A review of “pyrite disease” for paleontologists, with potential focused interventions
Plain Language Abstract
Pyrite in museum collections can oxidize and hydrate, leading to the destruction of the specimen. The process of oxidation and hydration (“pyrite disease”) has been studied by many branches of the physical sciences, but the data have never been assembled for the benefit of paleontologists or curation staff. The efflorescent minerals that grow on pyrite are a suite of water-bearing iron-bearing sulfate minerals of varying stability that absorb a film of water and eventually produce acid. Oxygen, water, and ferric iron (Fe3+) contribute electrons in the oxidation process. Electrons also travel on and through the pyrite to the reaction sites. Current interventions have varying degrees of success and rely on assumptions that are either false or scientifically untested. Review of the atomic scale chemical process gives insight to the points at which interventions are possible, based on the reactions taking place, and highlights gaps in our understanding of the process. At the heart of the interventions is identification of all the minerals present and small-scale testing of the procedures for each differing specimen prior to full-scale treatment. Treatments such as dehydration, heating, surface passivation, and anoxic storage, are all examined.
Resumen en Español
Una revisión de la "enfermedad de la pirita" para paleontólogos, con posibles adaptaciones intervencionales.
Una revisión de la literatura de las reacciones químicas involucradas en la oxidación / hidratación de la pirita (“enfermedad de la pirita”) en colecciones geológicas o fósiles apunta hacia una serie de adaptaciones en intervenciones. Las reacciones en la superficie de la pirita se encuentran en el centro del proceso químico, acompañadas por el movimiento de electrones sobre y a través del semiconductor de pirita. El control de estos electrones en última instancia puede ser inútil, pero el examen de las reacciones a nivel atómico conduce a nuevas posibilidades de tratamiento e identifica por qué algunos tratamientos son ineficaces. En esta revisión también se ha identificado lagunas en nuestra comprensión de las reacciones de oxidación e hidratación.
Los biomateriales fósiles, huesos o conchas, a menudo contienen o son reemplazados parcialmente por pirita. La acidez producida por la descomposición de la pirita destruye estos materiales. Los tratamientos más antiguos se centran en la neutralización de ácidos y el control de la humedad como soluciones para problemas megascópicos. Las intervenciones focalizadas apuntan a pasos específicos en las reacciones químicas a escala atómica. Las intervenciones se planifican mediante la identificación de todos los minerales que participan en el proceso y la caracterización precisa del hueso, la pirita y la matriz sedimentaria. Los minerales óseos y la pirita son estructural y químicamente heterogéneos, por lo que cada intervención requiere pruebas de laboratorio, complementadas con mediciones analíticas. Pasivar químicamente la superficie de pirita sin reaccionar muestra los resultados más prometedores.
La anticipación de la susceptibilidad a la descomposición de un nuevo espécimen es clave. La descomposición puede acelerarse utilizando técnicas de amortiguación de humedad con soluciones salinas saturadas. Se puede medir la conductividad de la pirita (que varía en cuatro órdenes de magnitud). Una base de datos de conductividad de pirita es muy aconsejable.
Palabras clave: pirita; oxidación; humedad; colecciones; tratamiento; fósiles
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Résumé en Français
In progress
Translator: Antoine Souron
Deutsche Zusammenfassung
Ein Überblick für Paläontologen über die “Pyritkrankheit” mit möglichen gezielten Maßnahmen
Ein Literaturüberblick über die chemischen Reaktionen bei der Oxidation/Hydratation von Pyrit ("Pyritkrankheit") in Geologie- oder Fossilsammlungen gibt die Richtung für eine Reihe von zielgerichteten Maßnahmen vor. Reaktionen an der Pyritoberfläche sind das Herzstück des chemischen Prozesses, begleitet von der Bewegung von Elektronen auf und durch den Pyrit-Halbleiter. Die Kontrolle dieser Elektronen mag letztlich vergeblich sein, aber die Untersuchung der Reaktionen auf atomarer Ebene führt zu neuen Behandlungsmöglichkeiten und zeigt, warum einige Behandlungen unwirksam sind. Diese Übersicht zeigt auch Lücken in unserem Verständnis der Oxidations- und Hydratationsreaktionen auf.
Fossile Biomaterialien - Knochen oder Schalen - enthalten oft Pyrit oder sind teilweise durch Pyrit ersetzt. Die durch Pyritzerfall entstehende Säure zerstört diese Materialien. Ältere Behandlungen konzentrieren sich auf Säureneutralisierung und Feuchtigkeitskontrolle als Lösungen für megaskopische Probleme. Gezielte Maßnahmen zielen auf spezifische Schritte in den chemischen Reaktionen auf atomarer Ebene ab. Die Maßnahmen werden danach ausgewählt, welche Mineralien am Prozess beteiligt sind und wie die Knochen-, Pyrit- und Sedimentmatrix charakterisiert ist. Knochenmineralien und Pyrit sind strukturell und chemisch heterogen, so dass für jede Maßnahme Prüfstandstests erforderlich sind, die durch analytische Messungen ergänzt werden. Die chemische Passivierung der Pyritoberfläche im Ausgangszustand ist am vielversprechendsten.
Die Antizipation der Zerfallsanfälligkeit eines neuen Exemplars ist entscheidend. Der Zerfall kann durch Feuchtigkeitspufferung mit gesättigten Salzlösungen beschleunigt werden. Die Leitfähigkeit von Pyrit (die über vier Größenordnungen variiert) kann gemessen werden. Eine Datenbank über die Leitfähigkeit von Pyrit ist äußerst wünschenswert.
Schlüsselwörter: Pyrit; Oxidation; Luftfeuchtigkeit; Sammlungen; Behandlung; Fossilien
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Przegląd „choroby pirytu” dla paleontologów, z potencjalnymi ukierunkowanymi interwencjami
Przegląd literatury na temat reakcji chemicznych zachodzących w utlenianiu/uwadnianiu pirytu („choroba pirytu”) w zbiorach geologicznych lub kopalnych nadaje kierunek zestawowi ukierunkowanych interwencji. Reakcje na powierzchni pirytu leżą u podstaw procesu chemicznego, któremu towarzyszy ruch elektronów na i przez półprzewodnik pirytowy. Kontrola tych elektronów może ostatecznie okazać się daremna, ale badanie reakcji na poziomie atomowym prowadzi do nowych możliwości leczenia i wskazuje, dlaczego niektóre terapie są nieskuteczne. W tym przeglądzie wskazano również luki w naszym zrozumieniu reakcji utleniania i hydratacji.
Biomateriały kopalne - kości lub muszle - często zawierają piryt lub są przez niego częściowo zastępowane. Kwasowość wytwarzana przez rozpad pirytu niszczy te materiały. Starsze sposoby rekonstrukcji koncentrują się na neutralizacji kwasów i kontroli wilgotności, jako rozwiązaniach dla problemów megaskopowych. Skoncentrowane interwencje dotyczą określonych etapów reakcji chemicznych w skali atomowej. Podstawą interwencji jest identyfikacja wszystkich minerałów biorących udział w procesie oraz dokładna charakterystyka kości, pirytu i macierzy osadowej. Minerały kostne i piryt są strukturalnie i chemicznie niejednorodne, więc każda interwencja wymaga testów laboratoryjnych, uzupełnionych pomiarami analitycznymi. Najbardziej obiecująca jest chemiczna pasywacja nieprzereagowanej powierzchni pirytu.
Kluczowe jest przewidywanie podatności nowego okazu na degradację. Rozpad można przyspieszyć stosując techniki buforowania wilgoci nasyconymi roztworami soli. Można zmierzyć przewodnictwo pirytu (zmienia się ono o cztery rzędy wielkości). Bardzo ważna by była baza danych przewodnictwa pirytu.
Słowa kluczowe: piryt; utlenianie; wilgotność; kolekcje; kuracja; skamieniałości
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Обзор “пиритовой болезни” для палеонтологов с потенциальными целенаправленными вмешательствами
Статья представляет собой обзор литературы о химических реакциях, участвующих в окислении/гидратации пирита (“пиритовой болезни”) в образцах из геологических и палеонтологических коллекций, что дает направление для целого ряда целенаправленных вмешательств. Реакции на поверхности пирита лежат в основе химического процесса, сопровождаемого движением электронов по полупроводнику пирита и сквозь него. Контроль этих электронов в конечном итоге может быть бесполезным, но изучение реакций на атомном уровне открывает новые возможности для обработки образцов и позволяет понять, почему некоторые методы работы с такими образцами неэффективны. Также выявлены пробелы в нашем понимании реакций окисления и гидратации.
Ископаемые биоматериалы – кости или раковины – часто содержат пирит или частично замещены им. Кислотность, вызванная распадом пирита, разрушает эти материалы. Старые методы обработки сосредоточены на нейтрализации кислоты и контроле влажности как на решении проблемы. Целенаправленные вмешательства нацелены на конкретные этапы химических реакций на атомном уровне. Вмешательства основываются на идентификации всех минералов, участвующих в процессе, и на точных характеристиках кости, пирита и осадочного матрикса. Костные минералы и пирит структурно и химически неоднородны, поэтому каждое вмешательство требует стендовых испытаний, дополненных аналитическими измерениями. Наиболее перспективным является химическое пассивирование поверхности непрореагировавшего пирита.
Ключевым моментом является предвидение подверженности нового образца разрушению, которым можно управлять, используя методы буферизации влажности с помощью насыщенных солевых растворов. Существует возможность измерения электропроводности пирита (изменяющейся более чем на четыре порядка). База данных по проводимости пирита очень желательна.
Ключевые слова: пирит; окисление; влажность; коллекции; обработка; окаменелости
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Ukrainian
Огляд “пірітової хвороби” для палеонтологів із потенційними цілеспрямованими втручаннями
Стаття являє собою огляд літератури про хімічні реакції, що беруть участь в окисленні/гідратації піриту (“пірітовій хворобі”) у зразках із геологічних і палеонтологічних колекцій, що дає напрям для цілої низки цілеспрямованих втручань. Реакції на поверхні піриту лежать в основі хімічного процесу, супроводжуваного рухом електронів по напівпровіднику піриту і крізь нього. Контроль цих електронів може бути марним, проте вивчення реакцій на атомному рівні відкриває нові можливості для обробки зразків і дозволяє зрозуміти, чому деякі методи роботи з такими зразками є неефективними. Також виявлені прогалини в розумінні реакцій окислення і гідратації.
Викопні біоматеріали – кістки або раковини – часто містять пірит або частково заміщені ним. Кислотність, викликана розпадом піриту, руйнує ці матеріали. Старі методи обробки зосереджені на нейтралізації кислоти і контролі вологості як на вирішенні проблеми. Цілеспрямовані втручання націлені на конкретні етапи хімічних реакцій на атомному рівні. Втручання грунтуються на ідентифікації всіх мінералів, що беруть участь в процесі, і на точних характеристиках кістки, піриту і осадового матриксу. Кісткові мінерали і пірит структурно і хімічно неоднорідні, тому кожне втручання вимагає стендових випробувань, доповнених аналітичними вимірами. Найбільш перспективним є хімічне пасивування поверхні піриту, що не прореагував.
Ключовим моментом є передбачення схильності нового зразка до руйнування, яким можна керувати, використовуючи методи буферизації вологості за допомогою насичених сольових розчинів. Існує можливість вимірювання електропровідності піриту (що змінюється більш ніж на чотири порядки). База даних по провідності піриту бажана.
Ключові слова: пірит; окислення; вологість; колекції; обробка; скам’янілості
Translator: Oleksandr Kovalchuk
