沸石的同位素挑战自然-碳捕获和储存的新潜力

沸石

研究人员从冰岛东部的Berufjörður-Breiðdalur地区收集了样本,在那里,冰川侵蚀已经将深谷和峡湾雕刻成玄武岩,揭示了埋藏的沸石。资料来源:克莱尔·纳尔逊/西北大学

新的发现可以帮助我们了解沸石是如何用于碳捕获和存储的。

  • 首次研究分析沸石矿物的钙同位素组成
  • 钙和氧分配钙同位素之间的键合条件
  • 研究结果指向了开发一种新型的“地热温度计”,用于调查地球系统

沸石可以被认为是自然界的主力。

这些超多孔矿物充满了微小的孔洞和通道,可以吸收环境污染物,过滤饮用水,管理核废料,甚至吸收二氧化碳(CO2).

在这类研究的第一项中,西北大学研究人员分析了从东冰岛边缘收集的古代沸石标本,发现沸石以一种完全意想不到的方式分离钙同位素。

这篇论文的第一作者克莱尔·纳尔逊说:“钙以多种同位素的形式存在,它们的质量不同。”“大多数矿物优先包含较轻的钙同位素。我们发现,一些沸石在极端程度上更喜欢轻同位素,而其他沸石更喜欢重同位素,这是一个罕见和惊人的结果。”

冰岛的峡湾

研究样本取自冰岛峡湾。来源:克莱尔·纳尔逊/西北大学

这一发现可以帮助量化现代和古代地质系统的温度,并为通过碳捕获封存来缓解人为造成的气候变化提供信息。

这项研究于2021年10月1日发表在《通信地球与环境》杂志上,这是《自然投资组合》创办的一份新的开放获取杂志。

“我们发现了一些完全出乎意料的新东西,”该研究的资深作者安德鲁·雅各布森(Andrew Jacobson)说。“它可能会在地球科学和各个领域产生广泛的影响,特别是考虑到沸石在工业、医药和环境修复方面有无数的应用。”

雅各布森是西北大学温伯格艺术与科学学院的地球与行星科学教授。纳尔逊最近在雅各布森的实验室获得了博士学位,目前是一名博士后研究科学家哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球天文台。冰岛大学Breiðdasvík研究中心的地质学家、沸石专家Tobias Weisenberger是这项研究的主要合著者。

用绳索下降的岩石

尽管沸石形成于多种地质环境中,但在产生玄武岩的火山环境中尤其常见。随着火山喷发的熔岩不断堆积,埋藏的岩石会压缩和转化。地下水与这些岩石相互作用形成沸石,沸石由铝、氧和硅原子组成,并相互连接她试图制作三维笼状结构。

“最初的火山熔岩结晶成原始矿物,”尼尔森说。“然后雨水倾泻下来,渗入岩石,溶解它们,产生沸石和方解石等次生矿物。”

为了为研究收集样本,纳尔逊访问了冰岛东部的Berufjörður-Breiðdalur地区,在那里,冰川侵蚀在玄武岩上雕刻了深深的山谷和峡湾,揭示了埋藏的沸石。纳尔逊爬到峡湾的山顶,然后攀爬进入河谷,从不同的高度采集样本,这些样本代表着不同的埋藏深度和不同的变质温度。

一个的惊喜

为了分析这些样本,尼尔森使用了雅各布森实验室开发的最先进的、高度精确的钙同位素测量方法。纳尔逊和雅各布森对根据钙同位素的质量来划分(或分离)钙同位素的机制特别感兴趣。

雅各布森说:“几十年来,地球科学家一直使用沸石来了解玄武岩的热液蚀变,但直到现在,钙同位素研究人员都忽视了它们。”“事实证明,这些矿物显示出非常大的钙同位素分馏,比任何人预测的或甚至认为可能的都要大得多。”

西北大学的研究小组发现,沸石显示出极端的钙同位素变异性,几乎比地球表面产生的所有其他物质都要多。

经过进一步的分析,Nelson发现这种行为与分子筛中钙原子和氧原子之间的键长直接相关。支撑较长键的沸石会积累较轻的钙同位素,而支撑较短键的沸石则会积累较重的钙同位素。

“基本上,较重的同位素偏好更强(或更短)的键,”尼尔森说。“从热力学角度来说,更强的键更有利于集中更重的同位素。较长的化学键在能量上更倾向于轻的同位素。这样的观察很罕见,它告诉了我们对钙同位素一般行为的了解。”

热的潜力

结果具有广泛的意义,因为沸石有多种工业和商业应用。此外,了解钙同位素分馏的机制有助于了解钙同位素代理的现有和新的用途。由于同位素分馏可能依赖于温度,Jacobson和Nelson说,沸石可以发展成为一种全新的地热温度计,有可能在沸石形成的环境中重建古代的温度。

“键长关系表明分馏是由热力学而不是动力学控制的,”Nelson说。热力学或平衡控制分馏是依赖于温度的。所以,通过更多的研究,沸石的钙同位素比值可以用来量化过去的温度。”

这一新的认识对利用钙同位素追踪玄武岩风化也有重要意义,包括其在长期气候调节中的作用和在碳捕获与封存中的应用。

参考文献:“冰岛沸石矿物的大钙同位素分馏”,Claire J. Nelson, Andrew D. Jacobson, Gabriella D. Kitch和Tobias B. Weisenberger, 2021年10月1日,通信、地球与环境
DOI: 10.1038 / s43247 - 021 - 00274 - 9

这项研究得到了美国国家科学基金会(奖号EAR-1613359)的支持。

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