Enfriamiento global desenterrado por el MIT: El arcilla tectónica atrapa eficientemente el carbono orgánico.

Investigadores del MIT han descubierto que la esmectita, un mineral de arcilla formado a partir de la tectónica de placas, puede secuestrar carbono de manera efectiva, influyendo en el clima global durante milenios. Sus hallazgos sugieren que la esmectita ha sido instrumental en la desencadenación de las pasadas edades de hielo y ofrece potencial para la mitigación del cambio climático futuro. Crédito: SciTechDaily.com

Una arcilla con textura de acordeón llamada esmectita atrapa eficientemente el carbono orgánico y podría ayudar a mitigar el calentamiento global durante millones de años.

Los geólogos del MIT han descubierto que un mineral de arcilla en el lecho marino, llamado esmectita, tiene una sorprendente capacidad para secuestrar carbono durante millones de años.

Bajo un microscopio, un solo grano de arcilla se asemeja a los pliegues de un acordeón. Se sabe que estos pliegues son trampas efectivas para el carbono orgánico.

Ahora, el equipo del MIT ha demostrado que las arcillas que atrapan carbono son producto de la tectónica de placas: cuando la corteza oceánica choca contra una placa continental, puede llevar rocas a la superficie que, con el tiempo, pueden erosionarse y formar minerales, incluyendo esmectita. Eventualmente, el sedimento de arcilla se deposita de nuevo en el océano, donde los minerales atrapan restos de organismos muertos en sus pliegues microscópicos. Esto evita que el carbono orgánico sea consumido por microbios y expulsado de nuevo a la atmósfera como dióxido de carbono.

A lo largo de millones de años, la esmectita puede tener un efecto global, ayudando a enfriar todo el planeta. A través de una serie de análisis, los investigadores mostraron que es probable que la esmectita se haya producido después de varios eventos tectónicos importantes en los últimos 500 millones de años. Durante cada evento tectónico, las arcillas atrapaban suficiente carbono para enfriar la Tierra e inducir la posterior edad de hielo.

Estos hallazgos son los primeros en mostrar que la tectónica de placas puede desencadenar edades de hielo mediante la producción de esmectita que atrapa carbono.

Los geólogos del MIT han encontrado que la actividad tectónica da origen a la esmectita, un tipo de arcilla que puede secuestrar una cantidad sorprendente de carbono orgánico en sus pliegues microscópicos (mostrados aquí), durante millones de años. Crédito: Foto cortesía de Anthony Priestas, Boston University

Estas arcillas se pueden encontrar en ciertas regiones tectónicamente activas hoy en día, y los científicos creen que la esmectita continúa secuestrando carbono, proporcionando un amortiguador natural, aunque lento, contra las actividades humanas que calientan el clima.

"La influencia de estos modestos minerales de arcilla tiene implicaciones de gran alcance para la habitabilidad de los planetas", dice Joshua Murray, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra, Atmósfera y Ciencias Planetarias del MIT. "Incluso puede haber una aplicación moderna para estas arcillas en la compensación de parte del carbono que la humanidad ha emitido a la atmósfera".

Murray y Oliver Jagoutz, profesor de geología en el MIT, publicaron sus hallazgos el 30 de noviembre en la revista Nature Geoscience.

El nuevo estudio se basa en el trabajo previo del equipo, que mostró que cada una de las principales edades de hielo de la Tierra probablemente fue desencadenada por un evento tectónico en los trópicos. Los investigadores encontraron que cada uno de estos eventos tectónicos expuso rocas oceánicas llamadas ofiolitas a la atmósfera. Plantearon la idea de que, cuando ocurre una colisión tectónica en una región tropical, las ofiolitas pueden experimentar ciertos efectos de erosión, como exposición al viento, lluvia e interacciones químicas, que transforman las rocas en varios minerales, incluyendo arcillas.

"Esas arcillas, dependiendo de los tipos que creas, influyen en el clima de diferentes maneras", explica Murray.

En ese momento, no estaba claro qué minerales podían surgir de este efecto de erosión, y si y cómo estos minerales podrían contribuir directamente a enfriar el planeta. Por lo tanto, aunque parecía que había una relación entre la tectónica de placas y las edades de hielo, el mecanismo exacto por el cual uno podía desencadenar el otro aún quedaba en cuestión.

Con el nuevo estudio, el equipo buscó ver si su propuesto proceso de erosión tropical tectónica produciría minerales que atrapan carbono, y en cantidades suficientes para desencadenar una edad de hielo global.

El equipo primero revisó la literatura geológica y recopiló datos sobre las formas en que los principales minerales magmáticos se erosionan con el tiempo y sobre los tipos de arcillas que esta erosión puede producir. Luego, utilizaron estas medidas para simular la erosión de diferentes tipos de rocas que se sabe que están expuestas en colisiones tectónicas.

"Luego, observamos qué sucede con estos tipos de rocas cuando se descomponen debido a la erosión y la influencia de un entorno tropical, y qué minerales se forman como resultado", dice Jagoutz.

A continuación, introdujeron cada mineral erosionado, "producto final", en una simulación del ciclo del carbono de la Tierra para ver qué efecto podría tener un determinado mineral, ya sea interactuando con carbono orgánico, como restos de organismos muertos, o con carbono inorgánico, en forma de dióxido de carbono en la atmósfera.

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.