黄铁矿（左）和部分氧化黄铁矿的扫描电镜照片。
黄铁矿（又称“愚人金”）是一种常见的矿物。当它暴露在水或空气中时，会与氧气迅速反应，并可能诱发矿井酸性排水。然而，对于地下深处未开采的黄铁矿氧化情况，人类还了解甚少。
据phys.org网站近日报道，研究人员利用一种多尺度新方法对地下黄铁矿氧化情况进行了深入研究。结果表明，地表的破裂和侵蚀情况决定了黄铁矿的氧化速度。而当氧化反应缓慢发生时，酸化得到了控制，因而留下了氧化铁“化石”。
“黄铁矿氧化是典型的地质问题，但我们对发生在深部岩层中的黄铁矿氧化速率了解并不多。”美国宾夕法尼亚州立大学地球和环境系统研究所（EESI）助理研究教授Xin Gu说，“当黄铁矿与氧气反应时，会释放硫酸，进而导致矿井酸性排水，这是严重的全球环境问题。”
当黄铁矿暴露在空气中时（如矿井），短短数年就会完全氧化。矿物上也很容易滋生微生物，而微生物对氧化反应有加速作用。氧化过程迅速发展，使硫酸快速积累。
然而，如果未被开采的黄铁矿深埋在地下，地质过程会使氧化反应减缓数万年，并阻止酸的积累。
从地下84英尺处采集的矿石样品。
研究人员在萨斯奎哈纳页岩山临界带观测站（CZO）对黄铁矿的氧化情况进行了研究。他们将能够拍摄高分辨率图像的地球物理测井工具投入井中，在100英尺深的地方采集样本，检查了页岩基岩和黄铁矿情况。
经过分析，研究小组发现页岩的侵蚀速率控制了深层黄铁矿的氧化速率。地表以下几十英尺处形成的微观裂缝太小，微生物无法进入。而在类似宾夕法尼亚这样经过数千年侵蚀的地区，溶解在水中的氧气会渗透到裂缝中，只有少量能够参与反应，但却有充足的时间催化反应。在这种情况下，黄铁矿假晶虽然在结构上保持了树莓状形态，但其化学成分已经从硫化铁转变成了氧化铁。
为了更深入地研究黄铁矿问题，研究人员开发了一个模型来计算页岩山和全球范围内的黄铁矿氧化速率。该模型可以帮助科学家更好地了解地球在发生大氧化事件之前（24亿年前）的样貌——大氧化事件促进了更复杂生物体的生长和进化。
EESI主任Susan Brantley说：“Gu所做的工作太了不起了。黄铁矿在地表下30英尺或更深的地方氧化形成晶体，这些晶体是原始黄铁矿晶粒的完美复刻。此外，通过深入研究黄铁矿，我们也明白了：在大气中氧气浓度较低的地球早期，黄铁矿为何能够存于地表。”
原创编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：https://phys.org/news/2020-10-landscape-atomic-scales-approach-pyrite.html
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