Untersuchungen verklumpter Isotope helfen, die Vergangenheit zu verstehen und der Gegenwart zu helfen

Mar 09, 2024

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Der Kohlendioxidgehalt in der Erdatmosphäre – und damit auch die Meerestemperaturen – steigt. Wie hoch und wie schnell die Meerestemperaturen ansteigen können, lässt sich aus Temperaturmessungen an alten Ozeanen lernen. Gleichzeitig ist die Energieexploration auch auf die Kenntnis der thermischen Geschichte von Öl- und Gasquellengesteinen angewiesen, die oft schwer zu bestimmen ist.

Eine der vielversprechendsten Techniken zur Messung alter Meerestemperaturen und der thermischen Geschichte von Becken beruht auf der gleichzeitigen Anreicherung von seltenem schwerem Sauerstoff und schwerem Kohlenstoff in der Kalziumkarbonatverbindung am Meeresboden. Diese als verklumpte Isotope bezeichnete Anreicherung wird üblicherweise anhand fossiler Muscheln und Kalksteine ​​gemessen, um die Temperaturen zum Zeitpunkt der Ablagerung von Sedimenten auf dem Meeresboden zu bestimmen.

Es gibt jedoch einen Haken: Die Temperaturen verklumpter Isotope können durch den Prozess der Versenkung von Sedimenten zurückgesetzt werden, was zu einem Anstieg dieser Sedimenttemperaturen führt, da sie die gleichen Bedingungen schaffen, die für die Umwandlung organischer Stoffe in Sedimentgesteinen in Öl verantwortlich sind.

Solche komplexen Probleme erfordern interdisziplinäre Ansätze – eine kollaborative Denkweise, die am Texas A&M University College of Arts and Sciences gedeiht, wo ein Team aus Geologen und Chemikern sich auf die Suche nach der atomaren Ebene gemacht hat, um die Temperaturen früherer Ozeane genauer zu messen.

Das Team unter der Leitung von Dr. Ethan Grossman in der Abteilung für Geologie und Geophysik und Dr. Sarbajit Banerjee in der Abteilung für Chemie nutzte kürzlich eine Kombination aus Supercomputing und Dichtefunktionaltheorie, um den Prozess zu modellieren, der für die Bildung und Neuordnung verklumpter Isotopenzusammensetzungen verantwortlich ist. ein Phänomen, das als Neuordnung bekannt ist.

„Wir konnten die Bewegung von Atomen anschaulich simulieren und den gesamten Prozess erfassen, der der Neuanordnung von Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen zugrunde liegt“, sagte Grossman, Inhaber des Michel T. Halbouty-Lehrstuhls und Co-Direktor der Stable Isotope Geosciences Facility bei Texas A&M . „Diese Modellierungstechnik, die üblicherweise zur Simulation des Verhaltens von Atomen in vielen Szenarien eingesetzt wird, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien und gehirnähnlicher Datenverarbeitung, wird zum ersten Mal verwendet, um die seltene Bewegung von Atomen in fossilen Muscheln und Kalksteingestein zu untersuchen.“

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Durch den Vergleich ihrer Ergebnisse mit zuvor veröffentlichten experimentellen Ergebnissen konnte das Team laut Grossman auch die fehlende Verbindung zwischen Experiment und Theorie herstellen und den katalytischen Übeltäter identifizieren, der für die Beschleunigung der Temperaturrückstellungen in diesen verklumpten Isotopen verantwortlich ist: Wasser.

„Wir haben zum ersten Mal theoretisch gezeigt, dass Wasser in der Kristallstruktur das Zurücksetzen der Temperaturen verklumpter Isotope beschleunigt, was daher Vorsicht bei der Verwendung dieses Ansatzes zur Rekonstruktion alter Temperaturaufzeichnungen erfordert“, fügte Grossman hinzu. „Dies unterstützt experimentelle Daten, denen bisher eine theoretische Untermauerung fehlte, und wird zu genaueren Rekonstruktionen vergangener Klimazonen führen, was wiederum ein Verständnis für zukünftige Klimaszenarien ermöglicht.“

Neben der Identifizierung der Rolle von Wasser als Beschleuniger bei der Neuordnung tragen die Studien des Teams laut Grossman auch dazu bei, andere rätselhafte Ergebnisse zu erklären – insbesondere die Veränderung der aus Fossilien stammenden Meerestemperaturen auf unglaublich hohe Werte um 150 Grad Celsius oder etwa 300 Grad Fahrenheit . Sie konnten solche Ausreißer anhand von Proben aus etwa 320 Millionen Jahre altem Meeressedimentgestein bestimmen, das in der Vergangenheit tief vergraben war und jetzt in New Mexico und im Ural in Russland freigelegt wurde.

„Offensichtlich lebten diese Organismen nicht in Wasser, das heißer als siedete“, erklärte er. „Dieser Befund verdeutlichte die Notwendigkeit, die Bestattungsgeschichte von Fossilien und die Geschwindigkeit der Neuordnung verklumpter Isotope zu verstehen.“

Die Ergebnisse des Teams, die Anfang des Sommers in Science Advances veröffentlicht wurden, stellen einen entscheidenden ersten Schritt bei der Entwicklung einer einheitlichen Theorie für die Kinetik der Neuordnung verklumpter Isotope in Karbonatmineralien dar, die laut Grossman den Weg für genauere Bestimmungen der alten Ozeantemperaturen und der Thermik ebnen wird Geschichte der Erdölbecken. Indem sie veranschaulichen, wie Aktivierungsenergiebarrieren und Neuordnungsraten durch Kristalldefekte, Ionensubstitution und eingelagertes Wasser verändert werden, hoffen sie, zu genaueren Rekonstruktionen vergangener Klimazonen und einem klareren Verständnis zukünftiger Klimaszenarien beizutragen und gleichzeitig einen Mechanismus zur Rekonstruktion der thermischen Geschichte bereitzustellen von Sedimentbecken, die für die Öl- und Gasförderung unerlässlich sind.

„Diese Studie wird eine genauere Rekonstruktion vergangener Klimazonen ermöglichen, indem sie die Tiefen der Sedimentverlagerung besser versteht, jenseits derer die Temperaturen verklumpter Isotope aus fossilen Schalen unzuverlässig sind“, sagte Grossman. „Darüber hinaus zeigt es den Wert der Zusammenarbeit zwischen Abteilungen und Bereichen, die traditionell nicht zusammengearbeitet haben, um grundlegend neues Wissen zu erschließen.“

Neben Grossman und Banerjee waren in der Arbeit des Teams drei Haupt-Co-Autoren vertreten: 2021 Texas A&M Chemical Engineering Ph.D. Absolvent Dr. Saul Perez-Beltran '20, der derzeit Postdoktorand an der Texas A&M Engineering Experiment Station ist; 2023 Texas A&M Ph.D. in Materialien und analytischer Chemie. Absolvent Dr. Wasif Zaheer '19, jetzt leitender Forschungsspezialist bei Dow; und aktueller Texas A&M-Geologiekandidat Zeyang Sun '19. An der Arbeit war auch Dr. William F. Defliese von der University of Queensland beteiligt, der von 2017 bis 2019 Berg-Hughes-Postdoktorand bei Texas A&M war.

Der Artikel des Teams mit dem Titel „Density Functional Theory and Ab-Initio Molecular Dynamics Reveal Atomistic Mechanisms for Carbonate Clumped Isotope Reordering“ kann online zusammen mit den dazugehörigen Zahlen und Danksagungen eingesehen werden. Ihre Forschung wurde von der National Science Foundation (Grant-Nr. EAR-19115647) finanziert, mit zusätzlicher Unterstützung von der Welch Foundation (Grant-Nr. A-A1978-20220331), dem Michel T. Halbouty Chair in Geology und der Chancellor's Research Initiative for Massenspektrometrie, gegründet 2016.

„Wir haben viele unbeantwortete Fragen“, sagte Grossman. „Wie variiert diese Neuordnungsrate zunächst einmal mit der Wassermenge in der Kristallstruktur? Wie unterscheidet es sich bei verschiedenen Mineralien? Können wir Protokolle entwickeln, um das fossile und mineralische Material zu identifizieren, das einer Neuordnung am resistentesten ist? Können wir eine Kalibrierungsskala definieren, um Fehler in jedem Mineral zu korrigieren? Und schließlich: Können wir diese Informationen nutzen, um einen neuen und innovativen Ansatz zur Rekonstruktion der thermischen Geschichte von Becken und zur Verfeinerung der Öl- und Gasexploration zu entwickeln? Zusammenfassend sind wir gespannt auf unsere nächsten Schritte.“

Referenz: Perez-Beltran S, Zaheer W, Sun Z, Defliese WF, Banerjee S, Grossman EL. Dichtefunktionaltheorie und Ab-initio-Molekulardynamik offenbaren atomistische Mechanismen für die Neuordnung von Carbonat-verklumpten Isotopen. Sci Adv. 2023;9(26):eadf1701. doi:10.1126/sciadv.adf1701

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