Rost rzeźniczy i paleoklimatyczne proxy

Od deszczu do kamienia: chemia rzeźniczego

Historia speleotemu zaczyna się daleko nad jaskinią, na powierzchni, gdzie pada deszcz. Gdy woda przepływa przez warstwę gleby, przechodzi przez warstwę bogatą w rozkładające się materiały organiczne i korzenie roślin, które zasypiają gazy dwutlenku węgla w koncentracjach często dziesięciokrotnie lub sto-krotnie wyższych niż w otwartym atmosferze. Niektóre z tych gazów dwutlenku węgla rozpuszczają się w przepływającej wodzie, a raz rozpuszczona reaguje z molekulami wody, tworząc kwas karbonatowy, słabej, ale trwałe kwas. Ta kwasowana woda kontynuuje swój dół do kamiennej warstwy limy, kamienia składanego prawie całkowicie ze związków kalorychnych. Kwas karbonatowy wolno rozpuszcza limę poprzez reakcję, która wydzielając kationy kalorychne i bicarbonate, wprowadza je do rozwiązania, proces, który geolodzy nazywają dissolucją. Woda, teraz przepychana przez związków kalorychnych i bicarbonate, kontynuuje się w szczelinkach i rysach, aż grawitacja sprowadza ją do otworu jaskiniowego. Tutaj chemia odwraca się. Powietrze jaskiinie zwykle zawiera znacznie mniej dwutlenku węgla niż woda glebowa, przez którą just przeszła kropla, więc jak tylko kropla jest wydana na powierzchnię powietrza jaskiniowego, rozpuszczony dwutlenek węglowy zaczyna uciekać, czyli degasować się z wody, podobnie jak bąbelki uciekają z otwartego butelki sodowej. Stracenie dwutlenu węglowego przesuwa równowagę chemiczną kropli, a aby odzyskać równowagę, woda zdejmie niektóre ze swoich rozpuszczonych kalorychnych i bicarbonatej przez depozycję sól calcytu, formy krystaliyny związków kalorychnych, tworzącej większość speleotemów. Tylko bardzo cienka warstwa calcytu jest depozytowana z każdej pojedynczej kropli, ale pomnożona przez tysiące lub miliony kropel pośród wieków, ta warstwą po warstwie akumulacja wolno buduje formacje mineralne o rozmiarach od centymetrów do metrów. Szybkość wzrostu zależy od wielu czynników, w tym od prędkości spadkowej, ilości dostępnych związków kalorychnych, wilgotności jaskini i temperatury, dlatego szybkości wzrostu speleotemów się znacznie różnią między jaskiniami, a nawet między innymi formacjami w tej samej jaskini.

Stalactity i stalagmity oraz kształty, które woda tworzy

Nie każdy speleotemma rosnie w tym samym miejscu ani w tej samej formie, ponieważ geometria spływającej wody wyznacza dwa bardzo różne sposoby wzrostu. Stalactity tworzą bezpośrednio tam, gdzie kropelka wody występuje z otworu lub porki na suficie jaskini. Zanim kropelka spadnie, cienka warstwa wody przylega do powierzchni sufitu i natychmiast zaczyna oddechowanie dwutlenku węgla, co prowadzi do syknięcia krystalu karbonatu wokół punktu, w którym kropelka ostatecznie się oddzieli. Przez czas ten sykńce tworzą puste, strzyżaste pudełko, a gdy bogata w minerały woda nadal pokrywa jego zewnętrzne powierzchnie, pudełko przytłumia i staje się zapoznane icelicy stawka stalactity, zawsze rosnąca w dół, zawsze skierowana ku kropce spadającej. Stalagmity, na odwrót, tworzą bezpośrednio na podłodze jaskini poniżej punktu stalactity lub otworu sufitowego, budowane z splasha i zbiórki kropli, które już spadły. Każda kropelka, która osiągnie podłogę, straci trochę więcej dwutlenku węgla i zdeponuje kolejną mikroskopijną warstwę karbonatu na formacji podłogowej, dlatego stalagmity rosną w górę, zazwyczaj z szerszym, bardziej owalnym profilowaniem niż ich odpowiedniki montowane na sufitie, ponieważ spadająca woda rozszerza się lekko przy uderzeniu. Prosta technika pamięci wydaje się odmierzać te dwie formy: stalactity trzymają się sufitu, podczas gdy stalagmity mogą jednego dnia dorastać do niego. Gdy stalactity i stalagmity poniżej nich ostatecznie spotkają się, połączą się w pojedyncze kolumny od podłogi do sufitu. Poza tymi dwoma klasykami form, systemy jaskinie również hostują foliały przepływowe, które lśnią nad ścianami, gdzie woda spływa jako film zamiast dyskretnych kropli, delikatne strzyże karbonatu sodowego i inne odmiany speleotemmów, wszystkie budowane na tej samej podstawowej chemii oddechowania i syknięcia, ale kształtowane przez to, jak woda rzeczywiście porusza się przez komorę. Niezależnie od kształtu, każda aktywnie rosnąca speleotema depozituje karbonat w sekwencji, najstarszy materiał na środku lub podstawie, najmłodszy na zewnętrznej rosnącej krawędzi, co dokładnie sprawia, że są przydatne jako warstwowe archiwa klimatyczne, a nie tylko ciekawe formacje kamienne.

Czytanie warstw rosnącej jak pęcherzowce

Jedną z najbardziej wyraźnych cech wielu speleotemów jest widoczne bandowanie, alternujące warstwy jasne i ciemne kalcytu, które można liczyć podobnie jak anulki drzewiastej gałęzi. Te warstwy często powstają ze względu na to, że prąd wody w skaju, chemia wody oraz ilość organicznych substancji przyniesionych z gleby powyżej wszystko się zmienia zgodnie z sezonami, szczególnie w klimatach o wyraźnym okresie wilgotnym i suchym. W trakcie mokrych miesięcy szybszy prąd wody i inne zawory elementów trwałości mogą prowadzić do powstania kalcytu z odmienną strukturą krystaliczną lub kolorem w porównaniu do kalcytu zdeponowanego podczas wolniejszych, suchych miesięcy. Tworzą to widoczne lub mikroskopijnie wykrywalne parętki reprezentujące około jeden rok wzrostu. Warto zaznaczyć, że to bandowanie nie jest uniwersalne ani zawsze dokładnie roczne; szybkość wzrostu i jasność warstw zależy od lokalnego klimatu, ventilacji skaju oraz specyficznego hidrologii dostarczającej kałużę. Dlatego naukowcy walidują chronologie bandów przeciwko metodom datowania niezależnymami zamiast założyć, że każda warstwa reprezentuje dokładnie jedno rok. Gdzie jest jasne roczne bandowanie, oferuje to mocny wewnętrzny zegar, pozwalający badaczom liczyć warstwy między dwoma punktami datowanymi i interpolować wieku z rozstrzyganiem do poniżej rocznego, podobnie jak dendrochronolodzy liczą anulki drzew. Nawet bez widocznych band, podstawowa zasada zachodzi dla prawie wszystkich speleotemów: ponieważ materiał jest zdeponowany od krawędzi lub powierzchni rosnącej w strukturze czasu, starszy kalcyt zawsze leży pod lub za młodym. Prosty porządkowanie stratigraficzne oznacza, że pojedynczy stalagmit, skrojony i polerowany pośród swojej osi wzrostowej, może ukryć ciągły, nieprzerwany czasownik chemicznych warunków trwający tysiące lub nawet setki tysięcy lat, ograniczony głównie przez to, ile dłużej pozostawała aktywna kałuża i ile materiału zacumowała się przed tym, jak forma została zebrana do badań.

Oxydany izotopy: Sygnał Zawierania Deszczowego

Najbardziej wartościowym źródłem informacji klimatycznych zapisanym w calcycie rzeźniczym jest stały stosunek izotopów oksydów, konkretnie proporcja atomu oksydu cięższego 18O w porównaniu do znacznie częstszej i lżejszej 16O, zazwyczaj wyrażana jako wartość nazywana deltą 18-O. Ten stosunek ma znaczenie, ponieważ jest bezpośrednio dziedziczone od atomów oksydów w wodzie deszczowej, która w końcu stała się wodą kroczącą w jaskini, a skład izotopowy wody deszczowej jest kontrolowany przez przewidziane procesy fizyczne. Gdy wilgotne maszyny powietrza poruszają się z oceanu ku siedzisku jaskini, molekyły wodnej zawierające atom 18O cięższy kondensują i padają jako deszcz o nieco większej intensywności niż molekuły zawierające 16O lżejsze, zjawisko nazywane izotopową frakcjonacją. To oznacza, że deszczowa woda staje się stopniowo uboga w 18O, gdy maszyna powietrza chłodzi się, porusza dalej od źródła wilgotności lub gdy ogólna ilość opadów zwiększa się, dlatego deszcze monsunowe ciężkie często mają znacznie lżejszy i ubogie w 18O sygnaturę niż lekkie, rozproszone deszcze. Ponieważ calcyc pojawiający się w komorze jaskini dziedziczy stosunek izotopów oksydów, który jest systematycznie powiązany z proporcją wodnego kroczącego, dostosowanym do temperatury procesem frakcjonacji podczas opadu, każda warstwa wzrostu efektywnie fosilizuje informacje o temperatura i warunkach deszczu, gdy została ona tworzone. W praktyce badacze bąbelkują lub usuwają serię małych próbek calcycy wzdłuż osi wzrostu rzeźniczy, od najstarszych do najmłodszych, pomiar proporcji izotopów oksydów w każdej z nich i narysowują wyniki jako ciągowa krzywa w czasie. Przenosiny w stosunku 18O lżejszym lub cięższym przez całe przedstawienie można następnie interpretować, przy użyciu regionalnej kalibracji, jako sygnały intensywności monsunu, przesunięć regionu źródła wilgotności lub bardziej ogólnych trendów temperaturowych, co czyni pojedynczą dobrze badaną stalagmitę zdolną do odsłonięcia zakończeń okresów lodowcowych, nagle przestojów monsunowych lub stałe deszcze trwające wieki.

Datauranio-thorium: Ustalanie Precyzyjnych Wieków

Krzywa izotopowa jest tylko taka użyteczna, jak długość linii czasowej dołączona do niej, a to jest tam, gdzie datauranio-thorium przekształca rzeźnice w jedne z najlepiej datowanych arcywów klimatycznych kontynentalnych dostępnych dla nauki. Gdy kalkyt depreszuje z wody spadkowej w jaskini, niewielkie ilości uranu rozpuszczonych w wodzie są włączane do rosnącego siatkowca krystaliowego, podczas gdy thorium jest prawie wykluczane, ponieważ nie rozpuszcza się łatwo w naturalnej wodzie w większości warunków. To oznacza, że każda nowo zdepreszowana warstwa kalkytu zawiera mierzalne ilości uranu, ale prawie zero thorium. Od chwili depreszowania dalej, jedna isotope uranu, uran-234, doznaje wolnego rozkładu radioaktwnego w thorium-230 na znanej i ustalonej szybkości. Ponieważ początkowa ilość thorium-230 była prawie zerem, mierzenie ile thorium-230 zacumulowała się w stosunku do pozostającego uranu w danym próby kalkytu dostarcza bezpośredni i obliczalny wiek dla tej warstwy, niezależnie od jakichkolwiek założeń dotyczących szybkości wzrostu ani liczenia pasm. Ta metoda wiarygodnie datuje kalkyt rzeźniczy od kilku lat do około 600 tysięcy lat, zakres, który pokrywa większość pytań paleoklimatologów dotyczące cyklów zimnych i nowożytnych historii klimatu. Przedstawiając wiek wielu punktów longitudynarnych osi wzrostu pojedynczej rzeźnice, badacze budują model wieku umożliwiający przypisanie precyzyjnego wieku kalendariowego do każdego pomiaru izotopu tlenu między nimi. Taka dokładność wiekowa, często lepsza niż jedno procent wieku próby, jest to, co pozwala na bezpośrednie porównanie i sprawdzenie rejestrow rzeźniczych z innymi arcywami paleoklimatycznymi, takimi jak korei lodu północnych, korei sedimentów morskich i kroniki pierwiastków drzew, pomagając w ustaleniu dokładnie, jak i kiedy nagle zmiany klimatyczne rozprzestrzeniły się po całym świecie. Ta kombinacja ciągłego rejestru chemicznego i niezależnej, bardzo dokładnej metody datowania jest to, dlaczego rzeźnice stały się niezmiernie przydatnymi narzędziami do odtwarzania historii klimatu Ziemi.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Speleothem Growth and Paleoclimate Proxies i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.