Omskrivning af lærebogen om fossile brændstoffer:Nye teknologier hjælper med at optrevle naturens metanopskrifter

Eksperter siger, at videnskabelig forståelse af dybe kulbrinter er blevet transformeret, med ny indsigt opnået i de energikilder, der kunne have katalyseret og næret Jordens tidligste livsformer.

I løbet af de sidste hundrede år har videnskabsmænd uddybet i detaljer, hvordan kulbrinter - fossile brændstoffer" trukket fra reservoirer i jordskorpen for at opvarme og drive boliger, køretøjer, og industri - har en biotisk oprindelse, stammer fra de nedgravede planter, dyr, og alger fra evigheder.

Men for nogle kulbrinter, især metan - det farveløse, lugtfri hovedingrediens i naturgas - naturen har mange opskrifter, hvoraf nogle er "abiotiske - stammer ikke fra forhistorisk livs forfald, men skabt uorganisk af geologiske og kemiske processer dybt inde i Jorden.

Abiotiske kulbrinter har været et hovedfokus for Deep Energy-fællesskabet i Deep Carbon Observatory-programmet - en 10-årig udforskning af Jordens inderste hemmeligheder, afsluttes i oktober.

DCO-eksperter mener, at en abiotisk oprindelse af metan forklarer de fleste af de usædvanlige forekomster af gassen, herunder flammerne i Chimaera i det sydvestlige Tyrkiet.

Chimaera ligger ikke oven på konventionelle forekomster af olie og gas produceret af de forfaldne organiske rester fra tidligere epoker. Og stadigvæk, snesevis af små brande har brændt på denne bjergtop i årtusinder.

Gamle forklaringer på flammerne omfattede åndedrættet fra et monster - delvist løve, del ged, del slange. Den mindre farverige videnskabelige årsag:meget brandfarlig abiotisk metan og brint, der stiger til jordens overflade fra dybt nede.

Chimaera er blandt de mest fotogene og berømte af nu hundredvis af steder, hvor der er fundet abiotiske kilder til metan i mere end 20 lande og i flere dybe havområder indtil videre.

DCO-samarbejdspartner Giuseppe Etiope fra Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia i Rom har dokumenteret Chimaera-stedet og flere andre miljøer, hvor der er fundet usædvanlige forekomster af metan, inklusive:

• Gamle prækambriske skjolde - sten i kernen af ​​kontinenterne dannet for så meget som 3 milliarder år siden
• På havbunden (f.eks. højtemperaturventiler på og nær midt-ocean-rygge og bøvsende muddervulkaner)
• På kontinenter (siver og hyperalkaliske kilder og grundvandsmagasiner).

Mens forskellige bjergarter er til stede i alle disse miljøer, han bemærker, mange opdagelser har fokuseret på steder med specifikke, egnede typer af "ultramafiske" bjergarter såsom peridotit (en grovkornet magmatisk bjergart), der indgår i massiver og ophiolitter (ensembler af klipper dannet fra det undersøiske udbrud af oceanisk skorpe og øvre kappemateriale).

Jordens abiotiske metan menes nu hovedsageligt at stamme kemisk fra det hydrogen, der skabes ved hydrering af ultramafiske klipper, der gennemgår "serpentinisering" - en reaktion, der opstår, når vand møder mineralet olivin.

Brint nærer også biologiske kilder til metan. DCO-forskere har dokumenteret et stort mikrobielt økosystem - en dyb biosfære fodret med brint. Mange af de dybe mikrober, kaldet methanogener, metabolisere brint for at producere metan.

Den dybe biosfære har derfor udgjort et kylling og æg-scenarie:som kom først, abiotisk metan eller mikrober? Hvis abiotisk metan kom først, som det virker indlysende, gav det anledning til Jordens første mikrober? Og hvis mikrober kom først, hvordan og hvorfor beboede de steder næsten blottet for næring?

Et årtimål:sortere oprindelsen af ​​metan på Jorden

Da Deep Carbon Observatory-projektet begyndte i 2009, DCO's Deep Energy-fællesskab – består nu af mere end 230 forskere fra 35 nationer, sat det dekadelige mål om at sortere oprindelsen af ​​metan på Jorden.

Nogle antog, at usædvanlige metanreservoirer - dvs. dem, der ikke kunne være biotiske af oprindelse - skal dannes gennem kemiske reaktioner, der forekommer i de omgivende klipper.

Andre foreslog, at mikrober bidrog til metanproduktion i nogle reservoirer, metabolisere brint for at skabe metan i en helt anden proces.

Andre antog, at metan kunne stamme dybere nede i Jorden, i den øvre kappe, og diffunderer op mod overfladen. (Ved Moskvas Gubkin Universitet, forsker Vladimir Kutcherov leder eksperimenter for at teste produktionen af ​​metan i laboratoriesimulerede højtryksforhold i Jordens øvre kappe).

Tidligt i sit mandat tog DCO beslutningen om at investere i ny analytisk instrumentering for at overvinde nogle af begrænsningerne ved at dechifrere metans oprindelse.

Med strategisk investering i instrumentering og adskillige feltprøver, DCO-partnere satte sig for at bane vejen for nye efterforskningsværktøjer til at skelne jordens biotiske fra abiotisk metan.

I 2014 tre nye instrumenter kom online med potentiale til at ændre den dybe kulstofvidenskabs ansigt, og de har ikke skuffet, siger Edward Young, fra University of California, Los Angeles (UCLA), medleder af DCO's Deep Energy Community med Isabelle Daniel fra Claude Bernard University Lyon 1 i Lyon, Frankrig.

Ved at bruge komplementære teknikker inden for massespektrometri og absorptionsspektroskopi, forskere ved UCLA, California Institute of Technology (Caltech), Pasadena CA, og Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge MA, analyserer naturlige metanprøver for bedre at forstå, hvordan abiotisk metan kan produceres.

"Et molekyle af metan (CH4) virker bemærkelsesværdigt simpelt, består af kun fem atomer, " siger Dr. Young. "Sjældne isotoper af både brint og kulstof er lejlighedsvis inkorporeret i metanmolekyler, imidlertid, og hyppigheden af ​​disse 'tunge' isotoper afslører hemmeligheden om, hvordan de blev dannet og ved hvilke temperaturer."

Af særlig diagnostisk værdi er metanmolekyler, der indeholder mere end én "tung" isotop ("klumpede isotoper"). Disse molekyler er ekstremt sjældne og kan kun skelnes af instrumenter med ekstrem høj masseopløsning, følsomhed, og magt.

DCO-samarbejdspartnere brugte prøver af gasser indsamlet fra Chimaera, Canadas dybe miner, den omanske ophiolit, hydrotermiske ventilationsåbninger på havbunden, og yderligere websteder, og blev overrasket over, hvad de fandt.

Selvom det er en udfordring at fortolke dataene, det ser ud til, at mikrober kan gøre mere end oprindeligt antaget.

Hvor meget abiotisk metan?

"Vi ser nysgerrige biologiske fingeraftryk i prøver, der ellers ser ud til at have en abiotisk signatur, " siger Dr. Daniel. "Det ser ud til, at mikrober ved, hvordan man bruger disse abiotiske forbindelser som brændstof."

"Vi har tydelige og voksende beviser for abiotisk metan på Jorden. Hvad der ikke er klart er, hvor meget der er. Disse undersøgelser har fundet utrolig kompleksitet i måden metan produceres på, og disse kompleksiteter forbinder uorganisk og organisk kemi på Jorden på fascinerende måder."

Tilføjer Dr. Young:"Vi gik ind i dette projekt og troede, at vi vidste, hvordan abiotisk metan dannedes. Det, vi lærer, er, at det er meget mere kompliceret, og den største nøgle er brint. Med større forståelse for, hvordan klipper laver det brint, som metan stammer fra, og hvor hurtigt denne reaktion sker, vi vil være meget tættere på at vide, hvor meget metan der er på Jorden."

Jesse Ausubel fra Rockefeller University i New York bemærker, at den populære definition af "fossilt brændstof" ikke dækker abiotisk metan.

"Tusindvis af prøver fra mange omgivelser testet med superfølsomme instrumenter producerer et globalt billede af overflod og strømninger af dyb energi. Meget af de meget dybe kulbrinter er ikke konventionelt fossilt brændstof, som populært defineret."

Biotisk og abiotisk metans adfærd, det bør noteres, med hensyn til energiproduktion og emissioner ved forbrænding, er ikke til at skelne.

Vigtigste resultater til dato:

• Takket være nye instrumenter, forskere har identificeret nye isotopsignaturer i metan for at hjælpe med at bestemme dets herkomst - en umulighed for 10 år siden
• Serpentiniseringsreaktionen er bedre forstået og er en af ​​flere måder, hvorpå Jordens klipper producerer molekylært brint - en nøglekilde til geologisk energi til den dybe biosfære
• At brint reagerer med kuldioxid for at producere metan var længe kendt. Hvordan dette sker i jordskorpen, imidlertid, er meget kompleks, og mange andre organiske molekyler skabes som biprodukter i processen. Disse molekyler kan bruges af mikrober som fødekilde. De repræsenterer også spændende spor om livets oprindelse på Jorden, da disse organiske molekyler kan være forløbere for livets byggesten (f.eks. aminosyrer)
• Med lignende forhold og reaktioner sandsynligvis på andre planeter og måner (f.eks. undergrunden af ​​Mars eller på havbunden af ​​Enceladus), det styrker den potentielle identifikation af, hvor liv kan eksistere andre steder i universet
• Undersøgelser af serpentiniseringssystemer har fundet andre abiotiske kulbrinter ud over metan.

Fremtidige implikationer:

Disse undersøgelser af, hvordan abiotisk metan dannes på Jorden, er ikke slutningen på historien, men snarere begyndelsen.

De sidste 10 år har set transformationsændringer i vores forståelse af metans oprindelse på Jorden og dens afgørende rolle i at opretholde den dybe biosfære, give et indblik i de geologiske processer, der kunne have sat scenen for livet.

Med disse nye opdagelser, vi er klar til at svare på mange store spørgsmål, såsom:

• Hvor meget abiotisk metan bliver der produceret i Jorden?
• Hvor meget metan producerer mikroberne i Jordens dybe biosfære?
• Hvor meget indtager mikroberne?
• Hvad er bevægelser og skæbner for abiotisk metan? og
• Hvor opbevares abiotisk metan og hvor længe?

Succesen med projektets forskning har ikke kun ændret opfattelsen af ​​energiproduktion i den dybe jord, men også om, hvordan livet kan have fundet fodfæste på vores planet.

Og hvis abiotisk energi forekommer på Jorden, hvor sandsynligt er det, at lignende reaktioner og liv har fundet sted andre steder i kosmos?

Denne Deep Energy-forskning udgivet i dag er et resultat af Deep Carbon Observatory-programmet, som vil udsende sin endelige rapport i oktober 2019 efter et årtis arbejde fra et globalt samfund på mere end 1000 videnskabsmænd for bedre at forstå mængderne, bevægelser, formularer, og oprindelsen af ​​kulstof inde i Jorden.