Chimici e geologi uniscono le forze per misurare le temperature dell'antico oceano fino al livello atomico

I livelli di anidride carbonica nell’atmosfera terrestre – e, di conseguenza, le temperature degli oceani – stanno aumentando. Quanto in alto e quanto velocemente la temperatura dell’oceano può aumentare può essere appreso dalle misurazioni della temperatura degli antichi oceani. Allo stesso tempo, l’esplorazione energetica si basa anche sulla conoscenza della storia termica delle rocce madri di petrolio e gas, che spesso è difficile da determinare.

Una delle tecniche più promettenti per misurare le temperature degli antichi oceani e le storie termiche dei bacini si basa sul co-arricchimento di raro ossigeno pesante e carbonio pesante nel composto di carbonato di calcio trovato sul fondo dell’oceano. Questo arricchimento, chiamato isotopi aggregati, viene comunemente misurato utilizzando conchiglie fossili e calcari per determinare le temperature nel momento in cui i sedimenti si depositarono sul fondo del mare.

Tuttavia, c’è un problema: le temperature degli isotopi aggregati possono essere ripristinate dal processo stesso di sepoltura dei sedimenti, causando un aumento della temperatura dei sedimenti poiché creano le stesse condizioni responsabili della conversione della materia organica nelle rocce sedimentarie in petrolio.

Problemi così complessi richiedono approcci interdisciplinari: una mentalità collaborativa che prospera nel Texas A&M University College of Arts and Sciences, dove un team di geologi e chimici ha portato la ricerca a livello atomico per misurare in modo più accurato le antiche temperature dell’oceano.

Il team, guidato dal dottor Ethan Grossman del Dipartimento di Geologia e Geofisica e dal dottor Sarbajit Banerjee del Dipartimento di Chimica, ha recentemente utilizzato una combinazione di supercalcolo e teoria del funzionale della densità per modellare il processo responsabile dell'impostazione e del ripristino delle composizioni isotopiche raggruppate, un fenomeno noto come riordino.

"Siamo stati in grado di simulare vividamente il movimento degli atomi e di catturare l'intero processo alla base della riorganizzazione dei legami carbonio-ossigeno", ha affermato Grossman, titolare della cattedra Michel T. Halbouty e co-direttore dello Stable Isotope Geosciences Facility presso Texas A&M. . “Questa tecnica di modellazione, comunemente applicata per simulare il comportamento degli atomi in molti scenari, comprese le batterie agli ioni di litio e il calcolo simile al cervello, viene utilizzata per la prima volta per esaminare il raro movimento degli atomi nei gusci fossili e nella roccia calcarea”.

Confrontando i loro risultati con risultati sperimentali precedentemente pubblicati, Grossman afferma che il team è stato anche in grado di fornire l’anello mancante tra sperimentazione e teoria nell’identificare il colpevole catalitico responsabile dell’accelerazione del ripristino della temperatura in quegli isotopi raggruppati: l’acqua.

“Abbiamo teoricamente dimostrato per la prima volta che l’acqua nella struttura cristallina accelera il ripristino delle temperature degli isotopi raggruppati, il che richiede quindi cautela su come l’approccio viene utilizzato per ricostruire antichi record di temperatura”, ha aggiunto Grossman. “Ciò supporta dati sperimentali che in precedenza mancavano di un supporto teorico e porterà a ricostruzioni più accurate dei climi passati, che a loro volta forniranno la comprensione degli scenari climatici futuri”.

Oltre a identificare il ruolo dell'acqua come acceleratore nel riordino, Grossman afferma che gli studi del team aiutano a spiegare altri risultati enigmatici, in particolare la modificazione delle temperature oceaniche derivanti dai fossili a valori incredibilmente alti che si aggirano intorno ai 150 gradi Celsius, o circa 300 gradi Fahrenheit. . Sono stati in grado di determinare tali valori anomali utilizzando campioni di rocce sedimentarie marine di circa 320 milioni di anni, profondamente sepolte nel passato e ora esposte nel Nuovo Messico e nei Monti Urali in Russia.

"Chiaramente, questi organismi non vivevano in acque più calde della temperatura di ebollizione", ha spiegato. “Questa scoperta ha sottolineato la necessità di comprendere la storia della sepoltura dei fossili e i tassi di riordino degli isotopi raggruppati”.

I risultati del team, pubblicati all’inizio di questa estate su Science Advances, rappresentano un primo passo fondamentale nello sviluppo di una teoria unificata per la cinetica di riordino degli isotopi aggregati nei minerali di carbonato che, secondo Grossman, aprirà la strada a determinazioni più accurate delle antiche temperature oceaniche e delle temperature termiche. storia dei bacini petroliferi. Illustrando come le barriere energetiche di attivazione e i tassi di riordino vengono modificati dai difetti cristallini, dalla sostituzione ionica e dall'acqua incorporata, sperano di contribuire a ricostruzioni più accurate dei climi passati e a una comprensione più chiara degli scenari climatici futuri, fornendo allo stesso tempo un meccanismo per ricostruire la storia termica. di bacini sedimentari essenziali per l’esplorazione di petrolio e gas.