El carbonato se precipita directamente del agua de mar
Cuando los científicos quieren estudiar el pasado geológico muy antiguo de la Tierra, generalmente hace más de 100 millones de años, a menudo recurren a rocas llamadas carbonatos.
Los carbonatos de calcio, las formas más ubicuas de carbonato, son minerales que precipitan del agua de mar y forman depósitos sedimentarios en capas en el fondo marino. Son comúnmente conocidos como piedra caliza. Más de 3.500 millones de años de la historia de la Tierra se registran en rocas carbonatadas.
Muchos científicos los usan para reconstruir historias de cambios en el clima y el pasado ciclo global del carbono, es decir, el proceso a través del cual el carbono viaja entre los océanos, la atmósfera, la biosfera y las rocas sólidas.
"Se puede aprender mucho de los carbonatos", dijo Emily Geyman, graduada de Princeton en geociencias en 2019 y autora principal de un artículo publicado el 8 de noviembre en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). El documento fue el resultado de la investigación de tesis de alto nivel de Geyman en la que investigó la composición química de los carbonatos y cómo estos carbonatos registran el ciclo del carbono.
"Lo que hace que los carbonatos sean especialmente útiles en lugar de algo como una arenisca", dijo Geyman, "es que el carbonato se precipita directamente del agua del mar, por lo que la idea es que la química de los carbonatos, que podemos medir, nos dirá algo sobre el antiguo océano".
Pero no todos los carbonatos se conservan en el registro geológico. Los carbonatos de aguas profundas, por ejemplo, generalmente se subducen, por lo que los científicos a menudo recurren a los carbonatos que se acumulan en las plataformas continentales poco profundas. El problema, sin embargo, es que los científicos aún no saben lo suficiente sobre cómo las propiedades como la química del océano, la temperatura del océano, la energía de las olas y la profundidad del agua se traducen en el registro del carbonato poco profundo.
Ahora, sin embargo, los investigadores de Princeton están trabajando para abordar esta cuestión.
"Nadie había visto realmente el equivalente de estas antiguas calizas que se están formando hoy y entendió la traducción", dijo Adam Maloof, profesor de geociencias que colaboró en el artículo con Geyman. "Es como tratar de traducir textos antiguos sin la piedra Rosetta. Necesitábamos nuestra piedra Rosetta".
Los investigadores no solo encontraron su Piedra Rosetta en forma de una innovadora hipótesis, sino que sus hallazgos desafían la lógica convencional sobre el uso de carbonatos para reconstruir los pasados ciclos de carbono globales.
"Una de las medidas más comunes que hacemos a partir de carbonatos antiguos es la composición de isótopos de carbono", dijo Geyman. "Y vinculamos la composición de isótopos de carbono con perturbaciones globales en el ciclo del carbono".
Estudiar los isótopos antiguos, diferentes formas del mismo elemento, es clave para comprender cuánto y por qué ha cambiado en el pasado el ciclo global del carbono de la Tierra. Esto es crucial porque el ciclo del carbono actúa como un termostato para regular la temperatura de la Tierra, dijo Maloof. Comprender cómo funciona este termostato nos ayudará a predecir el futuro cambio climático.
Su investigación los llevó a la isla de Andros en las Bahamas, una isla grande y casi deshabitada situada en el Great Bahama Bank.
Las Bahamas son un gran lugar para estudiar el antiguo pasado geológico de la Tierra. "Durante gran parte de la historia de la Tierra", dijo Geyman, "gran parte de la superficie de la Tierra se parecía a las Bahamas de hoy".
El objetivo era comprender cómo la química del agua controla la química de la roca, básicamente, cómo se registran los isótopos de carbono en entornos contemporáneos y lo que esto podría decir sobre el pasado ciclo del carbono.
"Si quieres descubrir cómo era la química del nivel del mar y del agua del mar al observar los antiguos carbonatos", dijo Geyman, "tienes que ir al análogo moderno y preguntar '¿cómo se forman los carbonatos modernos en este momento de acuerdo con la química oceánica actual y el nivel actual del mar?'".
Lo que encontraron, y lo que estudios previos han demostrado, fue que estaba sucediendo algo extraño en el sedimento de las Bahamas. La piedra caliza que se formaba allí tenía carbono-13 que parecía demasiado alto en comparación con el plancton unicelular que flotaba por todo el océano abierto.
Un gran porcentaje de carbonatos antiguos también demuestran este carbono-13 anormalmente alto. Si se asume que esto refleja las condiciones oceánicas globales, Maloof señaló: "Está atrapado haciendo drásticas inferencias sobre grandes cambios en el ciclo del carbono".
En cambio, Geyman y Maloof idearon una hipótesis que llaman el "motor diurno del ciclo del carbono". Como su nombre lo indica, el proceso implica un ciclo de 24 horas. Cuando el sol brilla durante el día, las plantas acuáticas extraen del agua carbono-12 a través del proceso de fotosíntesis y lo utilizan para hacer material vegetal. Debido a que las plantas toman preferentemente carbono-12, el carbono restante en el agua se enriquece con carbono-13.
El componente esencial en este proceso es que la piedra caliza se forma más rápido durante el pico del día cuando ocurre la fotosíntesis porque la fotosíntesis hace que el agua esté más saturada con carbonato de calcio. Por la noche, la fotosíntesis da paso a la respiración aeróbica y el carbono secuestrado en el tejido de las plantas se devuelve al agua.
Pero la formación de piedra caliza "casi no tiene registro" de noche, dijo Maloof, porque hay muy poca precipitación. Si la precipitación ocurriera igualmente durante la noche, el nivel promedio de carbono-13 sería normal porque el carbono-12 sería introducido nuevamente en el sistema.
Este proceso, afirman los investigadores, solo puede ocurrir cuando el agua es suficientemente poco profunda y protegida en desniveles y plataformas continentales como las Bahamas. El mismo proceso diurno ocurre en el océano abierto, pero el movimiento de las olas se mezcla constantemente y trae agua nueva para que el carbono-13 nunca suba a tales extremos.
La particular forma en que los sedimentos de las Bahamas absorben los carbonatos de calcio del agua de mar complica la imagen del uso de calizas antiguas para registrar un ciclo global de carbono. No se puede suponer que hubo un proceso único y uniforme de ciclo del carbono que caracterizó el pasado, dijo Maloof.
"Estamos utilizando un análogo moderno para estudiar el pasado", agregó Geyman, "y el pasado es la clave en muchos aspectos para comprender el futuro".
El documento, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen", por Emily Geyman y Adam Maloof, se publicó en línea el 8 de noviembre en Proceedings of the National Academy of Sciences.
