如图所示，困在黄铁矿草莓状植物中的古代海水口袋，为消失的海洋和我们自己的气候变化提供了新的线索。图片来源:Daniel Gregory提供|多伦多大学;Cortland Johnson |太平洋西北国家实验室添加的颜色
这些发现可能带来革命性的变化Nize气候科学，并协助确定用于无碳能源的安全储氢地下地点。
被困了几个世纪的古代内海遗迹终于被发现了。这一意外发现的3.9亿年前封存在现代北美的海水，为海洋如何进化和适应气候变化提供了新的视角。该研究在氢作为无碳能源的安全地下储存和运输方面也有潜在的应用价值。
该研究的第一作者、美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家桑德拉·泰勒说:“我们发现，我们实际上可以从这些矿物特征中挖掘出信息，这些信息可以帮助地质研究，比如古代的海水化学。”
Taylor与PNNL的同事Daniel Perea, John Cliff和Libor Kovarik一起与多伦多大学的地球化学家Daniel Gregory和加州大学河滨分校的Timothy Lyons合作进行了分析。研究小组在2022年12月的《地球与行星科学快报》上报告了他们的发现。
Sandra Taylor, PNNL的化学家，将样品装入原子探针断层扫描仪。图片来源:Eric Francavilla |太平洋西北国家实验室
古老的海洋;现代工具
许多类型的矿物和宝石都含有小袋的液体。事实上，一些宝石因其内部捕捉光线的液体气泡而备受赞誉。这项研究的不同之处在于，科学家们能够通过先进的显微镜和化学分析来揭示最小的水口袋里有什么。
研究结果证实，岩石内部的水符合古代内陆咸水海的化学特征，这些咸水海曾经占据过纽约州北部，而岩石就是在那里起源的。在泥盆纪中期，这片内海从今天的密歇根州一直延伸到加拿大的安大略省。它的珊瑚礁可以与澳大利亚的大堡礁相媲美。一辆皮卡大小的海蝎子在水域巡逻，那里栖息着三叶虫等现已灭绝的生物，以及最早的马蹄蟹。
但最终，气候发生了变化，大多数生物和海洋本身也随之消失了，只留下埋在沉积物中的化石遗骸，最终成为了目前实验中使用的黄铁矿样本。
古老的海水口袋提供了一个新的线索来源，可以帮助我们更好地了解海洋是如何受到气候变化的影响的。一个合作研究小组在纽约州北部的黄铁矿中发现了纳米级的海水口袋。这项技术可能会在气候科学中打开一个全新的篇章，并有可能帮助确定安全储存氢以获得无碳能源的地下位置。图源:萨拉·莱文|太平洋西北国家实验室
古代气候和气候变化的线索
科学家们利用岩石样本作为证据，拼凑出在漫长的地质时期内气候是如何变化的。
“我们利用矿藏来估计古代海洋的温度，”多伦多大学的地质学家、该研究的负责人之一格雷戈里说。但在地质记录中，有用的例子相对较少。
格雷戈里说:“在岩石记录中，从困住的海水(岩盐)中沉积的盐是相对罕见的，所以在记录中有数百万年的缺失，我们目前所知道的是基于发现岩盐的几个地方。”相比之下，黄铁矿随处可见。“使用这种技术进行采样可以打开数百万年的地质记录，并对气候变化有新的认识。”
海水的惊喜
研究小组试图了解另一个环境问题——有毒砷从岩石中浸出——这时他们注意到这些微小的缺陷。科学家们将这些特殊的黄铁矿矿物的外观描述为framboids——来自法语“覆盆子”一词——因为它们在显微镜下看起来像一簇覆盆子片段。
泰勒说:“我们首先通过电子显微镜观察了这些样本，我们在草莓中看到了这种迷你气泡或迷你特征，并想知道它们是什么。”
利用精确而灵敏的原子探针断层扫描和质谱检测技术(可以检测矿物中微量的元素或杂质)，研究小组发现这些气泡确实含有水，它们的盐化学性质与古代海洋相匹配。
从古代的海洋到现代的能源储存
这些类型的研究也有可能为如何安全地在地下储存氢气或其他气体提供有趣的见解。
“氢作为一种低碳燃料正在被探索，用于各种能源应用。这就需要能够安全地回收和储存大量的氢在地下地质水库。所以了解氢如何与岩石相互作用是很重要的。”“原子探针断层扫描是为数不多的技术之一，你不仅可以测量氢原子，而且可以看到它在矿物中的位置。这项研究表明，矿物中的微小缺陷可能是氢的潜在陷阱。因此，通过使用这种技术，我们可以弄清楚原子层面上发生了什么，这将有助于评估和优化地下储氢的策略。”
参考文献:“突破极限:通过原子探针断层扫描在纳米级流体包裹体中解析古海水特征”，作者:S. D. Taylor, D. D. Gregory, D. E. Perea, L. Kovarik, J. B. Cliff和T. W. Lyons, 2022年10月12日，地球与行星科学快报。DOI: 10.1016 / j.epsl.2022.117859
这项研究由加拿大自然科学与工程研究理事会资助。
这项研究是在EMSL进行的，环境分子科学实验室，美国能源部科学办公室在PNNL的用户设施。莱昂斯和格雷戈里通过竞争申请程序申请使用该设施。
