Поиск более точных методов измерения температуры древних океанов на атомном уровне
Уровень углекислого газа в атмосфере Земли и, как следствие, температура океана растут. О том, насколько высоко и быстро могут подняться температуры океана, можно узнать из измерений температуры древних океанов. Одновременно с этим разведка энергоресурсов также зависит от знания термической истории нефтематеринских пород, которую часто трудно определить.
Один из наиболее перспективных методов измерения температуры древних океанов и термической истории бассейнов основан на совместном обогащении редкого тяжелого кислорода и тяжелого углерода в карбонате кальция, обнаруженном на дне океана. Это обогащение, называемое clumped isotopes (сгруппированные изотопы), обычно измеряют с помощью ископаемых раковин и известняков для определения температур в период отложения осадков на морском дне.
Однако есть загвоздка: температуры, полученные методом сгруппированных изотопов, могут быть "обнулены" самим процессом захоронения осадков, который приводит к их нагреву и создает условия, ответственные за преобразование органического вещества в осадочных породах в нефть.
Команда геологов и химиков из Техасского университета A&M под руководством доктора Итана Гроссмана и доктора Сарбаджита Банерджи применила сочетание суперкомпьютерных вычислений и теории функционала плотности, чтобы смоделировать процесс, ответственный за установление и "обнуление" состава сгруппированных изотопов — явление, известное как переупорядочивание (reordering). Работа опубликована в журнале Science Advances.
«Мы смогли наглядно смоделировать движение атомов и зафиксировать весь процесс, лежащий в основе перераспределения углерод-кислородных связей», — отметил Гроссман. Сравнив результаты с ранее опубликованными экспериментальными данными, команда также смогла установить недостающее звено между экспериментом и теорией, определив каталитическую причину ускорения температурного "обнуления": воду в кристаллической структуре.
«Мы впервые теоретически продемонстрировали, что вода в кристаллической структуре ускоряет "обнуление" температур, определенных по сгруппированным изотопам, что требует осторожности при использовании этого подхода для реконструкции древних температурных записей», — добавил Гроссман. Это объясняет и другие загадочные результаты, в частности, модификацию температур, полученных по ископаемым остаткам, до нереально высоких значений около 150 °C (300 °F) в образцах из морских осадочных пород возрастом около 320 миллионов лет.
Результаты команды представляют собой ключевой первый шаг в разработке единой теории кинетики переупорядочивания сгруппированных изотопов в карбонатных минералах. Это позволит точнее определять температуры древних океанов и термическую историю нефтегазоносных бассейнов, а также реконструировать прошлый климат и лучше понимать будущие климатические сценарии.