Pirita, o el oro de los necios, es un mineral común que reacciona rápidamente con el oxígeno cuando se expone al agua o al aire, como durante las operaciones mineras, y puede conducir al drenaje ácido de la mina. Poco se sabe sin embargo, sobre la oxidación de la pirita en rocas no minadas a gran profundidad.

Un nuevo El enfoque de múltiples escalas para estudiar la oxidación de la pirita en las profundidades del subsuelo sugiere que la fractura y la erosión en la superficie marcan el ritmo de la oxidación. cuales, cuando ocurre lentamente, evita la acidez descontrolada y, en cambio, deja "fósiles" de óxido de hierro.

"La oxidación de la pirita es un problema geológico y medioambiental clásico, pero sabemos poco sobre la tasa de oxidación de pirita que ocurre en rocas profundas, "dijo Xin Gu, profesor asistente de investigación en el Instituto de Sistemas Ambientales y de la Tierra de Penn State (EESI). "Cuando la pirita reacciona con el oxígeno, libera ácido sulfúrico, que puede provocar el drenaje ácido de la mina, un problema ambiental serio en todo el mundo y especialmente aquí en Pensilvania ".

Cuando se expone al aire, como en una mina, la pirita se oxidará completamente en cuestión de años, Dijo Gu. También se pueden formar microorganismos en el mineral y acelerar la reacción. El proceso de oxidación ocurre rápidamente y permite que se acumule el ácido sulfúrico. Sin embargo, si se deja sin minas en las profundidades de la superficie, Los procesos geológicos ralentizan la reacción en decenas de miles de años y evitan que el ácido se acumule.

Los investigadores estudiaron la oxidación de la pirita en el Observatorio de la Zona Crítica (CZO) de Susquehanna Shale Hills, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. El Shale Hills CZO es un sitio de investigación boscoso en el bosque Stone Valley de Penn State que se encuentra sobre una formación de esquisto, uno de los tipos de rocas más comunes del mundo. Los investigadores bajaron las herramientas de registro geofísico, instrumentos que pueden enviar y recibir señales, o incluso tomar imágenes de alta resolución:perforaciones de 3 pulgadas de ancho y rocas recuperadas de más de 100 pies de profundidad para examinar el lecho de roca de esquisto e identificar cuán profundo o poco profundo se meteoriza y fractura la pirita bajo tierra.

El equipo estudió los granos de pirita y cómo se convierten en óxidos de hierro de tipo óxido utilizando microscopios especializados en el Laboratorio de Caracterización de Materiales de Penn State. Cortaron la roca en rodajas de menos de una décima de pulgada de espesor y colocaron las secciones bajo microscopios electrónicos de barrido para obtener imágenes de sus microestructuras. Microscopios electrónicos de transmisión de alta resolución, que utilizan haces de electrones para producir imágenes, ayudó a los investigadores a estudiar las microestructuras hasta llegar a pequeñas características unas 70 veces más delgadas que un cabello humano.

El examen de las muestras permitió a los investigadores identificar la zona subterránea donde la pirita se oxida a un mineral de hierro de tipo óxido a una escala muy fina. Dijo Gu.

Los investigadores informaron sus hallazgos en una edición reciente de Ciencias .

El equipo descubrió que la tasa de erosión de la lutita controlaba la tasa de oxidación de la pirita en profundidad. Las fisuras microscópicas que se forman en la roca a decenas de pies por debajo de la superficie son demasiado pequeñas para que entren los microorganismos. En paisajes como el de Pensilvania que se erosionaron durante milenios, el oxígeno disuelto en agua se filtra por las aberturas y tiene mucho tiempo para catalizar la reacción, haciéndolo en pequeñas cantidades. Cuando esto ocurre, los pseudomorfos de pirita, lo que significa que estructuralmente conserva su forma de frambuesa a pesar de que químicamente se ha transformado de sulfuro de hierro a óxido de hierro.

"La cantidad y velocidad a la que ocurre la reacción bajo tierra explica por qué la pirita es reemplazada por estos fósiles perfectos de óxido de hierro, '", dijo Susan Brantley, profesor distinguido de geociencias y director de la EESI.

Los investigadores utilizaron sus hallazgos para desarrollar un modelo para calcular las tasas de oxidación de pirita en Shale Hills y en todo el mundo. incluso en áreas con tasas de erosión más rápidas. También puede ayudar a los científicos a comprender mejor cómo era la Tierra antes del Gran Evento de Oxidación hace 2.400 millones de años. lo que permitió que organismos más complejos crecieran y evolucionaran.

"Lo que hizo Xin es extraordinario, "Dijo Brantley." Mostró que la pirita se oxida 30 pies o más debajo de la superficie de la tierra para formar cristales que son réplicas perfectas del grano de pirita original. También mostró que esta comprensión más profunda de la pirita puede revelar información sobre por qué la pirita todavía se conservaba en la superficie terrestre en la Tierra primitiva. cuando el oxígeno estaba presente en concentraciones más bajas en la atmósfera ".

El Observatorio de la Zona Crítica de Shale Hills es el mejor lugar para realizar este tipo de trabajo, según Gu.

"Contamos con expertos de diversos campos que están trabajando en diferentes aspectos de esta cuenca, como hidrología, erosión, suelos biota y perfiles de intemperismo, ", dijo." Si llevamos a cabo el estudio a una escala o desde una perspectiva disciplinaria, nos hubiéramos perdido gran parte de la historia. Nuestro enfoque interdisciplinario nos permite comprender mejor lo que está sucediendo aquí ".