Global Cooling entdeckt von MIT: Tektonischer Ton fängt organischen Kohlenstoff effizient ein.

MIT-Forscher haben herausgefunden, dass Smektit, ein Tonmineral, das sich aus Plattentektonik bildet, Kohlenstoff effektiv binden kann und über Jahrtausende das globale Klima beeinflusst. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass Smektit eine entscheidende Rolle bei der Auslösung vergangener Eiszeiten spielt und Potenzial für die zukünftige Klimaschutz bietet. Quelle: SciTechDaily.com

Ein tonhaltiger Lehm namens Smektit mit einer akkordeonartigen Struktur fängt organischen Kohlenstoff effizient ein und könnte über Millionen von Jahren zur Pufferung der globalen Erwärmung beitragen.

MIT-Geologen haben herausgefunden, dass ein Tonmineral namens Smektit auf dem Meeresboden überraschend effektiv in der Lage ist, Kohlenstoff über Millionen von Jahren zu binden.

Unter dem Mikroskop ähnelt ein einzelnes Korn des Tons den Falten eines Akkordeons. Diese Falten sind bekannt dafür, organischen Kohlenstoff effektiv einzufangen.

Das Forschungsteam des MIT hat nun gezeigt, dass die kohlenstoffbindenden Tone ein Produkt der Plattentektonik sind: Wenn der ozeanische Erdmantel gegen eine kontinentale Platte stößt, können Gesteine an die Oberfläche gelangen, die sich im Laufe der Zeit zu Mineralien, einschließlich Smektit, verwittern können. Schließlich sedimentiert sich der Tonschlamm im Ozean, wo die Mineralien kleine Partikel toter Organismen in ihren mikroskopischen Falten einfangen. Dadurch wird verhindert, dass der organische Kohlenstoff von Mikroben verbraucht und als Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Über Millionen von Jahren kann Smektit eine globale Wirkung haben und dazu beitragen, den gesamten Planeten abzukühlen. Durch eine Reihe von Analysen konnten die Forscher zeigen, dass Smektit wahrscheinlich nach mehreren bedeutenden tektonischen Ereignissen in den letzten 500 Millionen Jahren entstanden ist. Bei jedem tektonischen Ereignis fingen die Tone genug Kohlenstoff ein, um die Erde abzukühlen und die darauffolgende Eiszeit auszulösen.

Diese Ergebnisse zeigen erstmals, dass Plattentektonik Eiszeiten durch die Bildung von kohlenstoffbindendem Smektit auslösen kann.

Heutzutage können diese Tone in bestimmten tektonisch aktiven Regionen gefunden werden, und die Wissenschaftler glauben, dass Smektit weiterhin Kohlenstoff bindet und so als natürlicher, wenn auch langsam wirkender Puffer gegen die klimaschädlichen Aktivitäten der Menschen dient.

"Der Einfluss dieser unscheinbaren Tonminerale hat weitreichende Auswirkungen auf die Bewohnbarkeit von Planeten", sagt Joshua Murray, ein Doktorand am MIT Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. "Diese Tone könnten sogar eine moderne Anwendung haben, um einen Teil des Kohlenstoffs auszugleichen, den die Menschheit in die Atmosphäre freigesetzt hat."

Murray und Oliver Jagoutz, Professor für Geologie am MIT, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 30. November in der Zeitschrift Nature Geoscience.

Die neue Studie baut auf den bisherigen Arbeiten des Teams auf, die gezeigt haben, dass jede der großen Eiszeiten der Erde wahrscheinlich durch ein tektonisches Ereignis in den Tropen ausgelöst wurde. Die Forscher fanden heraus, dass bei jedem dieser tektonischen Ereignisse ozeanische Gesteine, sogenannte Ophiolite, der Atmosphäre ausgesetzt waren. Sie brachten die Idee ein, dass bei einer tektonischen Kollision in einer tropischen Region Ophiolite bestimmte Verwitterungseffekte, wie etwa Wind, Regen und chemische Interaktionen, erfahren können, die die Gesteine in verschiedene Minerale, einschließlich Tonmineralen, umwandeln.

"Diese Tonminerale beeinflussen das Klima je nach Art auf unterschiedliche Weise", erklärt Murray.

Zu dieser Zeit war unklar, welche Minerale aus diesem Verwitterungseffekt entstehen könnten und ob und wie diese Minerale direkt zur Abkühlung des Planeten beitragen könnten. Obwohl es eine Verbindung zwischen Plattentektonik und Eiszeiten zu geben schien, war der genaue Mechanismus, durch den das eine das andere auslösen könnte, noch in Frage gestellt.

Mit der neuen Studie untersuchte das Team, ob der von ihnen vorgeschlagene tektonische Verwitterungsprozess in den Tropen kohlenstoffbindende Minerale erzeugen würde und ob diese Mineralien in ausreichender Menge vorhanden wären, um eine globale Eiszeit auszulösen.

Zunächst durchsuchte das Team die geologische Literatur und sammelte Daten darüber, wie sich bedeutende magmatische Minerale im Laufe der Zeit verwittern und welche Arten von Tonmineralen dabei entstehen können. Diese Messungen wurden dann in eine Verwitterungssimulation unterschiedlicher Gesteinstypen eingearbeitet, die bei tektonischen Kollisionen freigelegt sind.

"Dann schauen wir, was mit diesen Gesteinstypen passiert, wenn sie durch Verwitterung und Einflüsse einer tropischen Umgebung zerfallen und welche Minerale sich daraus bilden“, erklärt Jagoutz.

Anschließend fügten sie jedes verwitterte "Endprodukt"-Mineral in eine Simulation des Kohlenstoffkreislaufs der Erde ein, um zu sehen, welche Wirkung ein bestimmtes Mineral haben könnte, entweder indem es mit organischem Kohlenstoff, wie z.B. Partikeln toter Organismen, interagiert oder mit anorganischem Kohlenstoff, in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre.

From these analyses, one mineral had a clear presence and effect: smectite. Not only was the clay a naturally weathered product of tropical tectonics, it was also highly effective at trapping organic carbon. In theory, smectite seemed like a solid connection between tectonics and ice ages.

But were enough of the clays actually present to trigger the previous four ice ages? Ideally, researchers should confirm this by finding smectite in ancient rock layers dating back to each global cooling period.

“Unfortunately, as clays are buried by other sediments, they get cooked a bit, so we can’t measure them directly,” Murray says. “But we can look for their fingerprints.”

The team reasoned that, as smectites are a product of ophiolites, these ocean rocks also bear characteristic elements such as nickel and chromium, which would be preserved in ancient sediments. If smectites were present in the past, nickel and chromium should be as well.

To test this idea, the team looked through a database containing thousands of oceanic sedimentary rocks that were deposited over the last 500 million years. Over this time period, the Earth experienced four separate ice ages. Looking at rocks around each of these periods, the researchers observed large spikes of nickel and chromium, and inferred from this that smectite must also have been present.

By their estimates, the clay mineral could have increased the preservation of organic carbon by less than one-tenth of a percent. In absolute terms, this is a minuscule amount. But over millions of years, they calculated that the clay’s accumulated, sequestered carbon was enough to trigger each of the four major ice ages.

“We found that you really don’t need much of this material to have a huge effect on the climate,” Jagoutz says.

“These clays also have probably contributed some of the Earth’s cooling in the last 3 to 5 million years, before humans got involved,” Murray adds. “In the absence of humans, these clays are probably making a difference to the climate. It’s just such a slow process.”

“Jagoutz and Murray’s work is a nice demonstration of how important it is to consider all biotic and physical components of the global carbon cycle,” says Lee Kump, a professor of geosciences at Penn State University, who was not involved with the study. “Feedbacks among all these components control atmospheric greenhouse gas concentrations on all time scales, from the annual rise and fall of atmospheric carbon dioxide levels to the swings from icehouse to greenhouse over millions of years.”

Could smectites be harnessed intentionally to further bring down the world’s carbon emissions? Murray sees some potential, for instance, to shore up carbon reservoirs such as regions of permafrost. Warming temperatures are predicted to melt permafrost and expose long-buried organic carbon. If smectites could be applied to these regions, the clays could prevent this exposed carbon from escaping into and further warming the atmosphere.

“If you want to understand how nature works, you have to understand it on the mineral and grain scale,” Jagoutz says. “And this is also the way forward for us to find solutions for this climatic catastrophe. If you study these natural processes, there’s a good chance you will stumble on something that will be actually useful.”

Reference: “Palaeozoic cooling modulated by ophiolite weathering through organic carbon preservation” by Joshua Murray, and Oliver Jagoutz, 30 November 2023, Nature Geoscience. DOI: 10.1038/s41561-023-01342-9

This research was funded, in part, by the National Science Foundation.