Afkodning af Lake Matoakas sedimentelle historie om antropocæn

Regionen omkring Mississippi River-byen Galena, Illinois, løb på bly i mere end et århundrede.

Byen tog sit navn fra den lokale overflod af den naturlige mineralske form for bly. Ved midten af ​​det 19. århundrede, Galena-området udvindede og raffinerede 80 procent af det bly produceret i USA. Galena bly endte i alt fra farvede ruder til kugler.

Beviser for Galenas blyproduktion er dukket op næsten 200 år senere og omkring 800 miles væk i, hvad der kan virke som et usandsynligt sted:Lake Matoaka på William &Marys campus.

Men det viser sig, at Lake Matoaka er et geologisk ideelt depot af atmosfæriske partikler. Et team af William &Mary-geologer ledet af Jim Kaste og Nick Balascio har udvundet tidskapsel-sedimentet fra Lake Matoaka for at finde beviser, der sporer udviklingen af ​​den industrielle revolution og automobilens tidsalder. Deres data giver indsigt om klimaændringer og kaster endda lys over nogle tomme felter i den lokale historiske optegnelse.

Det plejede at være Archers Hope Swamp

"Matoaka er lidt af et interessant eksemplar, fordi det har en meget tidlig dannelsesdato, som vi tror er omkring 1700, " sagde Balascio. Deponeringen var oprindeligt kendt som Ludwell's Mill Pond, skabt ved opdæmning af et vådområde kendt som Archer's Hope Swamp. Balascio, en adjunkt ved Institut for Geologi, tilføjede, at ud over alderen, områdets ejendommelige geologi gør Matoaka-søen til en geoarkæologisk guldmine, i overført betydning.

"Det er også inden for kystsletten, hvilket betyder let eroderet grundfjeld. Så sedimentationsraterne i Matoaka er virkelig ret høje, " sagde Balascio. "Det giver os mulighed for at løse tidligere miljøændringer og forureningshistorie i en virkelig høj opløsning."

Deres Matoaka-boringer har registreret meget mere end blysmeltningerne af Galena, tilbyder ikke mindre end en sedimentel rejse gennem det østlige nordamerikanske antropocæn. De offentliggjorde deres geoarkæologiske fund i tidsskriftet Antropocæn med en hel William &Mary-liste af medforfattere:Keck Lab-direktør Randy Chambers, Meredith Meyer, en forsknings- og laboratoriespecialist hos VIMS; og eleverne Madison Renshaw '18 og Kassandra Smith '17.

Det antropocæne papir er på ingen måde det sidste ord om emnet. Matoaka-kernen er et igangværende projekt og har givet en strøm af emner til studerende på Institut for Geologi.

"Vi har fået elever til at plukke gennem sedimentet centimeter for centimeter, sagde Kaste.

"Vi har lavet fire eller fem bachelorafhandlinger om sedimentet af Lake Matoaka, " tilføjede Balascio. "Hver elev har set på en individuel måling, og vi har på en måde integreret dem gennem årene."

SPC'er:Et levn fra kulbrande

En af disse studerende er Kayla Cahoon '18, som holdt en præsentation ved en frokostsamling af fakultet og studerende tilknyttet William &Mary's Environmental Science &Policy-program. Hendes individuelle måling var små bits kendt som sfæroide kulstofholdige partikler, eller SPC'er.

"De kommer fra afbrænding af kul. Når du brænder kul, sker der to hovedting. Der er de ting, der er tilbage i bunden af ​​ovnen, som kaldes kulaske, " forklarede Cahoon. "Og så er der partiklerne, der kommer op gennem aftrækket og ind i atmosfæren. Det er det, der er kendt som flyveaske."

Hun fortsatte med at sige, at SCP'er repræsenterer fem til ti procent af al flyveaske fra enhver brændende kulkilde. Drivende flyveaske - og de SCP'er den indeholder - kan drive i atmosfæren hvor som helst fra en kilometer til tusindvis af kilometer fra kilden, sagde Cahoon.

Cahoon studerede en kerne af Lake Matoaka, der nåede tilbage til det tidspunkt, hvor dæmningen først blev bygget. Hun forberedte sin kerneprøve i en række kaustiske bade - salpetersyre, brintoverilte, flussyre og saltsyre.

"Jeg ville æde alt snavs og mudder og ting for kun at efterlade disse kulstofpartikler, " sagde hun. "Så monterede jeg dem på rutsjebaner og brugte timer på at tælle. Op og ned og op og ned for hver dias."

SPC'er er, gennemsnitlig, mellem 20 og 30 mikron i størrelse. Cahoon undersøgte hendes objektglas på et scanningselektronmikroskop i William &Mary's Integrated Science Center, men hendes arbejdshestinstrument var et kikkert reflekterende mikroskop.

Sammenligning af toppe og fald med historiske optegnelser

Cahoon og hendes andre geoarkæologiske forskere tæller disse stykker forurening, så de kan sammenligne den relative mængde af partikler fra kernerne med historiske optegnelser. I Cahoons tilfælde så hun et højdepunkt i SCP'erne, der svarede til begyndelsen af ​​den amerikanske borgerkrig i 1861. Der var et endnu større højdepunkt fra omkring 1914 i 1918, svarende til 1. Verdenskrig.

"Det var dengang, tog og fly og biler virkelig kom i gang, og vi så en virkelig stor stigning i fossile brændstoffer, " sagde hun. Hun fandt en anden stigning, svarende til begyndelsen af ​​Anden Verdenskrig - flere tog og fly og biler.

Og der var fald. Cahoon sagde, at den første nationale lovgivning om CO2-udledning trådte i kraft i 1973, registreret i sedimentet af Lake Matoaka som et fald i SCP'er. Endnu et SCP-fald blev registreret i 1993, da kulstofpartiklerne på kulfyrede kraftværker begyndte at blive fanget i røggasskrubbere og deponeret på lossepladser.

Alle disse toppe og dale dukker op i andre undersøgelser af sedimentkerner, men Cahoon sagde, at hun fandt noget tættere på hjemmet. Noget hun ikke havde set i sin omfattende gennemgang af litteraturen.

"Jeg fandt et højdepunkt i slutningen af ​​1700-tallet, som er i overensstemmelse med uafhængighedskrigen og også med væksten i Williamsburg, " sagde hun. "Ingen andre havde dette i litteraturen. Ingen andre havde nogen form for SCP-partikelindsamling før 1830 eller deromkring."

"Jeg begyndte virkelig at grave i det historiske aspekt af dette. Jeg fandt nogle ting, som vi alle ved, " sagde Cahoon. "I 1699, Williamsburg blev hovedstaden i Virginia, og det var her indtil 1780.

"Men det var ikke kun den politiske kapital, det var også den industrielle hovedstad, " fortsatte hun. "Der skete en stor mængde industri her i Williamsburg. Den primære var James Anderson Armory."

James Anderson Armory, eller en genskabt version af det, er i drift i Colonial Williamsburg. Cahoon interviewede Ken Schwartz, smedmester på anlægget, og tog også prøver fra deres smedebrande og røgkanaler. Anderson Armory i det tidlige 18. århundrede var et sted med betydelig aktivitet.

"Vi ved, at fra 1765 til 1780, han kørte otte smedjer om dagen i 18 timer om dagen, " sagde hun. "Alle brændende kul. Så det, vi indså, er, at vi har en virkelig unik historie om brug af fossilt brændstof længe før begyndelsen af ​​den industrielle revolution. Før alle fabrikkerne. Før alle togene ankom."

Gårsdagens forurening =dagens datapunkter

Fortidens forurenende stoffer er nutidens datapunkter. Arkivsedimentet i Matoaka-søen har registreret mere end SCP'er. Kaste er lektor i geologiafdelingen og fungerer i øjeblikket som direktør for William &Mary's Environmental Science &Policy Program. Han forklarede, at bly og kviksølv er yderligere biprodukter ved kulforbrænding.

"Så hvor du har SCP'er, du kan forvente at have de tungmetalforurenende stoffer – det er utroligt, hvor tæt disse data matcher SCP-data, " han sagde.

Men, kviksølv kommer ind i miljøet fra andre kilder end afbrænding af kul. Et elevprojekt så på kviksølv, og Kaste sagde, at de fandt en kviksølvtop lige før 1900. Det var et levn fra tidens mønt.

"Der var en masse sølvminedrift i USA i 1880 til 1890, han sagde. "Når du henter sølv eller bly, du henter kviksølv ved et uheld, fordi de er forbundet med den samme stentype. Så når du laver sølvmine, du ender med at udsende en masse kviksølv i atmosfæren."

Blyets historiefortælle kemiske signatur

Ligesom kviksølv, bly kommer ind i miljøet fra en række kilder ud over kulbrande. Blypartikler fremstilles også ved smeltning af bly, selvfølgelig. Kaste sagde, at sedimentkernerne afslørede en konsekvent stigning i blykoncentrationen fra 1700 til 1750, i overensstemmelse med Williamsburgs industrielle vækst i kolonitiden.

"Det interessante er, at du ser et fald lige efter den amerikanske revolution, " sagde han. "Dette stemmer overens med historiske optegnelser, der tyder på, at Williamsburg på en måde faldt fra, efter at hovedstaden blev flyttet til Richmond."

En anden top dukkede op omkring 1860, i overensstemmelse med toppen af ​​Galena lead-industrien. Kaste forklarede, at de kan kende forskel på bly fra et smelteværk og bly fra en kulbrand eller andre kilder. (Kviksølv har lignende diagnostiske kemiske signaturer.)

"Bly har forskellige isotopiske signaturer, " sagde han. "Der er bly 206, 207, 208. Kul, for eksempel, er beriget med bly 207, hvorimod forvitring af sedimenter er beriget i en anden isotop."

Deres sofistikerede kemiske analyse kan også afsløre kilden til smeltet blymalm. Kaste sagde, at blymalmen fra Galena-regionen har en meget karakteristisk kemisk signatur. Den øvre del af Midtvestens malmlegeme, der fodrede Galena-smelteværkerne, blev til sidst udvundet, og Kaste, Balascio og deres elever var i stand til at spore tilbagegangen af ​​Galena-bly i deres Matoaka-boringer. Men bly kom tilbage.

"Vi ser Anden Verdenskrig - et stort spring lige omkring 1942, " sagde Kaste. "Det vil være fra blyminedrift forbundet med at lave alle kuglerne til krigsindsatsen. Minedriften der var for det meste ude i Idaho."

Efter krigen sagde Kaste, at der var et lille fald, og så gik Amerika ind i en æra, han kaldte "peak lead".

"I 1960'erne, vi bruger bly i benzin. Hver gang du fyldte din tank, du putter tetraethylbly i din benzintank, " sagde Kaste. "Og når du så trykkede på speederen og brændte gas, ledningen gik ud af dit udstødningsrør, og det gik op og bevægede sig omkring et par hundrede miles og kom så ned igen, når det regnede."

Og vedtagelsen af ​​lovgivning om ren luft i 1977 og fremkomsten af ​​blyfri benzin blev behørigt bemærket af en ret pludselig forsvinden af ​​visse blyisotoper i Matoaka-søens sediment.

"Når jeg underviser i indledende miljøvidenskab og -politik, I like to use this as an example of legislation that worked, " Kaste said. "You can see this in ice cores, you can see this in lake sediments. Once we made the lead illegal to put in gasoline, the atmosphere got cleaned up pretty quickly."