德克萨斯农工大学化学家和地质学家因国家科学基金会资助的团块同位素研究而建立联系

地球大气中的二氧化碳含量——以及随之而来的海洋温度——正在上升。海洋温度上升的高度和速度可以通过古代海洋的温度测量来了解。同时，能源勘探还依赖于了解油气源岩的热历史，而这往往很难确定。

测量古代海洋温度和盆地热历史的最有前途的技术之一依赖于海底碳酸钙化合物中稀有重氧和重碳的共同富集。这种富集被称为团块同位素，通常使用化石贝壳和石灰石进行测量，以确定沉积物沉积在海底时的温度。

然而，有一个问题：聚集的同位素温度可以通过沉积物被掩埋的过程来重置，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。

这些复杂的问题需要跨学科的方法——一种在德克萨斯农工大学艺术与科学学院蓬勃发展的协作思维，该学院的地质学家和化学家团队将探索提升到原子水平，以更准确地测量古代海洋温度。

该团队由 地质和地球物理系的 Ethan Grossman 博士 和 化学系的 Sarbajit Banerjee 博士领导，最近结合使用超级计算和密度泛函理论来模拟负责设置和重置簇同位素成分的过程，这种现象称为重新排序。

“我们能够生动地模拟原子的运动，并捕获支持碳-氧键重排的整个过程，”米歇尔·T·哈尔布蒂主席兼德克萨斯农工大学稳定同位素地球科学设施联席主任格罗斯曼说 。“这种建模技术通常用于模拟许多场景中的原子行为，包括锂离子电池和类脑计算，但它首次用于检查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，以确定加速这些聚集同位素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，晶体结构中的水会加速聚集同位素温度的重置，因此需要谨慎对待如何使用该方法重建古代温度记录。” “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，进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作为促进剂的作用之外，该团队的研究还有助于解释其他神秘的结果——特别是，化石产生的海洋温度被修改到不可思议的高值，徘徊在 150 摄氏度左右，即大约 300 华氏度。 。他们能够利用来自过去深埋、现在暴露在新墨西哥州和俄罗斯乌拉尔山脉的大约 3.2 亿年前海洋沉积岩的样本来确定此类异常值。

“显然，这些生物体并不生活在比沸点温度更高的水中，”他解释道。“这一发现表明有必要了解化石的埋藏历史和聚集同位素重新排序的速率。”

该团队的研究结果 于今年夏天早些时候发表 在 《科学进展》上，代表了开发碳酸盐矿物中团簇同位素重排动力学统一理论的关键的第一步，格罗斯曼表示，这将为更准确地测定古代海洋温度和热能铺平道路。石油盆地的历史。通过说明晶体缺陷、离子替代和掺入水如何改变激活能垒和重排序率，他们希望有助于更准确地重建过去的气候和更清楚地了解未来的气候情景，同时也提供重建热历史的机制石油和天然气勘探所必需的沉积盆地。

格罗斯曼说：“这项研究将通过更好地了解沉积物埋藏深度来更准确地重建过去的气候，超过该深度，来自化石贝壳的聚集同位素温度就不再可靠。” “此外，它展示了传统上不合作揭示全新知识的部门和领域之间合作的价值。”

除了 Grossman 和 Banerjee 之外，该团队的论文还有三位主要共同作者：2021 年德克萨斯 A&M 化学工程博士。毕业生 Saul Perez-Beltran '20 博士，目前是德克萨斯 A&M 工程实验站的博士后研究员 ;2023年 德州农工大学材料与分析化学博士 Wasif Zaheer '19 届毕业生，现为陶氏化学公司高级研究专家 ;以及现任德克萨斯农工大学地质候选人 Zeyang Sun '19。昆士兰大学的 William F. Defliese 博士也参与了这项工作，他曾于 2017 年至 2019 年在德克萨斯农工大学担任 Berg-Hughes 博士后研究员。