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新技术有助于解开大自然的甲烷配方

寻找甲烷导致的问题多于答案 - 地质学和生物学一起工作以产生能量专家表示,对深层碳氢化合物的科学认识已经发生了变化,对可能催化和培育地球最早生命形式的能源获得了新的见解。

在过去的一百年里,科学家们详细研究了碳氢化合物 - 从地壳中的水库中吸取的“化石燃料”,如何为家庭,车辆和工业供热和供电 - 具有生物来源,源自埋藏的植物,动物和藻类。过去了。

但是对于某些碳氢化合物,特别是甲烷 - 天然气中无色,无味的主要成分 - 性质有许多配方,其中一些是“非生物的” - 不是源于史前生命的衰变,而是源于深层地质和化学过程的无机物。地球。

非生物碳氢化合物一直是深碳观测站计划的深能源社区的一个主要焦点 - 对地球最内部机密的10年探索,于10月结束。DCO专家认为甲烷的非生物来源解释了大部分不寻常的天然气,包括土耳其西南部Chimaera的火焰。

Chimaera并不位于早期时代腐烂的有机残留物产生的常规石油和天然气储层之上。然而,数千年的小火在这个山顶地点燃烧了数千年。对火焰的古老解释包括怪物的呼吸 - 部分狮子,部分山羊,部分蛇。科学原因不那么丰富:高度易燃的非生物甲烷和氢从地下深处升到地球表面。

Chimaera是迄今为止数百个已在20多个国家和几个深海地区发现非生物甲烷的地区中最具上镜和最着名的地方之一。罗马Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia的DCO合作者Giuseppe Etiope记录了Chimaera遗址和其他几个发现异常甲烷的环境,包括:

古代的前寒武纪盾牌 - 大陆核心的岩石形成于30亿年前在海底(例如,海洋中脊和bel气泥火山上和附近的高温通风口)在大陆(渗漏和超碱性泉水和含水层)。他指出,虽然在所有这些环境中存在不同的岩石类型,但许多发现都集中在具有特定的,适合类型的“超镁铁质”岩石的地方,例如橄榄岩(粗粒火成岩),包括在地块和蛇绿岩(岩石的集合体)中由海洋地壳和上地幔物质的潜艇喷发形成的)。

地球的非生物甲烷现在被认为主要是从经历“蛇纹石化”的超镁铁岩水合作用产生的氢化学中获得 - 这是一种水遇到矿物橄榄石时发生的反应。

氢还可以滋养甲烷的生物来源。DCO的研究人员记录了一个巨大的微生物生态系统 - 一个由氢供给的深层生物圈。许多深层微生物,称为产甲烷菌,代谢氢产生甲烷。

因此,深层生物圈构成了一个鸡蛋和鸡蛋的场景:首先是非生物甲烷还是微生物?如果首先出现非生物甲烷,就像显而易见的那样,它是否会产生地球上第一批微生物?如果微生物首先出现,他们如何以及为什么居住在几乎没有食物的地方呢?一个十年目标:理清地球上甲烷的来源

当深碳观测站项目于2009年开始时,DCO的深能源社区 - 现在由来自35个国家的230多名研究人员组成,设定了解决地球上甲烷来源的十年目标。有人假设不寻常的甲烷储层 - 即那些原产地不能生物的储层 - 必须通过周围岩石中发生的化学反应形成。

其他人则认为微生物有助于某些水库的甲烷产生,代谢氢气以完全不同的过程产生甲烷。其他人假设甲烷可能来自地球更深处,在上地幔中,并向表面扩散。(在莫斯科的Gubkin大学,研究员Vladimir Kutcherov正在领导实验,以测试在地球上地幔的实验室模拟高压条件下甲烷的产生)。

在其授权的早期,DCO决定投资新的分析仪器,以克服破译甲烷来源的一些限制。通过对仪器和众多现场样品的战略投资,DCO合作伙伴开始着手开发新的研究工具,以区分地球生物与非生物甲烷。

加州大学洛杉矶分校(UCLA),DCO深能社区联合负责人Edward Young说,2014年有三种新仪器上线,有可能改变深碳科学的面貌,并且没有让人失望。与法国里昂克劳德伯纳德大学里昂1的伊莎贝尔丹尼尔合作。利用质谱和吸收光谱的互补技术,加州大学洛杉矶分校,加利福尼亚理工学院,加州帕萨迪纳和马萨诸塞州麻省理工学院(麻省理工学院)的科学家正在分析天然甲烷样本,以更好地了解非生物甲烷的方式可能会产生。

“甲烷(CH4)分子看起来非常简单,仅由五个原子组成,”杨博士说。“氢和碳的稀有同位素偶尔会被纳入甲烷分子,然而这些'重'同位素的频率揭示了它们如何形成以及在什么温度下的秘密。”

具有特定诊断价值的甲烷分子含有一种以上“重”同位素(“结块同位素”)。这些分子非常罕见,只能通过具有极高质量分辨率,灵敏度和功率的仪器来区分。

DCO合作者使用从Chimaera,加拿大深矿,阿曼蛇绿岩,海底热液喷口和其他地点采集的气体样本,并对他们发现的东西感到惊讶。

虽然解释数据具有挑战性,但似乎微生物可能比原先想象的要做得更多。

多少非生物甲烷?

“我们在样品中看到了好奇的生物指纹,否则它们似乎具有非生物特征,”丹尼尔博士说。“微生物似乎知道如何使用这些非生物化合物作为燃料。”

“我们对地球上的非生物甲烷有明确且不断增长的证据。目前还不清楚有多少。这些研究发现甲烷的生成方式非常复杂,而且这些复杂性以迷人的方式将地球上的无机和有机化学联系起来。 “

Young博士补充说:“我们进入这个项目,认为我们知道甲烷是如何形成的。我们所学的是它更加复杂,最重要的是氢气。更好地理解岩石是如何形成氢气的。甲烷的来源,以及这种反应发生的速度,我们将更加了解地球上有多少甲烷。“

纽约洛克菲勒大学的Jesse Ausubel指出,“化石燃料”的流行定义并不包括非生物甲烷。

“使用超敏感仪器测试的数千个样本中的数千个样本正在生成深部能量丰度和通量的全局图。很多深层碳氢化合物并不像传统定义的那样是传统的化石燃料。”*

(*维基百科:“化石燃料是由自然过程形成的燃料,如埋藏死亡生物的厌氧分解,含有源自古代光合作用的能量。生物的年龄及其产生的化石燃料通常是数百万年,有时甚至超过6.5亿年。“http://bit.ly/2D2vAHK)

应该注意的是,在燃烧时的能量输出和排放方面,生物和非生物甲烷的行为是难以区分的。

迄今为止的主要发现:

由于采用了新的仪器,科学家已经确定了甲烷中的新同位素特征,以帮助确定其来源 - 这是10年前的不可能性

蛇纹石化反应被更好地理解,是地球岩石产生分子氢的几种方式之一 - 深层生物圈的地质能源的关键来源

人们早就知道氢气与二氧化碳反应产生甲烷。然而,在地壳中如何发生这种情况非常复杂,并且许多其他有机分子在此过程中被作为副产物产生。这些分子可被微生物用作食物来源。它们也代表了地球上生命起源的有趣线索,因为这些有机分子可能是生命构件的前体(如氨基酸)由于类似的条件和反应可能发生在其他行星和卫星上(例如,火星的地下或土卫二的海底),它可以加强对宇宙中其他地方生命可能存在的潜在认同对蛇纹石化系统的研究发现除甲烷外还有其他非生物碳氢化合物。

未来影响:这些关于非生物甲烷如何在地球上形成的调查不是故事的结束,而是开始。过去10年,我们对地球甲烷起源的理解发生了转变,并且在维持深层生物圈方面发挥了关键作用,让们可以看到可能为生命奠定基础的地质过程。通过这些新发现,我们准备回答许多重大问题,例如:

地球上产生了多少非生物甲烷?地球深部生物圈的微生物会产生多少甲烷?微生物消耗多少?什么是非生物甲烷的运动和命运?非生物甲烷在哪里储存多久?该项目研究的成功不仅改变了对地球深处能量生的看法,也改变了生命如何在我们的星球上找到立足点。如果地球上确实发生了非生物能量,宇宙中其他地方发生了类似的反应和生命的可能性有多大?

今天发布的深能量研究是深碳观测计划的结果,该计划将在一个由1000多名科学家组成的全球社区十年的工作之后于2019年10月发布其最终报告,以便更好地了解数量,运动,形式和地球内部碳的起源。

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