Химики и геологи объединяют усилия, чтобы измерить температуру древнего океана до атомного уровня

Уровни углекислого газа в атмосфере Земли — и, следовательно, температура океана — растут. Насколько высоко и как быстро может повышаться температура океана, можно узнать из измерений температуры древних океанов. В то же время разведка энергетических ресурсов также опирается на знание термической истории нефтематеринских пород, которую зачастую трудно определить.

Один из наиболее многообещающих методов измерения температуры древнего океана и термической истории бассейна основан на совместном обогащении редкого тяжелого кислорода и тяжелого углерода в соединении карбоната кальция, обнаруженном на дне океана. Это обогащение, называемое слипшимися изотопами, обычно измеряется с использованием ископаемых ракушек и известняков для определения температуры в то время, когда осадки откладывались на морском дне.

Однако есть одна загвоздка: температура слипшихся изотопов может сбрасываться в результате самого процесса захоронения отложений, вызывая повышение температуры этих отложений, поскольку они создают те же условия, которые отвечают за преобразование органического вещества в осадочных породах в нефть.

Такие сложные проблемы требуют междисциплинарных подходов — коллективного мышления, которое процветает в Колледже искусств и наук Техасского университета A&M, где команда геологов и химиков предприняла исследование на атомном уровне, чтобы более точно измерить температуру древнего океана.

Команда, возглавляемая доктором Итаном Гроссманом с факультета геологии и геофизики и доктором Сарбаджитом Банерджи с факультета химии, недавно использовала комбинацию суперкомпьютеров и теории функционала плотности для моделирования процесса, ответственного за установление и сброс состава слипшихся изотопов. явление, известное как переупорядочение.

«Нам удалось наглядно смоделировать движение атомов и уловить весь процесс, лежащий в основе перестройки углерод-кислородных связей», — сказал Гроссман, председатель кафедры Мишеля Т. Халбути и содиректор Центра геонаучных исследований стабильных изотопов в Техасском университете A&M. . «Этот метод моделирования, обычно применяемый для моделирования поведения атомов во многих сценариях, включая литий-ионные батареи и компьютерные вычисления, подобные мозгу, впервые используется для изучения редкого движения атомов в ископаемых панцирях и известняковых породах».

Сравнивая свои результаты с ранее опубликованными экспериментальными результатами, Гроссман говорит, что команда также смогла найти недостающее звено между экспериментами и теорией и определить каталитического виновника, ответственного за ускорение сброса температуры в этих слипшихся изотопах: воду.

«Мы теоретически впервые продемонстрировали, что вода в кристаллической структуре ускоряет восстановление температур слипшихся изотопов, что, таким образом, требует осторожности в отношении того, как этот подход используется для восстановления древних температурных рекордов», — добавил Гроссман. «Это подтверждает экспериментальные данные, которым ранее не хватало теоретической основы, и приведет к более точной реконструкции климата прошлого, что, в свою очередь, обеспечит понимание будущих климатических сценариев».

По словам Гроссмана, помимо определения роли воды в качестве ускорителя переупорядочения, исследования группы помогают объяснить и другие загадочные результаты, в частности, изменение температуры океана, полученной из ископаемых, до невероятно высоких значений, колеблющихся около 150 градусов по Цельсию, или примерно 300 градусов по Фаренгейту. . Им удалось определить такие выбросы, используя образцы морских осадочных пород возрастом около 320 миллионов лет, глубоко погребенных в прошлом, а теперь обнаженных в Нью-Мексико и Уральских горах в России.

«Очевидно, что эти организмы не жили в воде, температура которой превышает температуру кипения», — объяснил он. «Это открытие указывает на необходимость понять историю захоронения окаменелостей и скорость переупорядочения слипшихся изотопов».

Результаты команды, опубликованные ранее этим летом в журнале Science Advances, представляют собой важный первый шаг в разработке единой теории кинетики переупорядочения слипшихся изотопов в карбонатных минералах, которая, по словам Гроссмана, проложит путь к более точному определению температуры древнего океана и термических температур. история нефтяных бассейнов. Иллюстрируя, как энергетические барьеры активации и скорость переупорядочения изменяются из-за дефектов кристаллов, ионного замещения и включенной воды, они надеются внести вклад в более точную реконструкцию климата прошлого и более четкое понимание будущих климатических сценариев, а также предоставить механизм для реконструкции тепловой истории. осадочных бассейнов, необходимых для разведки нефти и газа.