Pyrite, ou l'or des fous, est un minéral commun qui réagit rapidement avec l'oxygène lorsqu'il est exposé à l'eau ou à l'air, comme pendant les opérations minières, et peut conduire à un drainage minier acide. On en sait peu, cependant, sur l'oxydation de la pyrite dans la roche non exploitée profondément sous terre.

Un nouveau, L'approche multi-échelle de l'étude de l'oxydation de la pyrite en profondeur suggère que la fracturation et l'érosion à la surface déterminent le rythme de l'oxydation, lequel, quand il se produit lentement, évite l'acidité galopante et laisse à la place des "fossiles" d'oxyde de fer.

"L'oxydation de la pyrite est un problème géologique et environnemental classique, mais nous savons peu de choses sur le taux d'oxydation de la pyrite se produisant dans les roches profondes, " dit Xin Gu, professeur adjoint de recherche au Earth and Environmental Systems Institute (EESI) de Penn State. "Lorsque la pyrite réagit avec l'oxygène, il libère de l'acide sulfurique, qui peut provoquer un drainage minier acide, un grave problème environnemental à travers le monde et surtout ici en Pennsylvanie."

Lorsqu'il est exposé à l'air, comme dans une mine, la pyrite s'oxydera complètement en quelques années, dit Gu. Des micro-organismes peuvent également se former sur le minéral et accélérer la réaction. Le processus d'oxydation se produit rapidement et permet à l'acide sulfurique de s'accumuler. Cependant, si elle n'est pas minée profondément sous la surface, les processus géologiques ralentissent la réaction de plusieurs dizaines de milliers d'années et empêchent l'acide de s'accumuler.

Les chercheurs ont étudié l'oxydation de la pyrite à l'observatoire de la zone critique de Susquehanna Shale Hills (CZO) financé par la National Science Foundation. Le Shale Hills CZO est un site de recherche forestier dans la forêt Stone Valley de Penn State qui se trouve au sommet d'une formation de schiste, l'un des types de roches les plus répandus au monde. Les chercheurs ont abaissé les outils de diagraphie géophysique, des instruments capables d'envoyer et de recevoir des signaux, ou même prendre des images haute résolution dans des trous de forage de 3 pouces de large et des roches récupérées à plus de 100 pieds de profondeur pour examiner le substrat rocheux de schiste et identifier à quelle profondeur la pyrite s'altère et se fracture sous terre.

L'équipe a étudié des grains de pyrite et comment ils se transforment en oxydes de fer de type rouille à l'aide de microscopes spécialisés dans le laboratoire de caractérisation des matériaux de Penn State. Ils ont coupé la roche en tranches de moins d'un dixième de pouce d'épaisseur et ont placé les sections sous des microscopes électroniques à balayage pour imager leurs microstructures. Microscopes électroniques à transmission haute résolution, qui utilisent des faisceaux d'électrons pour produire des images, a aidé les chercheurs à étudier les microstructures jusqu'à de petites caractéristiques environ 70 fois plus fines qu'un cheveu humain.

L'examen des échantillons a permis aux chercheurs d'identifier la zone souterraine où la pyrite s'oxyde en un minerai de fer de type rouille à une échelle très fine, dit Gu.

Les chercheurs ont rendu compte de leurs découvertes dans un récent numéro de Science .

L'équipe a découvert que le taux d'érosion du schiste contrôlait le taux d'oxydation de la pyrite en profondeur. Les fissures microscopiques qui se forment dans la roche à des dizaines de mètres sous la surface sont trop petites pour que les micro-organismes y pénètrent. Dans des paysages comme celui de la Pennsylvanie qui s'érodent au fil des millénaires, l'oxygène dissous dans l'eau s'infiltre dans les ouvertures et a tout le temps de catalyser la réaction, le faire en petites quantités. Lorsque cela se produit, les pseudomorphes de pyrite, ce qui signifie que structurellement, il conserve sa forme de framboise même si chimiquement il s'est transformé de sulfure de fer en oxyde de fer.

"La quantité et la vitesse à laquelle la réaction se produit sous terre explique pourquoi la pyrite est remplacée par ces parfaits 'fossiles d'oxyde de fer, '", a déclaré Susan Brantley, éminent professeur de géosciences et directeur de l'EESI.

Les chercheurs ont utilisé leurs découvertes pour développer un modèle pour calculer les taux d'oxydation de la pyrite à Shale Hills et à travers le monde, y compris dans les zones avec des taux d'érosion plus rapides. Cela peut également aider les scientifiques à mieux comprendre à quoi ressemblait la Terre avant le grand événement d'oxydation il y a 2,4 milliards d'années, ce qui a permis à des organismes plus complexes de croître et d'évoluer.

"Ce que Xin a fait est extraordinaire, " a déclaré Brantley. "Il a montré que la pyrite s'oxyde à 30 pieds ou plus sous la surface de la terre pour former des cristaux qui sont des répliques parfaites du grain de pyrite d'origine. Il a également montré que cette compréhension plus approfondie de la pyrite peut révéler des informations sur les raisons pour lesquelles la pyrite était encore préservée à la surface de la Terre primitive, lorsque l'oxygène était présent à des concentrations plus faibles dans l'atmosphère.

L'observatoire de la zone critique de Shale Hills est le meilleur endroit pour effectuer ce type de travail, selon Gu.

« Nous avons des experts de divers domaines qui travaillent sur différents aspects de ce bassin versant, comme l'hydrologie, érosion, sols, profils de biote et d'altération, " a-t-il dit. " Si nous menions l'étude à une échelle ou dans une perspective disciplinaire, nous aurions manqué une grande partie de l'histoire. Notre approche interdisciplinaire nous permet de mieux comprendre ce qui se passe ici."