Las investigaciones de isótopos agrupados ayudan a comprender el pasado y beneficiar el presente

Mar 09, 2024

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Los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre (y, en consecuencia, la temperatura de los océanos) están aumentando. A partir de las mediciones de temperatura de océanos antiguos se puede saber hasta qué punto y con qué rapidez pueden aumentar las temperaturas de los océanos. Al mismo tiempo, la exploración energética también depende del conocimiento de la historia térmica de las rocas generadoras de petróleo y gas, que a menudo es difícil de determinar.

Una de las técnicas más prometedoras para medir las temperaturas de los océanos antiguos y la historia térmica de las cuencas se basa en el co-enriquecimiento de oxígeno pesado y carbono pesado poco comunes en el compuesto de carbonato de calcio que se encuentra en el fondo del océano. Este enriquecimiento, denominado isótopos agrupados, se mide comúnmente utilizando conchas fósiles y calizas para determinar las temperaturas en el momento en que los sedimentos se depositaron en el fondo del mar.

Sin embargo, hay un problema: las temperaturas de los isótopos agrupados pueden restablecerse mediante el proceso mismo de enterramiento de los sedimentos, lo que hace que las temperaturas de los sedimentos aumenten al crear las mismas condiciones responsables de convertir la materia orgánica de las rocas sedimentarias en petróleo.

Problemas tan complejos requieren enfoques interdisciplinarios: una mentalidad colaborativa que prospera en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad Texas A&M, donde un equipo de geólogos y químicos ha emprendido la búsqueda al nivel atómico para medir con mayor precisión las temperaturas de los océanos antiguos.

El equipo, dirigido por el Dr. Ethan Grossman en el Departamento de Geología y Geofísica y el Dr. Sarbajit Banerjee en el Departamento de Química, utilizó recientemente una combinación de supercomputación y teoría funcional de la densidad para modelar el proceso responsable de establecer y restablecer las composiciones de isótopos agrupados. un fenómeno conocido como reordenamiento.

"Pudimos simular vívidamente el movimiento de los átomos y capturar todo el proceso que sustenta la reordenación de los enlaces carbono-oxígeno", dijo Grossman, titular de la Cátedra Michel T. Halbouty y codirector de la Instalación de Geociencias de Isótopos Estables en Texas A&M. . "Esta técnica de modelado, comúnmente aplicada para simular el comportamiento de los átomos en muchos escenarios, incluidas las baterías de iones de litio y la computación similar al cerebro, se utiliza por primera vez para examinar el raro movimiento de los átomos en conchas fósiles y rocas calizas".

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Al comparar sus resultados con resultados experimentales publicados anteriormente, Grossman dice que el equipo también pudo proporcionar el eslabón perdido entre la experimentación y la teoría al identificar al culpable catalítico responsable de acelerar los reinicios de temperatura en esos isótopos agrupados: el agua.

"En teoría, demostramos por primera vez que el agua en la estructura cristalina acelerará el restablecimiento de las temperaturas de los isótopos agrupados, lo que justifica la precaución sobre cómo se utiliza este enfoque para reconstruir registros de temperatura antiguos", añadió Grossman. "Esto respalda datos experimentales que anteriormente carecían de fundamento teórico y conducirá a reconstrucciones más precisas de climas pasados, lo que a su vez proporciona comprensión de escenarios climáticos futuros".

Además de identificar el papel del agua como acelerador en el reordenamiento, Grossman dice que los estudios del equipo ayudan a explicar otros resultados enigmáticos, en particular, la modificación de las temperaturas del océano derivadas de fósiles a valores increíblemente altos que rondan los 150 grados Celsius, o aproximadamente 300 grados Fahrenheit. . Pudieron determinar tales valores atípicos utilizando especímenes de rocas sedimentarias marinas de aproximadamente 320 millones de años de antigüedad profundamente enterradas en el pasado y ahora expuestas en Nuevo México y los Montes Urales en Rusia.

"Claramente, estos organismos no vivían en agua a temperaturas superiores a las de ebullición", explicó. "Este hallazgo señaló la necesidad de comprender la historia del entierro de los fósiles y las tasas de reordenamiento de isótopos agrupados".

Los resultados del equipo, publicados a principios de este verano en Science Advances, representan un primer paso fundamental en el desarrollo de una teoría unificada para la cinética de reordenamiento de isótopos agrupados en minerales carbonatados que, según Grossman, allanará el camino para determinaciones más precisas de las temperaturas oceánicas antiguas y la temperatura térmica. Historia de las cuencas petroleras. Al ilustrar cómo las barreras de energía de activación y las tasas de reordenamiento se modifican por los defectos de los cristales, la sustitución de iones y el agua incorporada, esperan contribuir a reconstrucciones más precisas de los climas pasados ​​y una comprensión más clara de los escenarios climáticos futuros, al tiempo que proporcionan un mecanismo para reconstruir la historia térmica. de cuencas sedimentarias esenciales para la exploración de petróleo y gas.

"Este estudio permitirá reconstrucciones más precisas de los climas pasados ​​al comprender mejor las profundidades del entierro de sedimentos más allá de las cuales las temperaturas de los isótopos agrupados de las conchas fósiles no son confiables", dijo Grossman. "Además, demuestra el valor de la colaboración entre departamentos y campos que tradicionalmente no han trabajado juntos para revelar conocimientos fundamentalmente nuevos".

Además de Grossman y Banerjee, el artículo del equipo contó con tres coautores principales: Ph.D. en ingeniería química de Texas A&M de 2021. el graduado Dr. Saúl Pérez-Beltrán '20, quien actualmente es investigador postdoctoral en la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M; 2023 Doctorado en química analítica y materiales de Texas A&M. el Dr. Wasif Zaheer '19, graduado y ahora especialista sénior en investigación de Dow; y el actual candidato a geología de Texas A&M, Zeyang Sun '19. El Dr. William F. Defliese de la Universidad de Queensland, ex becario postdoctoral Berg-Hughes en Texas A&M de 2017 a 2019, también participó en el trabajo.

El artículo del equipo, “La teoría funcional de la densidad y la dinámica molecular ab-initio revelan mecanismos atomísticos para el reordenamiento de isótopos agrupados de carbonato”, se puede ver en línea junto con figuras y reconocimientos relacionados. Su investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (Subvención No. EAR-19115647), con el apoyo adicional de The Welch Foundation (Subvención No. A-A1978-20220331), la Cátedra Michel T. Halbouty en Geología y la Iniciativa de Investigación del Canciller para Espectrometría de masas, establecida en 2016.

"Tenemos muchas preguntas sin respuesta", dijo Grossman. “Para empezar, ¿cómo varía esta tasa de reordenamiento con la cantidad de agua en la estructura cristalina? ¿Cómo varía en diferentes minerales? ¿Podemos desarrollar protocolos para identificar el material fósil y mineral más resistente a la reordenación? ¿Podemos definir una escala de calibración para corregir errores en cada mineral? Y, por último, ¿podemos utilizar esta información para desarrollar un enfoque nuevo e innovador para reconstruir las historias térmicas de las cuencas y refinar la exploración de petróleo y gas? En resumen, estamos ansiosos por dar nuestros próximos pasos”.

Referencia: Pérez-Beltrán S, Zaheer W, Sun Z, Defliese WF, Banerjee S, Grossman EL. La teoría funcional de la densidad y la dinámica molecular ab initio revelan mecanismos atomísticos para el reordenamiento de isótopos agrupados de carbonato. Ciencia avanzada. 2023;9(26):eadf1701. doi:10.1126/sciadv.adf1701

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