Winzige Kristalle verschließen Hohlräume und begrenzen die Aufnahme von Verunreinigungen im Gestein

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Die nun von einem in Großbritannien ansässigen Wissenschaftlerteam veröffentlichten Forschungsergebnisse haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Mobilität potenziell schädlicher Verunreinigungen in kristallinem Gestein über lange Zeiträume hinweg aufgrund des Vorhandenseins winziger Kristalle stark eingeschränkt sein kann. Dies bedeutet, dass sich die Verunreinigungen wahrscheinlich nur auf wasserführende Frakturen beschränken werden.

Die Bewegung von Verunreinigungen durch unterirdisches Gestein kann zur Ausbreitung der Kontamination beitragen, ein Problem, das für die geologische Entsorgung einiger Abfallstoffe von Bedeutung ist. Zur Verbesserung unseres Verständnisses der Funktionsweise dieses Prozesses führen wir Studien durch, um Unsicherheiten zu verringern und potenzielle Risiken, die sich daraus ergeben könnten, weiter zu prüfen.

Diese neuen Ergebnisse werfen Licht auf das schwierige Problem, wie sich Schadstoffe über extrem lange Zeiträume bewegen können und dürften unsere Fähigkeit zur Berechnung langfristiger Risiken verbessern.

Diese Studie, die in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, analysierte kristalline (Granit-)Gesteinsproben aus einem Untergrundsystem in Japan. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bedeutung der “Gesteinsmatrixdiffusion” in vielen Fällen minimal sein könnte. Zusätzliche Analysen eines kontrastierenden kristallinen Gesteinssystems (Carnmenellis Granit, UK) bestätigen diese Ergebnisse.

Diese von der University of Manchester geführten Untersuchungen, die für langlebige Systeme gelten, bauen auf früheren Labor- und Feldstudien über kurze Zeiträume auf, die ebenfalls darauf hindeuteten, dass die Schadstoffmobilität in kristallinem Gestein, wie Granit, auf kurze Distanzen in Teilen des Gesteins beschränkt sein wird, die von großen Brüchen entfernt sind.

Synchrotron-Mikrofokus-XRF-Karten. (A) MIU-3/8 Links: Fe (rot), K (grün) und Ca (blau). Die Mineralien sind wie folgt: grün = K-Feldspat, blau = Plagioklas (gesprenkelte Bereiche weisen auf einen Abbau von Plagioklas zu Phyllosilikat hin, insbesondere in den eher anorthitischen Kernen), gelb = Biotit und rosa = Bastnaesit, ein Fluoridcarbonat der Seltenen Erden, CeCO3(F). Rechts: Th (rot), U (grün) und Y (blau). Dieser Bastnaesit-Kristall ist reich an Th. Diskrete Körner einer U-reichen Phase erscheinen als kleine gelbe Bereiche, während blaue nadelförmige Bereiche reich an Y sind und eine REE/Y-reiche Phosphatphase sein können. Der gelbe Punkt mit der Bezeichnung “B” ist die ungefähre Position der Th-XANES- und Bastnaesitpunktanalyse. Die mit 1 und 2 gekennzeichneten Punkte entsprechen den AcO2-Punktanalysen 1 und 2 in Tabelle 2. Th-XANES wurde ebenfalls an dem mit 1 gekennzeichneten Punkt durchgeführt. (B) MIU-3/10 Synchrotron-Mikrofokus-XRF-Karte. Dieses Bild enthält Mineralfüllungen in Verbindung mit sekundären Frakturen. Falschfarbige Elementkarte mit Farbschlüssel in Form von Elementsymbolen, die den Kartenfarben entsprechen. Die Hauptelementkarte oben links zeigt K-Feldspat in grün, Eisenoxyhydroxid in rot und Calcit in blau. In der rechten oberen Abbildung ist die Magenta-Region Calcit mit angereicherten Mn-Konzentrationen. Helles Orange zeigt den Einbau von Mn in Fe-Oxyhydroxide. Die untere rechte Tafel zeigt deutlich die Calcit-Präzipitate und kleine Bereiche innerhalb der Füllung, die hohe Konzentrationen sowohl von Th als auch von U aufweisen (gelbe Kreise). Der mit Uox bezeichnete Hotspot zeigt die Lage des unten dargestellten oxidierten U L-III XANES-Spektrums an (gelbe Kreise). (Quelle: s. Veröffentlichung)

In dieser neuen Arbeit wurden Gesteine aus alten kristallinen Gesteinsystemen in Japan und Grossbritannien untersucht, um zu zeigen, dass selbst über lange geologische Zeiträume die Bewegung von Elementen innerhalb eines solchen kristallinen Gesteins in der Tat gering ist, was zum großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Bildung grosser Mengen von kleinen Kristallen während der Alterung des Gesteins kleine Öffnungen verschließt und den Zugang für Flüssigkeiten auf nur wenige Millimeter der an Brüche angrenzenden Gesteinsblöcke beschränkt.

Professor Roy Wogelius, der leitende Autor dieses Artikels, kommentierte dies: “Wir machten uns daran, genau zu testen, was wir in Bezug auf den Flüssigkeitszugang zur Matrix dieser Gesteine klären konnten. Wir waren erstaunt über das extrem begrenzte Volumen, das damit verbunden ist. Was uns jedoch am meisten verblüffte, war die Verteilung winziger Kristalle von Karbonatmineralien in dem, was wir gewöhnlich als einen einheitlichen Block aus kristallinem Gestein betrachten.

“Hier erscheinen unerwartet kleine Kalzitkristalle im ganzen Gestein und verstopfen all die winzigen Öffnungen. Diese Kristalle verstopfen alles und halten den größten Teil der Flüssigkeit in großen Rissen ohne Zugang zu kleineren Öffnungen. Dadurch wird der Zugang von Verunreinigungen zur Gesteinsmasse wirksam unterbunden. Das bedeutet, dass sich jede Bewegung von Verunreinigungen wahrscheinlich nur auf Gesteinsbrüche konzentrieren würde. “


Veröffentlichung: R. A. Wogelius et al. Mineral reaction kinetics constrain the length scale of rock matrix diffusion, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-65113-x

Quelle: off. Pm der University of Manchester

Titelbildunterschrift: Elektronenmikrosondenkarten, deren Positionen auf den Einsätzen links auf jeder Tafel angegeben sind. Falsche Farbintensitäten entsprechen den Konzentrationen der in der Tafel markierten Elemente, wobei Rot die höchste relative Konzentration mit Blau bei niedrigsten Konzentrationen vergleicht. Jede Tafel ist 1 mm × 1 mm groß. Die Hauptfrakturausrichtungen sind durch rot schraffierte Bereiche gekennzeichnet. (A) Karte von MIU-3/8 etwa 6 mm vom Hauptriss entfernt. Dies ist der ursprünglichste Bereich, der mit Mikrostrahltechniken kartiert wurde. Die kleinen U- und th-reichen Körner sind entweder Apatit- oder Aktinidoxide. (Bild: s. Veröffentlichung)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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