Las zeolitas podrían considerarse el caballo de batalla de la naturaleza.

Lleno de orificios y canales microscópicos, estos minerales ultraporosos pueden absorber contaminantes ambientales, filtrar el agua potable, gestionar los residuos nucleares e incluso absorber dióxido de carbono (CO ₂ ).

Ahora, en el primer estudio de este tipo, Investigadores de la Universidad Northwestern han analizado muestras de zeolitas antiguas recolectadas en los bordes del este de Islandia para descubrir que las zeolitas separan los isótopos de calcio de una manera totalmente inesperada.

"El calcio se presenta como múltiples isótopos que tienen diferentes masas, "dijo Claire Nelson, el primer autor del artículo. "La mayoría de los minerales incorporan preferentemente isótopos de calcio más ligeros. Lo que encontramos es que algunas zeolitas prefieren isótopos más ligeros en un grado extremo, mientras que otras zeolitas prefieren isótopos más pesados, un resultado raro y sorprendente ".

Este hallazgo podría ayudar a cuantificar las temperaturas tanto en sistemas geológicos modernos como antiguos, así como informar los esfuerzos para mitigar el cambio climático causado por el hombre mediante la captura de carbono.

El estudio fue publicado el viernes (1 de octubre) en la revista Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente , una nueva revista de acceso abierto establecida por Nature Portfolio.

"Descubrimos algo completamente nuevo e inesperado, "dijo Andrew Jacobson, autor principal del estudio. "Podría tener amplias implicaciones en las geociencias y en todos los campos, especialmente considerando que las zeolitas tienen innumerables aplicaciones en la industria, medicina y remediación ambiental ".

Jacobson es profesor de ciencias terrestres y planetarias en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Nelson recientemente obtuvo su Ph.D. trabaja en el laboratorio de Jacobson y actualmente es investigadora científica postdoctoral en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia. El experto en zeolitas Tobias Weisenberger, un geólogo del Centro de Investigación Breiðdasvík de la Universidad de Islandia, fue un coautor clave del estudio.

Rappel por rocas

Aunque se forman en una amplia variedad de entornos geológicos, las zeolitas son particularmente comunes en entornos volcánicos que producen basalto. A medida que la lava brotaba de los volcanes se acumulaba con el tiempo, las rocas enterradas se comprimen y transforman. El agua subterránea interactúa con estas rocas para formar zeolitas, que comprenden aluminio, átomos de oxígeno y silicio unidos entre sí para formar estructuras tridimensionales en forma de jaula.

"La lava volcánica inicial cristalizó en minerales primarios, ", Dijo Nelson." Entonces llovió agua y se infiltró en las rocas, los disolvió y produjo minerales secundarios como zeolitas y calcita ".

Para recolectar muestras para el estudio, Nelson visitó la región de Berufjörður-Breiðdalur en el este de Islandia, donde la erosión glacial ha excavado profundos valles y fiordos en roca basáltica para revelar zeolitas enterradas. Nelson subió a la cima de las montañas del fiordo y descendió en rápel hacia el cañón del río para recolectar muestras de varias altitudes. que representan diferentes profundidades de enterramiento y, por lo tanto, temperaturas de metamorfismo.

Una gran sorpresa

Para analizar estas muestras, Nelson usó un estado de la técnica, método de alta precisión para medir isótopos de calcio desarrollado en el laboratorio de Jacobson. Nelson y Jacobson estaban particularmente interesados ​​en identificar los mecanismos que fraccionan (o separan) los isótopos de calcio según sus masas.

"Por décadas, Los geocientíficos han empleado zeolitas para comprender la alteración hidrotermal del basalto, pero hasta ahora los investigadores de isótopos de calcio los habían descuidado, "Dijo Jacobson." Resulta que, los minerales muestran fraccionamientos de isótopos de calcio extremadamente grandes, mucho más grande de lo que nadie predijo o incluso creyó posible ".

El equipo de Northwestern descubrió que las zeolitas mostraban una variabilidad extrema de isótopos de calcio, más que prácticamente todos los demás materiales producidos en la superficie de la Tierra.

Después de un análisis más detallado, Nelson descubrió que este comportamiento se correlaciona directamente con la longitud de los enlaces entre los átomos de calcio y oxígeno dentro de las zeolitas. Las zeolitas que soportan enlaces más largos acumulan isótopos de calcio más ligeros, mientras que aquellos con enlaces más cortos acumulan isótopos de calcio más pesados.

"Básicamente, los isótopos más pesados ​​prefieren enlaces más fuertes (o más cortos), ", Dijo Nelson." Es más termodinámicamente favorable que los enlaces más fuertes concentren isótopos más pesados. Los enlaces más largos prefieren energéticamente isótopos más ligeros. Tales observaciones son raras e informan lo que sabemos sobre el comportamiento de los isótopos de calcio en general ".

Potencial caliente

Los resultados tienen implicaciones de amplio alcance, ya que las zeolitas tienen múltiples aplicaciones industriales y comerciales. Además, La comprensión de los mecanismos que fraccionan los isótopos de calcio puede ayudar a informar los usos nuevos y existentes del proxy de isótopos de calcio. Dado que el fraccionamiento de isótopos puede depender de la temperatura, Jacobson y Nelson dicen que las zeolitas podrían convertirse en un tipo de geotermómetro completamente nuevo, potencialmente capaz de reconstruir temperaturas antiguas en entornos donde se forman zeolitas.

"La relación de la longitud del enlace indica que los fraccionamientos están controlados por la termodinámica en lugar de la cinética, ", Dijo Nelson." Termodinámico, o equilibrio, el fraccionamiento controlado depende de la temperatura. Entonces, con más investigación, las proporciones de isótopos de calcio de las zeolitas podrían usarse para cuantificar temperaturas del pasado ".

La nueva comprensión también tiene importancia para el uso de isótopos de calcio para rastrear la meteorización del basalto, incluyendo su papel en la regulación del clima a largo plazo y su aplicación en la captura y almacenamiento de carbono.