Químicos e geólogos unem forças para medir as temperaturas dos antigos oceanos até o nível atômico

Os níveis de dióxido de carbono na atmosfera terrestre — e, consequentemente, as temperaturas dos oceanos — estão a aumentar. Quão alto e rápido as temperaturas dos oceanos podem subir pode ser aprendido a partir de medições de temperatura de oceanos antigos. Ao mesmo tempo, a exploração energética também depende do conhecimento da história térmica das rochas geradoras de petróleo e gás, que muitas vezes é difícil de determinar.

Uma das técnicas mais promissoras para medir temperaturas oceânicas antigas e histórias térmicas de bacias depende do co-enriquecimento de oxigênio pesado raro e carbono pesado no composto de carbonato de cálcio encontrado no fundo do oceano. Este enriquecimento, denominado isótopos aglomerados, é comumente medido usando conchas fósseis e calcários para determinar as temperaturas no momento em que os sedimentos foram depositados no fundo do mar.

No entanto, há um problema: as temperaturas dos isótopos aglomerados podem ser redefinidas pelo próprio processo de soterramento dos sedimentos, fazendo com que as temperaturas dos sedimentos subam à medida que criam as mesmas condições responsáveis ​​pela conversão da matéria orgânica das rochas sedimentares em petróleo.

Problemas tão complexos exigem abordagens interdisciplinares – uma mentalidade colaborativa que prospera na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade Texas A&M, onde uma equipe de geólogos e químicos levou a busca ao nível atômico para medir com mais precisão as temperaturas dos oceanos antigos.

A equipe, liderada pelo Dr. Ethan Grossman no Departamento de Geologia e Geofísica e pelo Dr. Sarbajit Banerjee no Departamento de Química, usou recentemente uma combinação de supercomputação e teoria do funcional da densidade para modelar o processo responsável por definir e redefinir composições de isótopos aglomerados, um fenômeno conhecido como reordenação.

“Fomos capazes de simular vividamente o movimento dos átomos e capturar todo o processo que sustenta o rearranjo das ligações carbono-oxigênio”, disse Grossman, titular da cadeira Michel T. Halbouty e codiretor do Stable Isotope Geosciences Facility da Texas A&M. . “Esta técnica de modelagem, comumente aplicada para simular o comportamento de átomos em muitos cenários, incluindo baterias de íons de lítio e computação semelhante à do cérebro, está sendo usada pela primeira vez para examinar o raro movimento de átomos em conchas fósseis e rochas calcárias.”

Ao comparar os seus resultados com resultados experimentais publicados anteriormente, Grossman diz que a equipa também foi capaz de fornecer o elo perdido entre a experimentação e a teoria na identificação do culpado catalítico responsável por acelerar as redefinições de temperatura nesses isótopos aglomerados: a água.

“Demonstramos teoricamente pela primeira vez que a água na estrutura cristalina acelerará a redefinição das temperaturas isotópicas aglomeradas, o que justifica cautela sobre como a abordagem é usada para reconstruir registros antigos de temperatura”, acrescentou Grossman. “Isto apoia dados experimentais que anteriormente careciam de base teórica e levará a reconstruções mais precisas de climas passados, o que, por sua vez, fornece compreensão de cenários climáticos futuros.”

Além de identificar o papel da água como um acelerador no reordenamento, Grossman diz que os estudos da equipe ajudam a explicar outros resultados enigmáticos – notavelmente, a modificação das temperaturas oceânicas derivadas de fósseis para valores impossivelmente altos, oscilando em torno de 150 graus Celsius, ou cerca de 300 graus Fahrenheit. . Eles foram capazes de determinar esses valores discrepantes usando espécimes de rochas sedimentares marinhas com aproximadamente 320 milhões de anos, profundamente enterradas no passado e agora expostas no Novo México e nos Montes Urais, na Rússia.

“É evidente que estes organismos não viviam em águas mais quentes do que as temperaturas de ebulição”, explicou. “Esta descoberta apontou para a necessidade de compreender a história do enterro dos fósseis e as taxas de reordenação de isótopos aglomerados.”

Os resultados da equipe, publicados no início deste verão na Science Advances, representam um primeiro passo fundamental no desenvolvimento de uma teoria unificada para a cinética de reordenação de isótopos agregados em minerais carbonáticos que, segundo Grossman, abrirá o caminho para determinações mais precisas das antigas temperaturas oceânicas e das temperaturas térmicas. história das bacias petrolíferas. Ao ilustrar como as barreiras de energia de ativação e as taxas de reordenamento são modificadas por defeitos de cristal, substituição de íons e água incorporada, eles esperam contribuir para reconstruções mais precisas de climas passados ​​e uma compreensão mais clara dos cenários climáticos futuros, ao mesmo tempo que fornecem um mecanismo para reconstruir a história térmica. de bacias sedimentares essenciais para a exploração de petróleo e gás.