Mobility of lead (Pb) isotopes during weathering of black shales in central Hunan (China): Implications on Pb isotopes used as an environmental tracer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मध्य हुनान के अपक्षयित ब्लैक शेल्स (black shales) में लेड आइसोटोप्स, अनरेडियोजेनिक पाइराइट और रेडियोजेनिक सहायक खनिजों के दो-एंडमेंबर मिश्रण से प्राप्त हुए हैं, जो अपक्षय कैचमेंट्स (weathering catchments) में प्राकृतिक से मानवजनित लेड संदूषण के बीच अंतर करने के लिए प्रभावी ट्रेसर के रूप में उनकी उपयोगिता की पुष्टि करते हैं।
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हमारे पैरों के नीचे की ज़मीन शायद ही कभी स्थिर होती है। भले ही एक पहाड़ ठोस और अचल दिखाई दे, वह धीरे-धीरे बदल रहा होता है, बारिश, हवा और गर्मी के कारण टूट रहा होता है। यह धीमी टूट-फूट, जिसे अपक्षय (weathering) कहा जाता है, एक मौलिक प्रक्रिया है जो हमारे परिदृश्यों को आकार देती है और उस मिट्टी का पोषण करती है जिससे हमारा भोजन उगता है। लेकिन जैसे-जैसे चट्टानें टूटती हैं, वे अपने भीतर फंसे तत्वों को भी मुक्त करती हैं, जिनमें लेड (सीसा) जैसे भारी धातु शामिल हैं। दशकों से, वैज्ञानिक लेड परमाणुओं के अद्वितीय "फिंगरप्रिंट" का उपयोग यह पता लगाने के लिए करते आए हैं कि प्रदूषण कहाँ से आता है, जिससे उस लेड के बीच अंतर किया जा सके जो मनुष्यों ने पर्यावरण में डाला है और वह लेड जो प्राकृतिक रूप से हमेशा से वहाँ मौजूद था। हालाँकि, यह विधि एक महत्वपूर्ण धारणा पर निर्भर करती है: कि चट्टान के अपक्षय होने के दौरान प्राकृतिक लेड अपनी जगह पर बना रहता है। यदि प्राकृतिक लेड इधर-उधर घूमता है या चट्टान के टूटने के साथ अपना सिग्नेचर बदल देता है, तो यह बताना बहुत कठिन हो जाता है कि मिट्टी का नमूना स्वच्छ है या दूषित। इसलिए, पर्यावरणीय स्वास्थ्य की सटीक निगरानी के लिए लेड के इस प्राकृतिक अपघटन के दौरान व्यवहार को समझना आवश्यक है।
मध्य हुनान, चीन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'ब्लैक शेल' नामक एक विशिष्ट प्रकार की चट्टान का अध्ययन करके इस धारणा का परीक्षण करने का निर्णय लिया। ये चट्टानें अपने जैविक पदार्थ और सल्फाइड खनिजों की प्रचुरता के लिए प्रसिद्ध हैं, और इनमें अक्सर लेड और अन्य धातुओं की उच्च सांद्रता होती है। वैज्ञानिकों ने डोंगपिंग शहर में एक सड़क कट (road cut) पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ पाँच साल पुराने उत्खनन ने पृथ्वी के एक ऊर्ध्डे तिरछे हिस्से को उजागर कर दिया था। इस कट ने अपक्षय की प्रक्रिया का एक आदर्श क्रॉस-सेक्शन दिखाया, जो नीचे से ऊपर की ओर एक क्रम प्रदर्शित करता था: ताज़ा, अपक्षय रहित काली चट्टान; आंशिक रूप से टूटी हुई चट्टान; पूरी तरह से अपक्षयित चट्टान; और अंत में, उसके ऊपर स्थित मिट्टी। इस प्रोफाइल की प्रत्येक परत के साथ-साथ, उस स्थल से निकलने वाले अम्लीय पानी के नमूने एकत्र करके, शोधकर्ता यह देख सके कि चट्टान के मिट्टी में बदलने के दौरान लेड कैसे बदलता है।
टीम ने चट्टानों के बुनियादी रसायन विज्ञान को देखकर शुरुआत की। उन्होंने पाया कि कट के नीचे की ताज़ा ब्लैक शेल की संरचना उत्तरी अमेरिका में पाई जाने वाली औसत शेल के समान थी। जैसे-जैसे वे सतह की ओर प्रोफाइल में ऊपर बढ़े, चट्टानों में रासायनिक परिवर्तन के स्पष्ट संकेत मिले। पानी द्वारा आसानी से बह जाने वाले तत्व, जैसे कैल्शियम, सोडम और मैग्नीशियम की सांद्रता कम हो गई, जबकि एल्युमीनियम की सापेक्ष मात्रा बढ़ गई। इस बदलाव ने पुष्टि की कि चट्टानें वास्तव में अपक्षयित हो रही थीं, जिसमें ऊपरी भाग सबसे अधिक परिवर्तित था। जब उन्होंने भारी धातुओं को मापा, तो उन्हें एक जटिल कहानी मिली। कुछ धातुएं, जैसे यूरेनियम और मोलिब्डेनम, अपक्षयित परतों में अधिक सांद्रित हो गईं, जबकि लेड, कैडमियम और निकल सहित अन्य धातुएं, चट्टान के टूटने के दौरान वास्तव में नष्ट हो गईं। स्थल से निकलने वाला अम्लीय पानी इन खोई हुई धातुओं से समृद्ध था, जो यह सिद्ध करता था कि अपक्षय की प्रक्रिया सक्रिय रूप से उन्हें ज़मीन से बाहर निकाल रही थी।
हालाँकि, सबसे महत्वपूर्ण खोज स्वयं लेड के बारे में थी। नीचे की ताज़ा, अपक्षय रहित चट्टान में, लेड का रासायनिक सिग्नेचर अत्यधिक परिवर्तनशील था। कुछ लेड पाइराइट नामक खनिज के सूक्ष्म कणों से आया था, जिसका एक बहुत ही विशिष्ट, "अनरेडियोजेनिक" (unradiogenic) सिग्नेचर था, जिसका अर्थ है कि यह भूवैज्ञानिक समय के दौरान बहुत अधिक नहीं बदला था। अन्य लेड अलग-अलग खनिजों और कार्बनिक पदार्थों से आया था, जो एक "रेडियोजेनिक" (radiogenic) सिग्नेचर लेकर चलता था जो लाखों वर्षों से विकसित हुआ था। लेकिन जैसे-जैसे चट्टान का अपक्षय हुआ और वह मिट्टी में बदल गई, यह विविधता गायब हो गई। अपक्षयित चट्टानों और उसके ऊपर की मिट्टी में लेड उल्लेखनीय रूप से एकसमान हो गया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि अपक्षय प्रक्रिया ने दोनों प्रकार के लेड को—पाइराइट से अनरेडियोजेनिक प्रकार और अन्य खनिजों से रेडियोजेनिक प्रकार को—वरीयता के साथ आसपास के पानी और मिट्टी में छोड़ दिया था। जो ठोस चट्टान में बचा था, वह एक ऐसा मिश्रण था जिसने अपनी मूल विविधता को खो दिया था, और एक सुसंगत, औसत सिग्नेचर में स्थिर हो गया था।
इस निष्कर्ष के प्रदूषण को ट्रैक करने के लिए लेड के उपयोग के संबंध में महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। अध्ययन बताता है कि अपक्षयित परिदृश्यों में प्राकृतिक लेड विभिन्न स्रोतों का एक अराजक मिश्रण नहीं है, बल्कि एक स्थिर, सजातीय पृष्ठभूमि है। क्योंकि अपक्षय प्रक्रिया मूल चट्टानों के बीच के अंतर को समाप्त कर देती है, परिणामस्वरूप मिट्टी का एक अनुमानित लेड सिग्नेचर होता है। यह वैज्ञानिकों को एक विश्वसनीय आधार प्रदान करता है। यदि उन्हें किसी अपक्षयित क्षेत्र में ऐसा मिट्टी या अवसाद मिलता है जिसका लेड सिग्नेचर इस स्थानीय, प्राकृतिक औसत से भिन्न है, तो यह मानव गतिविधि द्वारा नया लेड पेश किए जाने का एक मजबूत संकेत है। यह शोध पुष्टि करता है कि जबकि चट्टान टूट रही है और लेड खो रही है, मिट्टी में बचा हुआ लेड एक सुसंगत फिंगरप्रिंट बनाता है। यह पर्यावरणीय वैज्ञानिकों को प्राकृतिक भूवैज्ञानिक स्रोतों और मानव-निर्मित संदूषण के बीच स्पष्ट रूप से अंतर करने की अनुमति देता है, यहाँ तक कि उन क्षेत्रों में भी जहाँ ज़मीन सक्रिय रूप से बदल रही है।
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