Pirite, o l'oro degli sciocchi, è un minerale comune che reagisce rapidamente con l'ossigeno se esposto all'acqua o all'aria, come durante le operazioni minerarie, e può portare al drenaggio acido della miniera. Si sa poco, però, sull'ossidazione della pirite nella roccia non estratta in profondità nel sottosuolo.

Una nuova, l'approccio multiscala allo studio dell'ossidazione della pirite in profondità nel sottosuolo suggerisce che la fratturazione e l'erosione in superficie determinano il ritmo dell'ossidazione, quale, quando avviene lentamente, evita l'acidità incontrollata e lascia invece "fossili" di ossido di ferro.

"L'ossidazione della pirite è un classico problema geologico e ambientale, ma sappiamo poco del tasso di ossidazione della pirite che si verifica nelle rocce profonde, " disse Xin Gu, assistente professore di ricerca presso l'Earth and Environmental Systems Institute (EESI) di Penn State. "Quando la pirite reagisce con l'ossigeno, rilascia acido solforico, che può causare il drenaggio acido della miniera, un serio problema ambientale in tutto il mondo e soprattutto qui in Pennsylvania".

Quando esposto all'aria, come in una miniera, la pirite si ossiderà completamente in pochi anni, ha detto Gu. I microrganismi possono anche formarsi sul minerale e accelerare la reazione. Il processo di ossidazione avviene rapidamente e consente l'accumulo di acido solforico. Però, se lasciato non minato in profondità sotto la superficie, i processi geologici rallentano la reazione di decine di migliaia di anni e impediscono l'accumulo di acido.

I ricercatori hanno studiato l'ossidazione della pirite presso il Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory (CZO), finanziato dalla National Science Foundation. Lo Shale Hills CZO è un sito di ricerca boschivo nella Stone Valley Forest di Penn State che si trova in cima a una formazione di scisto, uno dei tipi di roccia più comuni al mondo. I ricercatori hanno abbassato gli strumenti di registrazione geofisica, strumenti in grado di inviare e ricevere segnali, o anche scattare immagini ad alta risoluzione:giù per pozzi larghi 3 pollici e rocce recuperate da più di 100 piedi di profondità per esaminare il substrato roccioso di scisto e identificare quanto profondo o poco profondo la pirite si altera e si frattura nel sottosuolo.

Il team ha studiato grani di pirite e come si trasformano in ossidi di ferro di tipo ruggine utilizzando microscopi specializzati nel laboratorio di caratterizzazione dei materiali di Penn State. Hanno tagliato la roccia in fette spesse meno di un decimo di pollice e hanno posto le sezioni sotto i microscopi elettronici a scansione per visualizzare le loro microstrutture. Microscopi elettronici a trasmissione ad alta risoluzione, che utilizzano fasci di elettroni per produrre immagini, ha aiutato i ricercatori a studiare le microstrutture fino a piccole caratteristiche circa 70 volte più sottili di un capello umano.

L'esame dei campioni ha permesso ai ricercatori di identificare la zona sotterranea in cui la pirite si ossida in un minerale di ferro di tipo ruggine su scala molto fine, ha detto Gu.

I ricercatori hanno riportato le loro scoperte in un recente numero di Scienza .

Il team ha scoperto che il tasso di erosione dello scisto controllava il tasso di ossidazione della pirite in profondità. Le fessure microscopiche che si formano nella roccia decine di piedi sotto la superficie sono troppo piccole per l'ingresso di microrganismi. In paesaggi come quello della Pennsylvania che si erodono nel corso dei millenni, l'ossigeno disciolto nell'acqua penetra nelle aperture e ha tutto il tempo per catalizzare la reazione, farlo in piccole quantità. Quando ciò si verifica, gli pseudomorfi di pirite, il che significa che strutturalmente mantiene la sua forma a lampone anche se chimicamente si è trasformato da solfuro di ferro in ossido di ferro.

"La quantità e la velocità con cui avviene la reazione nel sottosuolo spiega perché la pirite è sostituita da questi fossili di ossido di ferro perfetto, '", ha detto Susan Brantley, illustre professore di geoscienze e direttore dell'EESI.

I ricercatori hanno usato le loro scoperte per sviluppare un modello per calcolare i tassi di ossidazione della pirite a Shale Hills e in tutto il mondo, anche in aree con tassi di erosione più rapidi. Può anche aiutare gli scienziati a capire meglio com'era la Terra prima del Grande Evento di Ossidazione 2,4 miliardi di anni fa, che ha permesso a organismi più complessi di crescere ed evolversi.

"Quello che ha fatto Xin è straordinario, "Brantley ha detto. "Ha dimostrato che la pirite si ossida a 30 piedi o più sotto la superficie terrestre per formare cristalli che sono repliche perfette del grano di pirite originale. Ha anche mostrato che questa comprensione più profonda della pirite può rivelare informazioni sul motivo per cui la pirite era ancora conservata sulla superficie terrestre sulla Terra primitiva, quando l'ossigeno era presente a concentrazioni inferiori nell'atmosfera."

Lo Shale Hills Critical Zone Observatory è il posto migliore per condurre questo tipo di lavoro, secondo Gu.

"Abbiamo esperti di diversi campi che stanno lavorando su diversi aspetti di questo spartiacque, come l'idrologia, erosione, suoli, biota e profili di invecchiamento, " ha detto. "Se abbiamo condotto lo studio su una scala o da una prospettiva disciplinare, avremmo perso gran parte della storia. Il nostro approccio interdisciplinare ci permette di capire meglio cosa sta succedendo qui".