地球大气中的二氧化碳含量——以及由此导致的海洋温度——正在上升。海洋温度可以上升多高多快可以从古代海洋的温度测量中得知。同时，能源勘探还依赖于了解油气源岩的热史，而这往往是难以确定的。
测量古代海洋温度和盆地热历史最有前途的技术之一依赖于在海底发现的碳酸钙化合物中稀有重氧和重碳的共同富集。这种富集被称为块状同位素，通常用化石壳和石灰石来测量，以确定沉积物沉积在海底时的温度。
然而，有一个问题:沉积物被掩埋的过程可以重置块状同位素温度，导致沉积物温度升高，因为它们创造了与沉积岩中的有机物转化为石油相同的条件。
如此复杂的问题需要跨学科的方法——在德克萨斯A&M大学艺术与科学学院，一个由地质学家和化学家组成的团队在原子水平上进行探索，以更准确地测量古代海洋的温度，这是一种合作的心态。
由地质与地球物理系的Ethan Grossman博士和化学系的Sarbajit Banerjee博士领导的研究小组，最近将超级计算和密度函数理论结合起来，模拟了设置和重置团块同位素组成的过程，这种现象被称为重排序。
这项研究发表在《科学进展》杂志上。
“我们能够生动地模拟原子的运动，并捕捉到支撑碳氧键重排的整个过程，”格罗斯曼说，他是米歇尔·t·哈尔布蒂主席的持有者，也是德克萨斯农工大学稳定同位素地球科学设施的联合主任。这种建模技术，很常见只应用于模拟原子在许多情况下的行为，包括锂离子电池和类脑计算，这是第一次被用来研究化石壳和石灰岩中原子的罕见运动。”
格罗斯曼说，在将他们的结果与之前发表的实验结果进行比较时，该团队还能够提供实验和理论之间缺失的联系，以确定加速这些团块同位素中温度重置的催化罪魁祸首:水。
格罗斯曼补充说:“我们从理论上首次证明了晶体结构中的水会加速团块同位素温度的重置，因此在如何使用这种方法重建古代温度记录时需要谨慎。”“这支持了以前缺乏理论基础的实验数据，并将导致对过去气候的更准确重建，从而提供对未来气候情景的理解。”
格罗斯曼说，除了确定水在重新排序中的促进作用外，研究小组的研究还有助于解释其他神秘的结果——值得注意的是，化石来源的海洋温度被改变到难以置信的高值，徘徊在150摄氏度左右，或大约300华氏度。他们利用大约3.2亿年前深埋在新墨西哥州和俄罗斯乌拉尔山脉的海洋沉积岩样本，确定了这些异常值。
他解释说:“很明显，这些生物并不生活在温度高于沸点的水中。”“这一发现表明，有必要了解化石的埋藏历史和团块同位素重新排序的速度。”
格罗斯曼说，这个研究小组的结果代表了发展碳酸盐矿物中块状同位素重排序动力学统一理论的关键的第一步，这将为更准确地确定古代海洋温度和石油盆地的热历史铺平道路。
通过说明晶体缺陷、离子取代和结合水如何改变活化能垒和重排序率，他们希望有助于更准确地重建过去的气候，更清楚地了解未来的气候情景，同时也为重建沉积盆地的热历史提供一种机制，这对石油和天然气勘探至关重要。
格罗斯曼说:“这项研究将通过更好地了解沉积物埋藏的深度来更准确地重建过去的气候，超过这个深度，化石壳的团块同位素温度就不可靠了。”“此外，它还展示了部门和领域之间合作的价值，这些部门和领域传统上没有合作来揭示根本性的新知识。”
“我们有很多未解之谜，”格罗斯曼说。“首先，这种重排序速率是如何随着晶体结构中水的含量而变化的?它在不同的矿物质中有什么不同?我们能否制定出一套方案来识别最不容易重新排序的化石和矿物材料?我们是否可以定义一个校准刻度来校正每种矿物的误差?最后，我们能否利用这些信息开发一种新的创新方法来重建盆地热史，并改进油气勘探?总之，我们期待着下一步的行动。”
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希望本篇文章《探索原子层面以更精确地测量古代海洋温度》能对你有所帮助！
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