مخازن باستانی آب دریا منبع جدیدی از سرنخ‌هایی از تغییرات آب و هوایی در اقیانوس‌های ناپدید شده و اقیانوس‌های ما ارائه می‌دهند. اکنون ریزترین بقایای مایع یک دریای داخلی باستانی که هزاران سال به دام افتاده اند، آشکار شده اند. کشف غافلگیرکننده آب دریا که در آمریکای شمالی کنونی به مدت 390 میلیون سال مهر و موم شده است، راه جدیدی را برای درک چگونگی تغییر اقیانوس ها و سازگاری با آب و هوای متغیر باز می کند. این روش همچنین ممکن است در درک چگونگی ذخیره ایمن هیدروژن در زیر زمین و انتقال آن برای استفاده به عنوان منبع سوخت بدون کربن مفید باشد.
ساندرا تیلور، نویسنده اول این مطالعه و دانشمند وزارت انرژی در شمال غربی اقیانوس آرام ملی گفت: «ما کشف کردیم که می‌توانیم اطلاعاتی را از این ویژگی‌های معدنی آب دریا در آزمایشگاه استخراج کنیم که می‌تواند به اطلاعات زمین‌شناسی، مانند شیمی آب دریا از دوران باستان کمک کند.
تیلور با همکاران PNNL، Daniel Perea، John Cliff و Libor Kovarik برای انجام آنالیزها با همکاری ژئوشیمیدانان دانیل گرگوری از دانشگاه تورنتو و تیموتی لیون از دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، کار کرد. تیم تحقیقاتی کشف خود را در شماره دسامبر 2022 Earth and Planetary Science Letters گزارش کردند.
دریاهای باستانی؛ ابزار مدرن
بسیاری از انواع مواد معدنی و جواهرات حاوی محفظه های کوچک مایع به دام افتاده هستند. در واقع، برخی از سنگ‌های قیمتی به خاطر حباب‌های مایع نورگیرشان که در داخل آن به دام افتاده‌اند، ارزشمند هستند. چیزی که در این مطالعه متفاوت است این است که دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ پیشرفته و تجزیه و تحلیل های شیمیایی توانستند آنچه را که در داخل کوچکترین حفره های آب وجود دارد را آشکار کنند.
یافته های این مطالعه تایید کرد که آب به دام افتاده در داخل سنگ با مشخصات شیمیایی دریای آب شور داخلی باستانی که زمانی مناطق شمالی نیویورک را اشغال می کرد، مطابقت دارد. در دوره دونین میانه، این دریای داخلی از میشیگان امروزی تا انتاریو، کانادا امتداد داشت. این منطقه دارای یک صخره مرجانی برای رقیب دیواره مرجانی بزرگ استرالیا بود. عقرب‌های دریایی به اندازه یک وانت در آب‌هایی که جاندارانی مانند تریلوبیت‌ها و اولین نمونه‌های خرچنگ نعل اسبی را در خود جای داده بودند، گشت می‌زدند.
اما در نهایت آب و هوا تغییر کرد و همراه با آن تغییر، بیشتر موجودات و خود دریا ناپدید شدند و تنها بقایای فسیلی در رسوبات باقی ماندند که در نهایت به نمونه سنگ پیریت مورد استفاده در آزمایش فعلی تبدیل شد.
سرنخ هایی از آب و هوای باستانی و تغییرات آب و هوایی
دانشمندان از نمونه‌های سنگی به عنوان شواهدی استفاده می‌کنند تا چگونگی تغییر اقلیم در طول زمان طولانی زمین‌شناسی را کنار هم بگذارند.
گرگوری، زمین شناس دانشگاه تورنتو و یکی از رهبران این مطالعه گفت: ما از ذخایر معدنی برای تخمین دمای اقیانوس های باستانی استفاده می کنیم. اما نمونه های مفید نسبتا کمی در پرونده زمین شناسی وجود دارد.
گرگوری گفت: «رسوبات نمکی از آب دریا [هالیت] محبوس شده در سنگ‌ها نسبتاً نادر است، بنابراین میلیون‌ها سال در سوابق مفقود است و آنچه ما در حال حاضر می‌دانیم بر اساس مکان‌هایی است که در آن هالیت یافت شده است. در مقابل، پیریت در همه جا یافت می شود. نمونه برداری با این تکنیک می تواند میلیون ها سال سابقه زمین شناسی را باز کند و به درک جدیدی از تغییر اقلیم منجر شود.
سورپرایز آب دریا
تیم تحقیقاتی در تلاش برای درک یک موضوع زیست محیطی دیگر – شسته شدن سمی آرسنیک از سنگ – بودند که متوجه نقص‌های کوچک شدند. دانشمندان ظاهر این کانی‌های پیریت خاص را به‌عنوان framboids توصیف می‌کنند – که از کلمه فرانسوی تمشک گرفته شده است – زیرا آنها مانند خوشه‌هایی از بخش‌های تمشک در زیر میکروسکوپ به نظر می‌رسند.
تیلور گفت: «ما ابتدا به این نمونه‌ها از طریق میکروسکوپ الکترونی نگاه کردیم و این نوع حباب‌های کوچک یا ویژگی‌های کوچک را در framboid دیدیم و تعجب کردیم که آنها چیستند.
با استفاده از تکنیک‌های تشخیص دقیق و حساس توموگرافی کاوشگر اتمی و طیف‌سنجی جرمی – که می‌تواند مقادیر ناچیزی از عناصر یا ناخالصی‌ها را در مواد معدنی تشخیص دهد – این تیم متوجه شد که حباب‌ها واقعاً حاوی آب هستند و ترکیب شیمیایی نمک آنها با آب دریاهای باستانی مطابقت دارد.
از دریای باستانی تا ذخیره انرژی مدرن
این نوع مطالعات همچنین پتانسیل ارائه بینش جالبی را در مورد چگونگی ذخیره ایمن هیدروژن یا سایر گازها در زیر زمین دارند.
تیلور می گوید: “هیدروژن به عنوان یک منبع سوخت کم کربن برای کاربردهای مختلف انرژی مورد بررسی قرار می گیرد. این امر مستلزم این است که بتوان مقادیر زیادی هیدروژن را در مخازن زمین شناسی زیرزمینی به طور ایمن بازیابی و ذخیره کرد. بنابراین درک نحوه تعامل هیدروژن با سنگ ها مهم است.”
“توموگرافی کاوشگر اتمی یکی از معدود تکنیک هایی است که در آن نه تنها می توانید اتم های هیدروژن را اندازه گیری کنید، بلکه در واقع می توانید ببینید کجای مواد معدنی می رود. این مطالعه نشان می دهد که نقص های کوچک در مواد معدنی ممکن است تله های بالقوه برای هیدروژن باشد. بنابراین با استفاده از با این روش می‌توانیم بفهمیم در سطح اتمی چه اتفاقی می‌افتد، که سپس به ارزیابی و بهینه‌سازی استراتژی‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در زیرسطح کمک می‌کند.”
این تحقیق در EMSL، آزمایشگاه علوم مولکولی محیطی، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE در PNNL انجام شد. لیون و گریگوری برای استفاده از تسهیلات از طریق یک فرآیند درخواست رقابتی درخواست دادند. این تحقیق همچنین با کمک مالی شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا حمایت شد.