Porowata skała dolomitowa z zagłębieniami, idealna do wykorzystania geotermalnego. Źródło: RUB, Marquard
Skały przechodzą przemiany na przestrzeni milionów lat, ale wciąż zawierają cenne informacje o klimacie podczas ich powstawania.
Płyny krążące pod ziemią z biegiem czasu stopniowo zmieniają skały. Procesy te należy wziąć pod uwagę, wykorzystując skały jako archiwa klimatyczne. Dr Mathias Müller z grupy badawczej ds. geologii osadów i izotopów na Uniwersytecie Ruhr w Bochum w Niemczech wraz z międzynarodowymi kolegami szczegółowo opisał, jakie informacje klimatyczne zachowały się w wapieniach z Hagen-Hohenlimburg sprzed 380 milionów lat.
Co więcej, jego analizy pozwalają mu wyciągnąć wnioski na temat przydatności skały do głębokich zastosowań geotermalnych. Wyniki jego badań zostały opublikowane w czasopiśmie Geochimica i Cosmochimica Acta 1 lipca 2024 r.
Widok z jednej strony kamieniołomu Steltenberg: Różnokolorowe skały są produktami procesów diagenetycznych pod ziemią, które zmieniły pierwotny wapień. Źródło: RUB, Marquard
Archiwum klimatyczne w skale
Aby lepiej zrozumieć dzisiejszy klimat, pomocne może być spojrzenie w przeszłość. Badacze wykorzystują w tym celu tzw. proxy: pośrednie wskaźniki klimatu w archiwach naturalnych, takie jak rdzenie lodowe, słoje drzew czy nacieki. „Jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś o klimacie sprzed kilku milionów, a nawet miliardów lat, badamy skały osadowe, które mogły nawet przechowywać temperaturę wody morskiej sprzed setek milionów lat” – wyjaśnia Mathias Müller.
Skamieniałości koralowców i ramienionogów w szarawym wapieniu Massenkalk, które zostały częściowo diagenetycznie przekształcone w jasnobrązową skałę dolomitową wzdłuż pionowej szczeliny. Źródło: Mathias Müller
Rzeczą, która może znacznie utrudnić tego typu dalekosiężne badania klimatyczne, jest późniejsza zmiana sygnatur klimatycznych przechowywanych w tych skałach. Proces ten nazywa się diagenezą. Rozpoczyna się wkrótce po osadzeniu się osadu w wodzie morskiej i może trwać do dziś. „Bardzo stare skały są zwykle zakopane na głębokości kilku kilometrów” – mówi Mathias Müller. „Zmiany informacji klimatycznych są wówczas spowodowane krążeniem gorących płynów na głębokości”. Tam, gdzie mogą wniknąć w skałę, często prowadzą do rekrystalizacji lub wzrostu nowych minerałów w skale. Ponadto, gdy skały są wynoszone z głębin na powierzchnię ziemi, ma na nie wpływ pogoda. Ta tak zwana diageneza meteoryczna może również wpłynąć na stare informacje klimatyczne lub uczynić je całkowicie bezużytecznymi.
Od płytkiego morza po góry
Wraz z międzynarodowym zespołem badawczym Mathias Müller szczegółowo zrekonstruował, jakie informacje klimatyczne z płytkiego morza w okresie dewonu są nadal przechowywane w skale w rejonie Hagen-Hohenlimburg oraz w wyniku jakich procesów i warunków uległy one zmianie. Naukowcy przeanalizowali liczne, systematycznie pobierane próbki skał z kamieniołomu Steltenberg, stosując metody petrograficzne i geochemiczne.
„Byliśmy zaskoczeni, że zmiany w skale umożliwiły nam zidentyfikowanie dużej liczby znaczących wydarzeń geologicznych, takich jak otwarcie północnego Atlantyku w Jurajski oraz początek składania i późniejszego wypiętrzenia Alp od końca o setki kilometrów Kreda okresie” – wylicza Mathias Müller. Uważa on, że radiometryczne datowanie uranowo-ołowiowe jest kluczem do chronologicznej klasyfikacji tzw. zdarzeń nadrukowych przechowywanych w skale. „Szczególnie miło nam było odkryć w trakcie naszych badań, że informacje klimatyczne z okresu dewonu nadal można odnaleźć nawet w mocno nadrukowanych skałach” – podkreśla badacz.
Mathias Müller analizuje zmiany, jakim podlegały skały na przestrzeni milionów lat. Źródło: RUB, Marquard
Od badań klimatycznych po energię geotermalną
Wyniki badania są również interesujące w kontekście wykorzystania skał do pozyskiwania głębokiej energii geotermalnej, co może przyczynić się do transformacji energetycznej. Przewidywanie warunków, jakie wystąpią w poszczególnych obszarach podpowierzchni, było dotychczas głównym wyzwaniem dla badaczy. „Szczególnie w skałach węglanowych nadruk diagenetyczny może prowadzić do zjawisk zarówno wytrącania, jak i rozpuszczania w skale, co może mieć dramatyczny wpływ na potencjalną żywotność energii geotermalnej” – mówi Mathias Müller.
Wyniki bieżących badań pozwalają na wstępne optymistyczne wnioski, że niektóre z scharakteryzowanych procesów zachodzących w głębszych warstwach ziemi mogły zwiększyć użyteczność energii geotermalnej. Wraz z naukowcami z Instytutu Badawczego Fraunhofera ds. Infrastruktury Energetycznej i Energii Geotermalnej IEG oraz Służby Geologicznej Nadrenii Północnej-Westfalii Mathias Müller stara się obecnie dowiedzieć, jakie konsekwencje mają odkrycia z powierzchni Ziemi dla zastosowania energii geotermalnej na głębokościach.
Odniesienie: „W kierunku lepszego zrozumienia geochemicznego zapisu zastępczego złożonych archiwów węglanowych” M. Mueller, BF Walter, RJ Giebel, A. Beranoaguirre, PK Swart, C. Lu, S. Riechelmann i A. Immenhauser, 1 maja 2024 r. , Geochimica i Cosmochimica Acta.
DOI: 10.1016/j.gca.2024.04.029
