Projekti / Programi
Netradicionalni izotopi kot identifikatorji avtigenih karbonatov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.06.00 |
Naravoslovje |
Geologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P420 |
Naravoslovno-matematične vede |
Petrologija, mineralogija, geokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.05 |
Naravoslovne vede |
Zemlja in okolje |
avtigeni karbonat, netradicionalni izotopi, stabilni izotopi, ogljik, sediment
Raziskovalci (15)
Organizacije (2)
Povzetek
Avtigeni karbonati so bili šele pred nekaj leti prepoznani kot tretji globalni ponor CO2. Približne kvantitativne ocene snovnega toka CO2 v karbonatni cement so bile do zdaj narejene samo za morske karbonate na osnovi snovnih tokov raztopljenega ogljika skozi mejo voda - sediment, v kopenskih sistemih so bile narejene le preliminarne ocene precipitacije avtigenih karbonatov v povodjih velikih rek s pomočjo Sr izotopov (δ88/86Sr). Obe oceni pa kažeta, da so bili avtigeni karbonati kot ponor CO2 očitno dramatično podcenjeni. V predlaganem projektu nameravamo razviti napredna izotopska orodja za identifikacijo in kvantifikacijo avtigenega karbonata v kopenskih sedimentih in vodonosnikih na karbonatnih področjih. Kot identifikatorje avtigenega karbonata in sedimentacijskega okolja nameravamo testirati in validirati netradicionalne izotope U in njegovih potomcev, Mo, Sr in Mg (»netradicionalni« izotopi so tisti, ki jih določamo z multikolektrorskimi masnimi spektrometri z indukcijsko sklopljeno plazmo- MC-ICP-MS). Cilji projekta so:
1. Razvoj in optimizacija metod za določanje izotopske sestave netradicionalnih izotopov (U, Mo, Sr, Mg) in uporaba naprednih analiznih orodij (stabilni »netradicionalni« izotopi in 2D maprianje z masno spektrometrijo) za analizo nastanka in razširjenosti avtigenih karbonatnih faz v sladkovodnih sedimentih in karbonatnih vodonosnikih, ki so bili nedavno prepoznani kot pomemben kopenski ponor ogljika;
2. Razširiti znanje o možnosti uporabe netradicionalnih izotopov redoks-senzitivnih elementov urana in molibdena, ter stroncija in magnezija, ki koprecipitirata s karbonatom, z morskih sedimentov na sladkovodna okolja in podzemno vodo;
3. Identificirati in kvantificirati precipitacijo avtigenega karbonata v vodi in karbonatu v treh različnih kopenskih karbonatnih sedimentacijskih okoljih s kombinacijo že uveljavljenih geokemijskih orodij – elementne sestave, stabilnih izotopov lahkih elementov (ogljika in kisik in radioaktivnega ogljika-14 – z naprednimi orodji (izotopi U in njegovih potomcev, Mo, Sr in Mg) .
Testna okolja bodo (i) kraški apnenčasto-dolomitni vodonosnik, (ii) lehnjakove bariere na kraški reki in (iii) jezerski karbonatni sedimenti. Pri interpretaciji terenskih meritev in rezultatov analiz vzorcev s terena si bomo pomagali z rezultati laboratorijskih poskusov v mezokozmu, s katerimi bomo dobili informacijo o porazdelitvi elementov in izotopski frakcionaciji posameznih elementov, ki jih ne moremo neposredno določiti v kompleksnih okoljskih matricah. Pri tem bomo uporabili najsodobnejša visokoločljiva izotopska analizna orodja – multikolektorsko masno spektrometrijo z indukcijsko sklopljeno plazmo (MC-ICP-MS), ki jo bomo kombinirali z masno spektrometrijo stabilnih izotopov lahkih elementov. Za analizo posameznih mineralnih zrn bomo uporabili dvodimenzionalno MS mapiranje z lasersko ablacijo in ICP-MS analizo odparjenih mikrovzorcev in Ramansko mapiranje. Tako bomo pridobili informacije, ki jih ne moremo dobiti z rutinskimi analizami kemijske, mineralne in izotopske sestave lahkih elementov ter elektronske mikroanalize (FESEM-EDS). Končni rezultat projekta bo analizno in konceptualno orodje za razlikovanje detritičnega in avtigenega karbonata v kompleksnih terestričnih sedimentnih okoljih s prevladujočo karbonatno litologijo, ki bo omogočilo kvantifikacijo terestričnega ponora CO2 na takih področjih.
Da bomo dosegli zastavljene cilje, smo združili znanje in kapacitete dveh odsekov Instituta Jožef Stefan (Odsek za znanosti o okolju in Odsek za raziskave sodobnih materialov) in Zavoda za gradbeništvo. Pri razvoju analiznih metod in interpretaciji rezultatov bomo sodelovali z vodilnimi tujimi inštituti in univerzami, ki bodo z izmenjavo znanja in izkušenj pripomogli k uspehu projekta.
Pomen za razvoj znanosti
Ogljik se učinkovito odstranjuje iz zemeljske atmosfere s fiksacijo v karbonatnih kamninah, kar predstavlja okoli 80 % vsega CO2 trajno vezanega iz atmosfere. Šele pred nekaj leti so bili avtigeni karbonati prepoznani kot po obsegu tretji globalni ponor ogljika. Skupna količina na ta način odstranjenega ogljika v morskih in kopenskih sedimentih pa še vedno ni znana. Zaradi velikosti karbonatnega ponora CO2 pa je razlikovanje med obema karbonatnima rezervoarjema – primarnim in avtigenim – fundamentalno za razumevanje ogljikovega cikla na Zemlji in njegove vloge pri spreminjanju sestave atmosfere. Prve kvantitativne ocene avtigenega karbonatnega ponora so bile narejene šele v zadnjih nekaj letih in še to samo za morsko okolje, medtem ko so snovni tokovi ogljika v karbonatne cemente in avtigene sedimentne faze v kopenskih okoljih neznani. Ocene narejene na osnovi izotopskih analiz stroncija (88/86Sr) v največjih rekah in povodjih kažejo, da je kopenski ponor CO2 v karbonatna veziva verjetno dramatično podcenjen. Da bi ga lahko korektno kvantificirali, pa potrebujemo zanesljiva analizna in metodološka orodja, s katerimi bomo lahko nedvoumno ločili avtigeni in detritični karbonat in temu je posvečen predlagani projekt. T.i. netradicionalni izotopi so se zaenkrat izkazali za obetavno orodje, vendar jih je treba preveriti v različnih sedimentacijskih okoljih in različnih okoljskih razmerah.
V projektu bomo optimizirali in na vzorcih iz naravnega okolja uporabili napredne analizne tehnike in metode. S tem se bomo približali vodilnim svetovnim geokemičnim laboratorijem in raziskovalnim skupinam, rezultati projekta pa bodo prispevali nova temeljna spoznanja na področju kroženja ogljika na kopnem (geogeni ogljikov cikel). Te metode pa bodo lahko uporabljene tudi za mnoge temeljne in aplikativne raziskave, na primer za zmanjšanje negotovosti kopenske bilance ogljika, (paleo)klimatskih modelov, za upravljanje voda na ravni povodij, za strokovne podlage za načrtovanje in implementacijo remediacij onesnaženih okolij ipd.
Pomen za razvoj Slovenije
Carbon is efficiently removed from the Earth’s surface through fixation in carbonate rocks, which represent about 80 % of the total carbon removed from the atmosphere. Authigenic carbonate has recently been invoked as the third major global carbon sink, but total amounts of carbon precipitated in cements in marine and terrestrial sediments are still unclear. Because of the magnitude of carbonates as carbon sinks, distinguishing the two carbonate types (primary biogenic marine carbonate and authigenic diagenetic carbonate phase) is fundamental to our understanding of Earth’s carbon cycle and its role in regulating the evolution of atmospheric composition. It shall be noted that the first quantitative estimates have been made only for marine carbonate, while the magnitude of terrestrial carbon sinks in sediments and aquifers as authigenic phases and cements is not yet quantified. First estimates based on isotope analyses of Sr in major rivers and watersheds showed, however, that the amount terrestrial carbonates and cements precipitated in aquifers is most probably dramatically underestimated.
To provide a quantitative estimate of the magnitude of terrestrial carbon flux into authigenic carbonate, analytical and methodological tools are needed, which will be able to unequivocally separate detrital carbonates from authigenic ones. Non-traditional isotopes of elements that precipitate in carbonates seem to be promising in this respect, however, they need to be tested and validated in different sedimentary environments and environmental settings - which will be the focus of proposed project.
Advanced analytical techniques and methods, optimized and validated in this project, are new in Slovenia and will be applied to solve some fundamental questions terrestrial C cycle which have not yet been addressed adequately. The project will therefore generate new knowledge. These new methods will be applicable for future fundamental research, for instance, to improve the uncertainty of the terrestrial carbon balance and in paleoclimatic models, but also for applied research such as in isotope hydrology for application in water resources management, providing foundation for design and implementation of remediation strategies for contaminated sites where fixation of pollutants in biomass and mineral phases could be exploited etc.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
