Chimistes et géologues unissent leurs forces pour mesurer les températures des océans anciens au niveau atomique

Les niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre – et, par conséquent, les températures des océans – augmentent. Les mesures de température des océans anciens permettent de déterminer à quelle hauteur et à quelle vitesse la température des océans peut augmenter. Parallèlement, l’exploration énergétique repose également sur la connaissance de l’histoire thermique des roches mères pétrolières et gazières, qui est souvent difficile à déterminer.

L’une des techniques les plus prometteuses pour mesurer les températures océaniques anciennes et l’histoire thermique des bassins repose sur le co-enrichissement en oxygène lourd rare et en carbone lourd dans le composé de carbonate de calcium trouvé au fond de l’océan. Cet enrichissement, appelé isotopes agglomérés, est couramment mesuré à l'aide de coquilles fossiles et de calcaires pour déterminer les températures au moment où les sédiments se déposent sur le fond marin.

Cependant, il y a un piège : les températures isotopiques agglomérées peuvent être réinitialisées par le processus même d'enfouissement des sédiments, provoquant une augmentation de la température de ces sédiments car ils créent les mêmes conditions responsables de la conversion de la matière organique des roches sédimentaires en pétrole.

Des problèmes aussi complexes nécessitent des approches interdisciplinaires – un état d’esprit collaboratif qui prospère au Texas A&M University College of Arts and Sciences, où une équipe de géologues et de chimistes a poussé la quête au niveau atomique pour mesurer avec plus de précision les températures des océans anciens.

L'équipe, dirigée par le Dr Ethan Grossman du Département de géologie et de géophysique et le Dr Sarbajit Banerjee du Département de chimie, a récemment utilisé une combinaison de calcul intensif et de théorie fonctionnelle de la densité pour modéliser le processus responsable de la définition et de la réinitialisation des compositions isotopiques agglomérées, un phénomène connu sous le nom de réorganisation.

"Nous avons pu simuler de manière vivante le mouvement des atomes et capturer l'ensemble du processus qui sous-tend le réarrangement des liaisons carbone-oxygène", a déclaré Grossman, titulaire de la chaire Michel T. Halbouty et codirecteur de l'installation de géosciences des isotopes stables de Texas A&M. . "Cette technique de modélisation, couramment appliquée pour simuler le comportement des atomes dans de nombreux scénarios, notamment les batteries lithium-ion et l'informatique de type cerveau, est pour la première fois utilisée pour examiner le mouvement rare des atomes dans les coquilles fossiles et les roches calcaires."

En comparant leurs résultats aux résultats expérimentaux précédemment publiés, Grossman affirme que l'équipe a également pu fournir le chaînon manquant entre l'expérimentation et la théorie en identifiant le coupable catalytique responsable de l'accélération des réinitialisations de température dans ces isotopes agglomérés : l'eau.

"Nous avons théoriquement démontré pour la première fois que l'eau dans la structure cristalline accélérerait la réinitialisation des températures isotopiques agglomérées, ce qui justifie donc la prudence quant à la manière dont cette approche est utilisée pour reconstruire d'anciens enregistrements de température", a ajouté Grossman. "Cela conforte les données expérimentales qui manquaient auparavant de fondement théorique et conduira à des reconstructions plus précises des climats passés, ce qui permettra de comprendre les scénarios climatiques futurs."

En plus d'identifier le rôle de l'eau comme accélérateur dans la réorganisation, Grossman affirme que les études de l'équipe aident à expliquer d'autres résultats énigmatiques, notamment la modification des températures océaniques d'origine fossile à des valeurs incroyablement élevées oscillant autour de 150 degrés Celsius, ou environ 300 degrés Fahrenheit. . Ils ont pu déterminer ces valeurs aberrantes à l’aide de spécimens provenant de roches sédimentaires marines vieilles d’environ 320 millions d’années, profondément enfouies dans le passé et maintenant exposées au Nouveau-Mexique et dans les montagnes de l’Oural en Russie.

"De toute évidence, ces organismes ne vivaient pas dans une eau plus chaude que la température d'ébullition", a-t-il expliqué. "Cette découverte a souligné la nécessité de comprendre l'histoire de l'enfouissement des fossiles et les taux de réorganisation des isotopes agglomérés."

Les résultats de l'équipe, publiés plus tôt cet été dans Science Advances, représentent une première étape cruciale dans le développement d'une théorie unifiée pour la cinétique de réorganisation des isotopes agglomérés dans les minéraux carbonatés qui, selon Grossman, ouvrira la voie à des déterminations plus précises des températures océaniques anciennes et des températures thermiques. histoire des bassins pétroliers. En illustrant comment les barrières d'énergie d'activation et les taux de réorganisation sont modifiés par les défauts cristallins, la substitution des ions et l'eau incorporée, ils espèrent contribuer à des reconstructions plus précises des climats passés et à une compréhension plus claire des scénarios climatiques futurs tout en fournissant également un mécanisme de reconstruction de l'histoire thermique. de bassins sédimentaires essentiels à l’exploration pétrolière et gazière.