Mobility of lead (Pb) isotopes during weathering of black shales in central Hunan (China): Implications on Pb isotopes used as an environmental tracer
Diese Studie zeigt, dass die Bleiisotope in verwitterten schwarzen Schiefergesteinen aus dem zentralen Hunan aus einer Zwei-Endmember-Mischung aus unradiogenem Pyrit und radiogenen Akzessorischen Mineralien stammen, was deren Nutzen als effektive Tracer zur Unterscheidung zwischen natürlicher und anthropogener Bleikontamination in Verwitterungseinzugsgebieten bestätigt.
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Der Boden unter unseren Füßen ist selten statisch. Selbst wenn ein Berg massiv und unbeweglich erscheint, verändert er sich langsam, indem er durch Regen, Wind und Hitze zersetzt wird. Dieser langsame Zerfall, bekannt als Verwitterung, ist ein grundlegender Prozess, der unsere Landschaften formt und den Boden nährt, der unsere Nahrung wachsen lässt. Doch während Gestein zerbröckelt, setzt es auch die darin eingeschlossenen Elemente frei, einschließlich Schwermetallen wie Blei. Seit Jahrzehnten nutzen Wissenschaftler den einzigartigen „Fingerabdruck“ von Bleiatomen, um zurückzuverfolgen, woher eine Verschmutzung stammt, wobei sie zwischen Blei, das Menschen in die Umwelt gebracht haben, und Blei, das schon immer natürlich vorhanden war, unterscheiden. Dieses Verfahren beruht jedoch auf einer entscheidenden Annahme: dass das natürliche Blei in den Gesteinen an seinem Platz bleibt, während das Gestein verwittert. Wenn sich das natürliche Blei bewegt oder seine Signatur verändert, während das Gestein zerfällt, wird es viel schwieriger zu bestimmen, ob eine Bodenprobe sauber oder kontaminiert ist. Das Verständnis darüber, wie Blei während dieses natürlichen Abbaus reagiert, ist daher essenziell für die genaue Überwachung der Umweltgesundheit.
Im zentralen Hunan, China, beschloss ein Forscherteam, diese Annahme zu testen, indem es eine spezifische Art von Gestein untersuchte, die als schwarzer Schiefer bezeichnet wird. Diese Gesteine sind dafür bekannt, reich an organischem Material und Sulfidmineralien zu sein, und enthalten oft hohe Konzentrationen an Blei und anderen Metallen. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf einen Einschnitt in einer Straße in der Stadt Dongping, wo eine fünfjährige Ausgrabung einen vertikalen Querschnitt durch die Erde freigelegt hatte. Dieser Einschnitt offenbarte einen perfekten Querschnitt der Verwitterung in Aktion und zeigte eine Sequenz von unten nach oben: frischen, unverwitterten schwarzen Schiefer; teilweise abgebautes Gestein; voll verwittertes Gestein; und schließlich den Boden, der obenauf liegt. Durch die Entnahme von Proben aus jeder Schicht dieses Profils sowie aus dem sauren Wasser, das von der Stelle abfloss, konnten die Forscher beobachten, wie sich das Blei veränderte, während das Gestein zu Boden wurde.
Das Team begann mit der Untersuchung der grundlegenden Chemie der Gesteine. Sie fanden heraus, dass die frische schwarze Schieferformation am Boden des Einschnitts eine Zusammensetzung aufwies, die der durchschnittlichen Schiefervorkommen in Nordamerika ähnelt. Während sie sich im Profil in Richtung der Oberfläche bewegten, zeigten die Gesteine deutliche Anzeichen chemischer Veränderungen. Elemente, die leicht durch Wasser ausgewaschen werden, wie Kalzium, Natrium und Magnesium, nahmen in ihrer Konzentration ab, während der relative Anteil an Aluminium zunahm. Diese Verschiebung bestätigte, dass die Gesteine tatsächlich verwitterten, wobei das Material an der Spitze am stärksten verändert war. Als sie die Schwermetalle maßen, fanden sie eine komplexe Geschichte. Einige Metalle, wie Uran und Molybdän, wurden in den verwitterten Schichten konzentrierter, während andere, einschließlich Blei, Cadmium und Nickel, dem Gestein während seines Abbaus tatsächlich entzogen wurden. Das saure Wasser, das von der Stelle abfloss, war reich an diesen verloren gegangenen Metallen, was bewies, dass der Verwitterungsprozess diese aktiv aus dem Boden ausschwemmte.
Die bedeutendste Entdeckung betraf jedoch das Blei selbst. Im frischen, unverwitterten Gestein am Boden des Einschnitts wies das Blei eine hochgradig variable chemische Signatur auf. Ein Teil des Bleis stammte aus winzigen Körnern eines Minerals namens Pyrit, das eine sehr spezifische, „unradiogene“ Signatur besaß, was bedeutet, dass es sich über geologische Zeiträume hinweg kaum verändert hatte. Ein anderes Blei stammte aus anderen Mineralien und organischer Substanz und trug eine „radiogene“ Signatur, die sich über Millionen von Jahren entwickelt hatte. Doch während das Gestein verwitterte und zu Boden wurde, verschwand diese Vielfalt. Das Blei in den verwitterten Gesteinen und dem darüber liegenden Boden wurde bemerkenswert einheitlich. Die Forscher berechneten, dass der Verwitterungsprozess beide Arten von Blei – das unradiogene aus dem Pyrit und das radiogene aus den anderen Mineralien – bevorzugt in das umgebende Wasser und den Boden freigesetzt hatte. Was im festen Gestein zurückblieb, war eine Mischung, die ihre ursprüngliche Vielfalt verloren hatte und sich auf eine konsistente, durchschnittliche Signatur einpendelte.
Dieser Befund hat wichtige Auswirkungen darauf, wie wir Blei zur Verfolgung von Verschmutzungen nutzen. Die Studie legt nahe, dass das natürliche Blei in verwitterten Landschaften keine chaotische Mischung verschiedener Quellen ist, sondern ein stabiler, homogener Hintergrund. Da der Verwitterungsprozess die Unterschiede zwischen den ursprünglichen Gesteinstypen glättet, weist der resultierende Boden eine vorhersehbare Bleisignatur auf. Dies bietet Wissenschaftlern eine zuverlässige Basislinie. Wenn sie Boden oder Sediment in einem verwitterten Gebiet finden, das eine Bleisignatur aufweist, die von diesem lokalen, natürlichen Durchschnitt abweicht, ist dies ein starkes Indiz dafür, dass menschliche Aktivitäten neues Blei eingebracht haben. Die Forschung bestätigt, dass, während das Gestein zerfällt und Blei verliert, das verbleibende Blei im Boden einen konsistenten Fingerabdruck bildet. Dies ermöglicht es Umweltwissenschaftlern, klar zwischen natürlichen geologischen Quellen und menschengemachter Kontamination zu unterscheiden, selbst in Gebieten, in denen sich der Boden aktiv verändert.
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