沸石可以被視為大自然的主力。這些超多孔礦物質(zhì)充滿了微小的孔洞和通道，可以吸收環(huán)境污染物、過濾飲用水、管理核廢料，甚至吸收二氧化碳(CO2)。
現(xiàn)在，在同類研究中，西北大學(xué)的研究人員分析了從冰島東部邊緣收集的古代天然沸石標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)沸石以一種完全出乎意料的方式分離鈣同位素。
“鈣以具有不同質(zhì)量的多種同位素的形式出現(xiàn)，”該論文的第一作者克萊爾·納爾遜(ClaireNelson)說。“大多數(shù)礦物質(zhì)優(yōu)先包含較輕的鈣同位素。我們發(fā)現(xiàn)，一些沸石極端偏愛較輕的同位素，而另一些沸石偏愛較重的同位素，這是一個(gè)罕見而驚人的結(jié)果。”這一發(fā)現(xiàn)有助于量化現(xiàn)代和古代地質(zhì)系統(tǒng)中的溫度，并為通過碳捕獲封存減輕人為氣候變化的努力提供信息。該研究于周五（10月1日）發(fā)表在《通信地球與環(huán)境》雜志上，該雜志是NaturePortfolio建立的新的開放獲取期刊。
“我們發(fā)現(xiàn)了一些完全出乎意料的新事物，”該研究的資深作者安德魯·雅各布森說。“它可能對(duì)地球科學(xué)和跨領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛的影響，特別是考慮到沸石在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境修復(fù)中有著無數(shù)的應(yīng)用。”
雅各布森是西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院地球和行星科學(xué)教授。納爾遜最近獲得了她的博士學(xué)位。在雅各布森的實(shí)驗(yàn)室工作，目前是哥倫比亞大學(xué)拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的博士后研究科學(xué)家。冰島大學(xué)Breiedasvík研究中心的地質(zhì)學(xué)家、沸石專家TobiasWeisenberger是該研究的主要合著者。
為巖石速降
盡管它們形成于各種地質(zhì)環(huán)境中，但沸石在產(chǎn)生玄武巖的火山環(huán)境中尤為常見。隨著火山噴發(fā)的熔巖隨著時(shí)間的推移堆積起來，埋藏的巖石會(huì)壓縮和變形。地下水與這些巖石相互作用形成沸石，沸石由鋁、氧和硅原子連接在一起形成三維籠狀結(jié)構(gòu)。“最初的火山熔巖結(jié)晶成原生礦物，”納爾遜說。“然后水下雨并滲入巖石，溶解它們并產(chǎn)生沸石和方解石等次生礦物。”
為了收集研究樣本，納爾遜訪問了冰島東部的Berufj?reur-Breiedalur地區(qū)，那里的冰川侵蝕在玄武巖中形成了深深的山谷和峽灣，揭示了埋藏的沸石。Nelson爬到峽灣的山頂，然后用繩索下降到河流峽谷，從不同高度收集樣本，代表不同的埋藏深度，從而代表變質(zhì)的溫度。
沉重的驚喜
為了分析這些樣品，納爾遜使用了雅各布森實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的最先進(jìn)的高精度方法來測量鈣同位素。Nelson和Jacobson對(duì)確定根據(jù)質(zhì)量分餾（或分離）鈣同位素的機(jī)制特別感興趣。“幾十年來，地球科學(xué)家一直使用沸石來了解玄武巖的熱液蝕變，但直到現(xiàn)在，鈣同位素研究人員都忽略了它們，”雅各布森說。“事實(shí)證明，這些礦物質(zhì)顯示出非常大的鈣同位素分餾，比任何人預(yù)測甚至認(rèn)為可能的都要大得多。”
西北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)沸石顯示出極端的鈣同位素變異性，幾乎比地球表面生產(chǎn)的所有其他材料都要多。幾十年來，地球科學(xué)家一直使用沸石來了解玄武巖的熱液蝕變，但直到現(xiàn)在，鈣同位素研究人員都忽略了它們。事實(shí)證明，這些礦物質(zhì)顯示出非常大的鈣同位素分餾，比任何人預(yù)測甚至認(rèn)為可能的都要大得多。”
經(jīng)過進(jìn)一步分析，納爾遜發(fā)現(xiàn)這種行為與沸石內(nèi)鈣和氧原子之間的鍵長直接相關(guān)。支持較長鍵的沸石會(huì)積聚較輕的鈣同位素，而鍵較短的沸石會(huì)積聚較重的鈣同位素。“基本上，較重的同位素更喜歡更強(qiáng)（或更短）的鍵，”納爾遜說。“在熱力學(xué)上，更強(qiáng)的鍵更有利于濃縮更重的同位素。較長的鍵在能量上更喜歡較輕的同位素。這樣的觀察是罕見的，并且告知了我們對(duì)鈣同位素一般行為的了解。”
潛力股
結(jié)果具有廣泛的意義，因?yàn)榉惺哂卸喾N工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。此外，了解鈣同位素分餾機(jī)制有助于為鈣同位素替代物的現(xiàn)有和新用途提供信息。由于同位素分餾可能與溫度有關(guān)，Jacobson和Nelson表示沸石可以開發(fā)成一種全新類型的地溫計(jì)，有可能在沸石形成的環(huán)境中重建古代溫度。“鍵長關(guān)系表明分餾是由熱力學(xué)而不是動(dòng)力學(xué)控制的，”納爾遜說。“熱力學(xué)或平衡控制分餾與溫度有關(guān)。因此，通過更多的研究，沸石的鈣同位素比率可用于量化過去的溫度。”新的認(rèn)識(shí)對(duì)于使用鈣同位素追蹤玄武巖風(fēng)化也具有重要意義，包括其在長期氣候調(diào)節(jié)中的作用以及在碳捕獲和儲(chǔ)存中的應(yīng)用。
這項(xiàng)名為“冰島沸石礦物的大鈣同位素分餾”的研究得到了國家科學(xué)基金會(huì)的支持（獎(jiǎng)勵(lì)編號(hào)EAR-1613359）。
