被困了数千年，古代内海最微小的液体残留物现已被发现。令人惊讶的发现，在现在的北美地区密封了 3.9 亿年的海水，为了解海洋如何变化以及如何适应不断变化的气候开辟了一条新途径。该方法还可用于了解氢如何安全地储存在地下并作为无碳燃料来源运输。
“我们发现我们实际上可以从这些矿物特征中挖掘出有助于为地质研究提供信息的信息，例如古代海水化学，” 该研究的第一作者、能源部 太平洋西北国家国家科学家桑德拉泰勒说。实验室。
Taylor 与 PNNL 的同事 Daniel Perea、 John Cliff和 Libor Kovarik 合作，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 合作进行分析。研究小组 在 2022 年 12 月出版的《 地球与行星科学快报》上报告了他们的发现。
远古海洋;现代工具
许多类型的矿物和宝石都含有小块的液体。事实上，一些宝石因其内部包裹着引人注目的液体气泡而备受推崇。这项研究的不同之处在于，科学家们能够使用先进的显微镜和化学分析来揭示最小的水袋内有什么。
该研究的结果证实，被困在岩石内部的水符合古代内陆咸水海的化学特征，该海域曾经占据纽约州北部，也是岩石的起源地。在中泥盆世时期，这片内海从今天的密歇根州延伸到加拿大的安大略省。它拥有可与澳大利亚大堡礁媲美的珊瑚礁。皮卡车大小的海蝎子在水域巡逻，这些水域栖息着三叶虫等现已灭绝的生物，以及最早的鲎。
但最终气候发生了变化，随着这种变化，大多数生物和海洋本身都消失了，只留下嵌入沉积物中的化石残骸，最终成为当前实验中使用的黄铁矿岩石样本。
古代气候和气候变化的线索
科学家们使用岩石样本作为证据，拼凑出气候在漫长的地质时期是如何变化的。
“我们使用矿藏来估计古代海洋的温度，”多伦多大学地质学家、研究负责人之一格雷戈里说。但地质记载中有用的例子相对较少。
“在岩石记录中，被困海水 [岩盐] 形成的盐沉积物相对罕见，因此记录中缺失了数百万年，而我们目前所知道的是基于发现岩盐的几个地方，”格雷戈里说。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，并导致对气候变化的新认识。”
海水惊喜
当研究小组注意到这些微小的缺陷时，正试图了解另一个环境问题——从岩石中浸出的有毒砷。科学家们将这些特殊的黄铁矿矿物的外观描述为 framboids——源自法语中的覆盆子——因为它们在显微镜下看起来像一簇簇覆盆子片。
“我们首先通过电子显微镜观察了这些样品，我们在 framboid 中看到了这些微型气泡或微型特征，并想知道它们是什么，”泰勒说。
使用原子探针断层扫描和质谱的精确和灵敏的检测技术——可以检测矿物质中的微量元素或杂质——研究小组发现这些气泡确实含有水，而且它们的盐化学成分与古代海洋相匹配。
从古代海洋到现代储能
这些类型的研究也有可能为如何安全地将氢气或其他气体储存在地下提供有趣的见解。
“正在探索氢作为各种能源应用的低碳燃料来源。这需要能够在地下地质储层中安全地回收和储存大量氢气。因此，了解氢如何与岩石相互作用非常重要，”泰勒说。“原子探针断层扫描是为数不多的技术之一，您不仅可以测量氢原子，还可以实际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水平上发生了什么，这将有助于评估和优化地下储氢策略。”
这项研究是在 环境分子科学实验室EMSL 进行的，该实验室是 PNNL 的 DOE 科学办公室用户设施。Lyons 和 Gregory 通过竞争性申请流程申请使用该设施。该研究还得到了加拿大自然科学和工程研究委员会的资助。
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