningsdjup och därmed metamorfosmens temperaturer.

En tung överraskning

För att analysera dessa prover, Nelson använde en toppmodern, mycket exakt metod för att mäta kalciumisotoper utvecklad i Jacobsons laboratorium. Nelson och Jacobson var särskilt intresserade av att identifiera mekanismer som fraktionerar (eller separerar) kalciumisotoper enligt deras massor.

"I årtionden, geoforskare har använt zeoliter för att förstå den hydrotermiska förändringen av basalt, men tills nu, kalciumisotopforskare hade försummat dem, " sa Jacobson. "Som det visar sig, mineralerna visar extremt stora kalciumisotopfraktioner, mycket större än någon förutspått eller ens trodde var möjligt."

Northwestern-teamet fann att zeoliterna visade extrema kalciumisotopvariationer, mer än praktiskt taget alla andra material som produceras på jordens yta.

Efter ytterligare analys, Nelson upptäckte att detta beteende direkt korrelerar med bindningslängder mellan kalcium- och syreatomer i zeoliterna. Zeoliter som stöder längre bindningar ackumulerar lättare kalciumisotoper, medan de med kortare bindningar ackumulerar tyngre kalciumisotoper.

"I grund och botten, tyngre isotoper föredrar starkare (eller kortare) bindningar, ", sa Nelson. "Det är mer termodynamiskt gynnsamt för starkare bindningar att koncentrera tyngre isotoper. Längre bindningar föredrar energiskt lättare isotoper. Sådana observationer är sällsynta och informerar vad vi vet om beteendet hos kalciumisotoper i allmänhet."

Het potential

Resultaten har omfattande konsekvenser, eftersom zeoliter har flera industriella och kommersiella tillämpningar. Dessutom, förstå mekanismerna för att fraktionera kalciumisotoper kan hjälpa till att informera både befintliga och nya användningar av kalciumisotopproxy. Eftersom isotopfraktionering kan vara temperaturberoende, Jacobson och Nelson säger att zeoliter skulle kunna utvecklas till en helt ny typ av geotermometer, potentiellt kapabel att rekonstruera uråldriga temperaturer i miljöer där zeoliter bildas.

"Bindningslängdförhållandet indikerar att fraktioneringarna styrs av termodynamik snarare än kinetik, " sa Nelson. "Termodynamisk, eller jämvikt, kontrollerad fraktionering är temperaturberoende. Så, med mer forskning, kalciumisotopförhållandena för zeoliter kunde användas för att kvantifiera temperaturer från det förflutna."

Den nya förståelsen har också betydelse för att använda kalciumisotoper för att spåra basaltvittring, inklusive dess roll i långsiktig klimatreglering och tillämpning vid avskiljning och lagring av koldioxid.