Darstellung im atomaren Maßstab: Neuer Ansatz zur Pyrit-Oxidation

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Pyrit oder Katzengold ist ein weit verbreitetes Mineral, das schnell mit Sauerstoff reagiert, wenn es Wasser oder Luft ausgesetzt ist, wie z.B. bei Bergbaubetrieben, und zu einer sauren Minenentwässerung führen kann. Es ist jedoch nur wenig über die Oxidation von Pyrit in nicht abgebautem Gestein tief unter der Erde bekannt. Ein neuer, mehrstufiger Ansatz zur Untersuchung der Pyritoxidation tief unter der Erde lässt vermuten, dass Bruchstellen und Erosion an der Oberfläche die Geschwindigkeit der Oxidation bestimmen. Wenn die Oxidation langsam vor sich geht, wird die Säurebildung vermieden und stattdessen Eisenoxid-“Fossilien” zurückgelassen.

“Die Pyrit-Oxidation ist ein klassisches geologisches und ökologisches Problem, aber wir wissen nur wenig über die Rate der Pyrit-Oxidation, die im Tiefengestein auftritt”, sagte Xin Gu, Assistant Research Professor am Earth and Environmental Systems Institute (EESI) von der Penn State University. “Wenn Pyrit mit Sauerstoff reagiert, setzt er Schwefelsäure frei, die saure Minenentwässerung verursachen kann, ein ernstes Umweltproblem auf der ganzen Welt und besonders hier in Pennsylvania.

Ein Problem des Erz- und Kohle-Bergbaus ist die Bildung von sauren Grubenwässern. Diese entstehen, wenn durch die bergbauliche Tätigkeit Sauerstoff in anoxische Gebirgsbereiche gelangt und oxidierend auf dort lagernde Eisendisulfidminerale wie Pyrit und Markasit einwirkt. Diese Oxidationen werden durch Bakterien und Archaeen katalysiert. Die abiotische Oxidation verläuft nur sehr langsam. Das Eisen wird zu Eisen(III)-Ionen oxidiert und freigesetzt und der Sulfid-Schwefel wird zu Sulfat-Ionen oxidiert, wobei Protonen H+ freigesetzt werden:

{\displaystyle \mathrm {FeS_{2}+3{,}75\,O_{2}+0{,}5\,H_{2}O\rightarrow Fe^{3+}+2\,SO_{4}^{2-}+H^{+}} }
Oxidationsweg von Pyrit

Wenn Pyrit, wie beispielsweise in einem Bergwerk, der Luft ausgesetzt wird, oxidiert er innerhalb weniger Jahre vollständig, sagte Gu. Auch Mikroorganismen können sich auf dem Mineral bilden und die Reaktion beschleunigen. Der Oxidationsprozess geht schnell vonstatten und ermöglicht die Ansammlung von Schwefelsäure. Wenn sie jedoch tief unter der Oberfläche nicht abgebaut wird, verlangsamen geologische Prozesse die Reaktion um Zehntausende von Jahren und verhindern, dass sich die Säure ablagert.

Gesteinsproben, die aus 25 m unter der Erde entnommen wurden. Die Forscher untersuchten die Mikrostrukturen des Gesteins, um auf atomarer Ebene festzustellen, wo die Pyritminerale zu oxidieren beginnen und sich in rostige Eisenoxide verwandeln. (Foto: Xin Gu)

Die Forscher untersuchten die Pyritoxidation am von der National Science Foundation finanzierten Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory (CZO). Das Shale Hills CZO ist ein bewaldeter Forschungsstandort im Stone Valley Forest im Bundesstaat Pennsylvania, der auf einer Schieferformation liegt, einer der häufigsten Gesteinsarten der Welt. Die Forscher versenkten geophysikalische Messinstrumente – Instrumente, die Signale senden und empfangen oder sogar hochauflösende Bilder aufnehmen können – in Bohrlöchern mit einer Breite von 7,5 cm und in abgetragenem Gestein aus mehr als 30 m Tiefe, um das Schiefergestein zu untersuchen und zu ermitteln, in welcher Tiefe Pyrit verwittert und Risse im Untergrund auftreten.

Das Team untersuchte die Pyritkörner und ihre Umwandlung in rostartige Eisenoxide mit speziellen Mikroskopen im Material Characterization Laboratory der Pennsylvania State University. Sie schnitten das Gestein in Scheiben von weniger als 2,5 mm Dicke und legten die Schnitte unter Rasterelektronenmikroskope, um ihre Mikrostrukturen darzustellen. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskope, die Elektronenstrahlen zur Bilderzeugung verwenden, halfen den Forschern, die Mikrostrukturen bis hin zu kleinsten Merkmalen zu untersuchen, die etwa 70 Mal dünner sind, als ein menschliches Haar.

Das Team fand heraus, dass die Erosionsrate des Schiefers die Rate der Pyritoxidation in der Tiefe steuert. Mikroskopische Risse, die sich im Gestein einige zehn Meter unter der Oberfläche bilden, sind zu klein, als dass Mikroorganismen eindringen könnten. In Landschaften wie der von Pennsylvania, die über Jahrtausende erodieren, sickert im Wasser gelöster Sauerstoff in die Öffnungen und hat genügend Zeit, die Reaktion zu katalysieren, was in kleinen Mengen geschieht. Wenn dies geschieht, pseudomorpht der Pyrit. Das bedeutet, dass er strukturell seine himbeerähnliche Form beibehält, obwohl er sich chemisch von Eisensulfid in Eisenoxid umgewandelt hat.

Schematische Darstellung der oxidativen Verwitterung von Pyrit in Gesteinen, die in mehreren Metern Tiefe eingelagert sind.
Die Pyritoxidation wurde von der molekularen (TEM) Skala der Pyrit-Fe-Oxid-Grenzfläche über die Klasten- und Bohrlochskala bis hin zur Extrapolation auf Landschaften untersucht. Die Oxidationsrate von Pyrit, die auf der Korngröße durch Sauerstoffdiffusion durch die Schiefermatrix begrenzt ist, wird auf größeren Skalen durch Frakturierung und Erosion reguliert. (Ill.: s. Veröfftl.)

“Die Menge und Geschwindigkeit, mit der die Reaktion unterirdisch abläuft, erklärt, warum Pyrit durch diese perfekten Eisenoxid-‘Fossilien’ ersetzt wird”, sagte Susan Brantley, angesehene Professorin der Geowissenschaften und Direktorin der EESI.

Die Forscher verwendeten ihre Erkenntnisse zur Entwicklung eines Modells zur Berechnung der Pyrit-Oxidationsraten in Shale Hills und auf der ganzen Welt, auch in Gebieten mit schnelleren Erosionsraten. Es kann den Wissenschaftlern auch helfen, besser zu verstehen, wie die Erde vor dem Großen Oxidationsereignis vor 2,4 Milliarden Jahren aussah und das Wachstum und die Entwicklung komplexerer Organismen ermöglichte.

“Was Xin getan hat, ist außergewöhnlich”, sagte Brantley. “Er zeigte, dass Pyrit 30 m oder mehr unter der Landoberfläche oxidiert und Kristalle bildet, die perfekte Nachbildungen des ursprünglichen Pyritkorns sind. Er zeigte zudem, dass dieses tiefere Verständnis von Pyrit Informationen darüber offenbaren kann, warum Pyrit auf der Oberfläche der frühen Erde noch auf der Oberfläche vorhanden war, als Sauerstoff in geringerer Konzentration in der Atmosphäre vorhanden war.

Das Shale Hills Critical Zone Observatory ist der beste Ort, um diese Art von Arbeiten durchzuführen, so Gu.

“Wir haben Experten aus verschiedenen Bereichen, die an verschiedenen Aspekten dieses Gebietes arbeiten, wie Hydrologie, Erosion, Böden, Biota und Verwitterungsprofile”, sagte er. “Wenn wir die Studie in einem bestimmten Maßstab oder aus nur einer disziplinären Perspektive durchgeführt hätten, wäre uns ein großer Teil der Geschichte entgangen. Erst unser interdisziplinärer Ansatz ermöglicht es uns, besser zu verstehen, was hier vor sich geht”.


Veröffentlichung: Xin Gu et al. Deep abiotic weathering of pyrite, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb8092

Quelle: off. Pm der Pennsylvania State University

Titelbildunterschrift: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von himbeerförmigem Pyrit (links) und teilweise oxidiertem Pyrit (rechts), wie durch die rote Farbe angezeigt, die im Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory gefunden wurden. Brüche und Erosion an der Erdoberfläche kontrollieren die Rate der Pyritoxidation tief unter der Erde und hinterlassen Eisenoxid-“Fossilien”, die die Form des Pyrits beibehalten. (Foto: Xin Gu)


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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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