Les zéolites pourraient être considérées comme le cheval de bataille de la nature.

Rempli de trous et de canaux microscopiques, ces minéraux ultraporeux peuvent absorber les contaminants environnementaux, filtrer l'eau potable, gérer les déchets nucléaires et même absorber le dioxyde de carbone (CO 2 ).

Maintenant, dans la première étude du genre, Des chercheurs de la Northwestern University ont analysé d'anciens spécimens de zéolite prélevés sur les bords de l'est de l'Islande pour découvrir que les zéolites séparent les isotopes de calcium d'une manière tout à fait inattendue.

"Le calcium se présente sous forme d'isotopes multiples ayant des masses différentes, " a déclaré Claire Nelson, le premier auteur de l'article. "La plupart des minéraux incorporent préférentiellement des isotopes de calcium plus légers. Ce que nous avons constaté, c'est que certaines zéolites préfèrent à un degré extrême les isotopes plus légers, tandis que d'autres zéolites préfèrent les isotopes plus lourds, un résultat rare et frappant."

Cette découverte pourrait aider à quantifier les températures dans les systèmes géologiques modernes et anciens, ainsi que d'éclairer les efforts visant à atténuer le changement climatique d'origine humaine par la séquestration du carbone.

L'étude a été publiée vendredi (1er octobre) dans la revue Communications Terre et Environnement , une nouvelle revue en libre accès établie par Nature Portfolio.

"Nous avons découvert quelque chose de complètement inattendu et nouveau, " a déclaré Andrew Jacobson, auteur principal de l'étude. « Cela pourrait avoir de vastes implications dans les géosciences et dans tous les domaines, d'autant plus que les zéolithes ont d'innombrables applications dans l'industrie, médecine et assainissement de l'environnement.

Jacobson est professeur de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Nelson a récemment obtenu son doctorat. travaille dans le laboratoire de Jacobson et est actuellement chercheur postdoctoral au Lamont-Doherty Earth Observatory de l'Université Columbia. L'expert en zéolite Tobias Weisenberger, géologue au Centre de recherche Breiðdasvík de l'Université d'Islande, était un co-auteur clé de l'étude.

Descente en rappel pour les rochers

Bien qu'ils se forment dans une grande variété d'environnements géologiques, les zéolites sont particulièrement courantes dans les milieux volcaniques qui produisent du basalte. Alors que la lave des volcans s'accumule au fil du temps, les roches enfouies se compriment et se transforment. Les eaux souterraines interagissent avec ces roches pour former des zéolites, qui comprennent de l'aluminium, des atomes d'oxygène et de silicium liés ensemble pour former des structures tridimensionnelles en forme de cage.

"La lave volcanique initiale s'est cristallisée en minéraux primaires, " a dit Nelson. " Puis l'eau a plu et s'est infiltrée dans les rochers, les a dissous et a produit des minéraux secondaires comme les zéolites et la calcite."

Pour collecter des échantillons pour l'étude, Nelson a visité la région de Berufjörður-Breiðdalur dans l'est de l'Islande, où l'érosion glaciaire a creusé des vallées profondes et des fjords dans la roche basaltique pour révéler des zéolites enfouies. Nelson a grimpé au sommet des montagnes du fjord et est descendu en rappel dans le canyon de la rivière pour collecter des échantillons à différentes altitudes, représentant différentes profondeurs d'enfouissement et donc des températures de métamorphisme.

Une surprise de poids

Pour analyser ces échantillons, Nelson a utilisé une technologie de pointe, méthode très précise de mesure des isotopes du calcium mise au point dans le laboratoire de Jacobson. Nelson et Jacobson se sont particulièrement intéressés à l'identification des mécanismes qui fractionnent (ou séparent) les isotopes du calcium en fonction de leurs masses.

"Depuis des décennies, les géoscientifiques ont utilisé des zéolithes pour comprendre l'altération hydrothermale du basalte, mais jusqu'à maintenant, les chercheurs en isotopes du calcium les avaient négligés, " dit Jacobson. " Il s'avère que, les minéraux présentent des fractionnements d'isotopes de calcium extrêmement importants, beaucoup plus grand que quiconque ne l'avait prédit ou même pensé possible."

L'équipe de Northwestern a découvert que les zéolites présentaient une variabilité isotopique du calcium extrême, plus que pratiquement tous les autres matériaux produits à la surface de la Terre.

Après une analyse plus approfondie, Nelson a découvert que ce comportement est directement corrélé avec les longueurs de liaison entre les atomes de calcium et d'oxygène dans les zéolites. Les zéolites supportant des liaisons plus longues accumulent des isotopes de calcium plus légers, tandis que ceux avec des liaisons plus courtes accumulent des isotopes de calcium plus lourds.

"Essentiellement, les isotopes plus lourds préfèrent des liaisons plus fortes (ou plus courtes), " Nelson a dit. " Il est plus thermodynamiquement favorable pour des liaisons plus fortes pour concentrer des isotopes plus lourds. Les liaisons plus longues préfèrent énergétiquement les isotopes plus légers. De telles observations sont rares et renseignent sur ce que nous savons du comportement des isotopes du calcium en général."

Potentiel chaud

Les résultats ont de vastes implications, car les zéolites ont de multiples applications industrielles et commerciales. En outre, comprendre les mécanismes qui fractionnent les isotopes du calcium peut aider à éclairer les utilisations existantes et nouvelles du proxy isotopique du calcium. Étant donné que le fractionnement isotopique peut dépendre de la température, Jacobson et Nelson disent que les zéolites pourraient être développées en un tout nouveau type de géothermomètre, potentiellement capable de reconstituer des températures anciennes dans des environnements où se forment des zéolithes.

"La relation de longueur de liaison indique que les fractionnements sont contrôlés par la thermodynamique plutôt que par la cinétique, " a dit Nelson. " Thermodynamique, ou l'équilibre, le fractionnement contrôlé dépend de la température. Donc, avec plus de recherche, les rapports isotopiques du calcium des zéolites pourraient être utilisés pour quantifier les températures du passé."

La nouvelle compréhension a également une importance pour l'utilisation des isotopes de calcium pour tracer l'altération du basalte, y compris son rôle dans la régulation du climat à long terme et son application dans le captage et le stockage du carbone.