Ground truthing non-traditional metal stable isotope palaeoredox proxies: Cases of Uranium and Thallium

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

17 Downloads (Pure)

Abstract

Vores planet er 4,6 milliarder år gammel, og næsten siden dens fødsel har den været beboet af liv. Men Jorden er ikke kun et sted, hvor livet eksisterer; livet har også formet Jorden. Livet, havene, atmosfæren og jordens indre og ydre er alle forbundet gennem utallige processer og vekselvirkninger. Dette kalder vi jordsystemet. For at forstå jordsystemet, som det fungerer i dag, og hvordan vi påvirker det, er det nødvendigt at forstå dets historie, og hvordan det er blevet formet og påvirket igennem tiden. Ilten, O2, spiller en central rolle i denne historie.

Uden ilt ville livet, som vi kender det med dyr, planter og svampe, der alle ånder, helt åbenlyst ikke eksistere. Alligevel begynder livets historie mere end én milliard år før iltens store fremkomst. Der har nemlig ikke altid været tilgængelig ilt på Jorden. Over én milliard år udviklede det første liv på jorden, bakterier uden behov for ilt, evnen til iltdannende fotosyntese, og først herefter var byggestenene for en iltrig overflade på Jorden til stede. Livet skabte på den måde forudsætningerne for mere liv.

Med et nyt værktøj – granskning af isotopvariationer i iltfølsomme metaller aflejret på havets bund gennem jordens historie – har vi en hidtil uset mulighed for detaljeret at forstå iltens historie og vekselvirkninger i jordsystemet. Det har vist sig, at de to sjældne metaller, uran og thallium, danner spor efter iltindholdet på jordens overflade, når de optages og bliver en del af de sedimenter, som aflejres på havbunden. 

Både uran og thallium findes i naturen som forskellige isotoper, altså i varianter med forskelligt antal neutroner i deres kerne, men med samme kemiske adfærd. I urans tilfælde kan særlige bakterier, der lever i helt iltfri miljøer, bruge uran til at ånde med i stedet for ilt. I denne proces foretrækker de urans tunge isotop, uran-238, fremfor den lette uran-235. Større arealer af iltfri havbund medfører derfor, at der fjernes mere uran-238 fra havvandet, og at uransammensætningen i det tilbageværende vand forskydes mod uran-235. Når uran så i andre sedimenter udfældes uden en isotopforskydning kan disse sedimenter bruges som et arkiv for havenes iltindhold på aflejringstidspunktet.

Sedimenters thallium indhold kan tilsvarende undersøges for at opnå indsigt i de tidligere iltforhold på Jorden: Det er nemlig kun under iltholdige forhold, at der langsomt vokser små knolde af metallet mangan på havets bund. Disse knolde er som svampe for thallium, og især for den tunge isotop thallium-205 fremfor den lette thallium-203. Hvis andelen af iltholdig havbund stiger, vil manganknoldene altså optage og fjerne mere thallium-205, og i det tilbageværende havvand vil der være forholdsvis mere thallium-203.

Der er dog nogle centrale mangler i forståelsen af disse iltfølsomme metallers adfærd, som begrænser deres anvendelse til at rekonstruere iltens historie på Jorden. Denne Ph.d.-afhandling er både et forsøg på at udbedre nogle af de mangler, og et indspark af ny viden omkring en helt central begivenhed i historien om jordens iltning. Den består af tre uafhængige videnskabelige manuskripter, hvoraf ét er fagfællebedømt og udgivet. Et foreløbigt udkast til ét fjerde manuskript i direkte forlængelse af de andre, er derudover at finde i bilagene. De fire manuskripter bidrager hver især med ny viden om urans og thalliums adfærd i havene, om hvordan vi bør fortolke de spor af iltens og livets udvikling, som metallerne efterlader sig, og om hvordan havene og atmosfæren blev iltet i synkrone bølger da ilten først blev permanent for cirka 2,3 milliarder år siden.  

I det første manuskript, "Uranium reduction in modern and ancient marine carbonate settings – insights from anaerobic U extractions and high-energy resolution X Ray spectroscopy", præsenteres en ny metode til at udtrække uran fra aflejringer af kalksten og adskille oxideret og reduceret uran fra hinanden. Det er vigtigt, fordi kalksten er et oplagt arkiv for havvandets uranisotopsammensætning gennem Jordens historie. Isotopsammensætningen i kalkstenen kan dog sløres af, at der ophobes bakterielt reduceret uran, efter den blev aflejret. Metoden til adskillelse af reduceret og oxideret uran kan gøre det muligt at se igennem denne sløring og er et nyt og stærkt værktøj til bedre at forstå urankredsløbet i naturen.

I det andet manuskript, "Thallium cycling in the Skagerrak system – a potential role for boundary exchange in the marine Tl mass balance?", undersøges thalliumkredsløbet i Skagerrak. Det sker med henblik på bedre at forstå, hvordan thallium rejser fra kontinenterne til havet og videre til aflejringer på havbunden, og hvordan kemiske reaktioner i denne transportkæde kan påvirke isotopsammensætningen af thallium i havene. I manuskriptet vises det, at det ellers vigtige forhold mellem thallium og mangan ikke er væsentligt i hverken floder eller de have, der omkranser kontinenterne. Og det vises, at thallium frigives fra alt det ler som eroderes og skylles væk fra kontinentet, når floderne møder de kystnære have og leret aflejres. Det er en hidtil overset kilde af thallium til havet, som påvirker det globale thallium kredsløb og hvordan isotopsammensætninger af thallium bør fortolkes.

I det tredje manuskript, “Onset of coupled atmosphere-ocean oxygenation 2.3 billion years ago” bruges isotopvariationer af thallium i sedimenter der blev aflejret for cirka 2,3 milliarder år siden til at forstå hvordan havenes iltindhold blev påvirket da jordens atmosfære blev iltet for første gang. Nylige studier af svovl-isotoper har vist at atmosfærens iltning ikke skete i ét ryk, men snarere med flere frem- og tilbageskridt. Thallium isotoperne viser at det samme gør sig gældende for havene, og at det skete i synkrone pulser med atmosfæren. Det vil sige at der her er tale om begyndelsen på det koblede ocean-atmosfære system som med få undtagelser har eksisteret på jorden lige siden.

I udkastet til et fjerde manuskript, "On Thallium enrichments in the Benguelan upwelling system and global Tl dynamics", præsenteres aflejringer fra den namibiske kyst. De har nogle af de højeste naturlige koncentrationer af thallium, der er kendt i nutidens hav. I havet ud for Namibia tvinger strømforholdene næringsrigt bundvand op til overfladen. Denne næringsophobning driver store algeopblomstringer og iltsvind. Det vises i manuskriptet, at sådanne forhold, med kraftig bakteriel kulstof- og svovlomsætning, skaber gunstige betingelser for store thalliumophobninger i aflejringer på havbunden. Denne proces vises formentlig at være en dominerende faktor i det globale thalliumkredsløb, og en korrekt forståelse af dens omfang er et nødvendigt skridt imod robuste fortolkninger af thalliums isotopsammensætning
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Canfield, Donald E., Hovedvejleder
Dato for forsvar6. sep. 2024
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 15. aug. 2024

Note vedr. afhandling

Den fulde afhandling kan læses på SDUs bibliotek.

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Ground truthing non-traditional metal stable isotope palaeoredox proxies: Cases of Uranium and Thallium'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater