沸石可以被視為大自然的主力。這些超多孔礦物質充滿了微小的孔洞和通道，可以吸收環境污染物、過濾飲用水、管理核廢料，甚至吸收二氧化碳(CO2)。

現在，在同類研究中，西北大學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本，發現沸石以一種完全出乎意料的方式分離鈣同位素。

“鈣以具有不同質量的多種同位素的形式出現，”該論文的第一作者克萊爾·納爾遜(ClaireNelson)說。“大多數礦物質優先包含較輕的鈣同位素。我們發現，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，這是一個罕見而驚人的結果。”這一發現有助于量化現代和古代地質系統中的溫度，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）發表在《通信地球與環境》雜志上，該雜志是NaturePortfolio建立的新的開放獲取期刊。

“我們發現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。“它可能對地球科學和跨領域產生廣泛的影響，特別是考慮到沸石在工業、醫學和環境修復中有著無數的應用。”

雅各布森是西北大學溫伯格藝術與科學學院地球和行星科學教授。納爾遜最近獲得了她的博士學位。在雅各布森的實驗室工作，目前是哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的博士后研究科學家。冰島大學Breiedasvík研究中心的地質學家、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環境中，但沸石在產生玄武巖的火山環境中尤為常見。隨著火山噴發的熔巖隨著時間的推移堆積起來，埋藏的巖石會壓縮和變形。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構。“最初的火山熔巖結晶成原生礦物，”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，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驗室開發的最先進的高精度方法來測量鈣同位素。Nelson和Jacobson對確定根據質量分餾（或分離）鈣同位素的機制特別感興趣。“幾十年來，地球科學家一直使用沸石來了解玄武巖的熱液蝕變，但直到現在，鈣同位素研究人員都忽略了它們，”雅各布森說。“事實證明，這些礦物質顯示出非常大的鈣同位素分餾，比任何人預測甚至認為可能的都要大得多。”

西北大學的團隊發現沸石顯示出極端的鈣同位素變異性，幾乎比地球表面生產的所有其他材料都要多。幾十年來，地球科學家一直使用沸石來了解玄武巖的熱液蝕變，但直到現在，鈣同位素研究人員都忽略了它們。事實證明，這些礦物質顯示出非常大的鈣同位素分餾，比任何人預測甚至認為可能的都要大得多。”

經過進一步分析，納爾遜發現這種行為與沸石內鈣和氧原子之間的鍵長直接相關。支持較長鍵的沸石會積聚較輕的鈣同位素，而鍵較短的沸石會積聚較重的鈣同位素。“基本上，較重的同位素更喜歡更強（或更短）的鍵，”納爾遜說。“在熱力學上，更強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，并且告知了我們對鈣同位素一般行為的了解。”

潛力股

結果具有廣泛的意義，因為沸石具有多種工業和商業應用。此外，了解鈣同位素分餾機制有助于為鈣同位素替代物的現有和新用途提供信息。由于同位素分餾可能與溫度有關，Jacobson和Nelson表示沸石可以開發成一種全新類型的地溫計，有可能在沸石形成的環境中重建古代溫度。“鍵長關系表明分餾是由熱力學而不是動力學控制的，”納爾遜說。“熱力學或平衡控制分餾與溫度有關。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。”新的認識對于使用鈣同位素追蹤玄武巖風化也具有重要意義，包括其在長期氣候調節中的作用以及在碳捕獲和儲存中的應用。

這項名為“冰島沸石礦物的大鈣同位素分餾”的研究得到了國家科學基金會的支持（獎勵編號EAR-1613359）。