Le zeoliti potrebbero essere considerate il cavallo di battaglia della natura.

Riempito di fori e canali microscopici, questi minerali ultraporosi possono assorbire i contaminanti ambientali, filtrare l'acqua potabile, gestire le scorie nucleari e persino assorbire l'anidride carbonica (CO ₂ ).

Ora, nel primo studio del genere, I ricercatori della Northwestern University hanno analizzato antichi campioni di zeolite raccolti ai margini dell'Islanda orientale per scoprire che le zeoliti separano gli isotopi di calcio in un modo del tutto inaspettato.

"Il calcio si presenta come più isotopi aventi masse diverse, " ha detto Claire Nelson, il primo autore dell'articolo. "La maggior parte dei minerali incorpora preferibilmente isotopi di calcio più leggeri. Quello che abbiamo scoperto è che alcune zeoliti preferiscono gli isotopi più leggeri in misura estrema, mentre altre zeoliti preferiscono isotopi più pesanti, un risultato raro e sorprendente."

Questa scoperta potrebbe aiutare a quantificare le temperature nei sistemi geologici sia moderni che antichi, nonché informare gli sforzi per mitigare i cambiamenti climatici causati dall'uomo mediante il sequestro della cattura del carbonio.

Lo studio è stato pubblicato venerdì (1 ottobre) sulla rivista Comunicazioni Terra e Ambiente , una nuova rivista ad accesso aperto creata da Nature Portfolio.

"Abbiamo scoperto qualcosa di completamente inaspettato e nuovo, " ha detto Andrew Jacobson, autore senior dello studio. "Potrebbe avere implicazioni di vasta portata nelle geoscienze e in tutti i campi, soprattutto considerando che le zeoliti hanno innumerevoli applicazioni nell'industria, medicina e bonifica ambientale”.

Jacobson è un professore di scienze della Terra e planetarie al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Nelson ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. lavora nel laboratorio di Jacobson ed è attualmente ricercatore post-dottorato presso il Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University. L'esperto di zeoliti Tobias Weisenberger, un geologo presso il Centro di ricerca Breiðdasvík dell'Università dell'Islanda, è stato un co-autore chiave dello studio.

Discesa in corda doppia per le rocce

Sebbene si formino in un'ampia varietà di ambienti geologici, le zeoliti sono particolarmente comuni negli ambienti vulcanici che producono basalto. Mentre la lava eruttata dai vulcani si accumula nel tempo, le rocce sepolte si comprimono e si trasformano. Le acque sotterranee interagiscono con queste rocce per formare zeoliti, che comprendono alluminio, atomi di ossigeno e silicio collegati tra loro per creare strutture tridimensionali a forma di gabbia.

"La lava vulcanica iniziale si è cristallizzata in minerali primari, " disse Nelson. "Poi l'acqua piovve e si infiltrò nelle rocce, li dissolse e produsse minerali secondari come zeoliti e calcite."

Per raccogliere campioni per lo studio, Nelson visitò la regione di Berufjörður-Breiðdalur nell'Islanda orientale, dove l'erosione glaciale ha scavato profonde vallate e fiordi nella roccia basaltica per rivelare zeoliti sepolte. Nelson è salito in cima alle montagne del fiordo e si è calato nel canyon del fiume per raccogliere campioni da varie altitudini, che rappresentano diverse profondità di sepoltura e quindi temperature di metamorfismo.

Una pesante sorpresa

Per analizzare questi campioni, Nelson ha utilizzato uno stato dell'arte, metodo altamente preciso per misurare gli isotopi di calcio sviluppato nel laboratorio di Jacobson. Nelson e Jacobson erano particolarmente interessati all'identificazione dei meccanismi che frazionano (o separano) gli isotopi di calcio in base alle loro masse.

"Per decenni, i geologi hanno impiegato le zeoliti per comprendere l'alterazione idrotermale del basalto, ma fino ad ora, i ricercatori dell'isotopo di calcio li avevano trascurati, " ha detto Jacobson. "A quanto pare, i minerali mostrano frazioni di isotopi di calcio estremamente grandi, molto più grande di quanto chiunque avesse previsto o addirittura pensato possibile."

Il team della Northwestern ha scoperto che le zeoliti mostravano un'estrema variabilità degli isotopi di calcio, più di praticamente tutti gli altri materiali prodotti sulla superficie terrestre.

Dopo ulteriori analisi, Nelson ha scoperto che questo comportamento è direttamente correlato alla lunghezza dei legami tra gli atomi di calcio e ossigeno all'interno delle zeoliti. Le zeoliti che supportano legami più lunghi accumulano isotopi di calcio più leggeri, mentre quelli con legami più corti accumulano isotopi di calcio più pesanti.

"Fondamentalmente, gli isotopi più pesanti preferiscono legami più forti (o più corti), " Ha detto Nelson. "È più termodinamicamente favorevole per legami più forti concentrare isotopi più pesanti. I legami più lunghi preferiscono energeticamente gli isotopi più leggeri. Tali osservazioni sono rare e informano ciò che sappiamo sul comportamento degli isotopi di calcio in generale".

Potenziale caldo

I risultati hanno implicazioni di vasta portata, poiché le zeoliti hanno molteplici applicazioni industriali e commerciali. Inoltre, la comprensione dei meccanismi che frazionano gli isotopi di calcio può aiutare a informare sia gli usi esistenti che quelli nuovi del proxy dell'isotopo di calcio. Poiché il frazionamento isotopico può dipendere dalla temperatura, Jacobson e Nelson affermano che le zeoliti potrebbero essere sviluppate in un tipo completamente nuovo di geotermometro, potenzialmente in grado di ricostruire le antiche temperature negli ambienti dove si formano le zeoliti.

"La relazione della lunghezza del legame indica che i frazionamenti sono controllati dalla termodinamica piuttosto che dalla cinetica, " Ha detto Nelson. "Termodinamico, o equilibrio, il frazionamento controllato dipende dalla temperatura. Così, con più ricerche, i rapporti isotopici di calcio delle zeoliti potrebbero essere utilizzati per quantificare le temperature del passato".

La nuova comprensione ha anche un significato per l'utilizzo di isotopi di calcio per tracciare l'erosione del basalto, compreso il suo ruolo nella regolazione del clima a lungo termine e l'applicazione nella cattura e nello stoccaggio del carbonio.