Uudet syväsukellustutkimukset Etelä-Atlantilla ovat paljastaneet, että rikkoutuneet laavakerrostumat merenpohjassa sitovat hiilidioksidia paljon ennakoitua enemmän. Nämä huokoiset kalliopinot, joita kutsutaan lava-breksioiksi, toimivat luonnollisina hiilimatoina, kun merivesi kulkeutuu niiden läpi ja aiheuttaa mineraalimuodostusta.

Miten merenpohjan rahkakerrokset muuttuvat pitkäaikaiseksi hiilivarastoksi

Kuvittele volcanisen toiminnan tuottamia kivilohkareita, jotka hiljalleen vyöryvät vedenalaisen vuoren rinteitä pitkin. Miljoonien vuosien aikana nämä fragmentit, eli breksiat, kulkeutuvat ja hautautuvat merenpohjaan. Kun merivesi suodattuu huokoisen kasan läpi, se reagoi vulkaanisen kiven kanssa ja laukaisee kemiallisia prosesseja, jotka lukitsevat CO2:n kiinteisiin mineraaleihin, erityisesti kalsiumkarbonaattiin.

Tämän prosessin hiilimäärien laskemiseksi Etelä-Atlantin syvyyksistä poratuista noin kuusikymmentä miljoonaa vuotta vanhoista kairanäytteistä analysoitiin runsaasti petrologisia ja geokemiallisia tietoja. Näytteet kerättiin International Ocean Discovery Program (IODP) -ohjelman Expedition 390:n aikana, mukaan lukien näytteidenotto U1557-porauspaikalta tutkimusalus Joides Resolutionin miehistön toimesta.

Tohtori Rosalind Coggon tutkii IODP Expedition 390:n aikana kairattuja näytteitä ylemmästä merenpohjan kuoresta. Kuva: Alyssa Stephens, IODP JRSO

Mitä poraukset paljastivat — ja miksi se yllätti tutkijat

Mineraloginen analyysi ja geokemialliset mittaukset osoittavat, että nämä breksia‑kerrostumat sisältävät kahdesta neljäänkymmeneen kertaisesti enemmän CO2:ta verrattuna aiemmin näytettyihin ehjiin laavavirtoihin. Syynä on breksian samanaikainen huokoisuus ja läpäisevyys: huokoset mahdollistavat meriveden kierron miljoonien vuosien ajan, jolloin karbonaattimineraalit saostuvat ja liikuttavat liuenneen epäorgaanisen hiilen kiinteään muotoon, käytännössä sementoiden murroskappaleet yhteen.

Tohtori Rosalind Coggon, tutkimuksen vastuullinen kirjoittaja ja Royal Society Research Fellow Southhamptonin yliopistossa, tiivistää löydöksen: 'Palautimme ensimmäiset kairanäytteet tästä materiaalista sen jälkeen, kun se on vuosikymmenien ajan ajelehtinut merenpohjalla. Nämä huokoiset ja läpäisevät kerrokset pystyvät varastoimaan suuria määriä meriveden sisältämää CO2:ta samalla, kun kalsiumkarbonaattimineraalit hitaasti sementoituvat ja lukitsevat hiilen.'

Tämä havainto oli merkittävä, koska aikaisempi hiilen varastointiarvio keskittyi pääosin ehjiin basalttisiin virtoihin ja niiden laajoihin, kerroksellisiin muotoutumiin. Breksia-alueet ovat heterogeenisiä ja paikallisesti syntyneitä rakeista koostuvia kerroksia, jotka olivat aiemmin alidiagnosoituja globaaleissa hiilen kiertomalleissa.

Tieteellinen konteksti: pitkäaikainen hiilikierto ja keskimeren harjut

Pitkäaikainen hiilikierto säätelee ilmakehän CO2‑tasoa geologisilla aikaskaaloilla vaihtamalla hiiltä Maan sisuksen, valtamerien ja ilmakehän välillä. Keskimeren harjut, joissa tektoniset levyt erkanevat ja uusi merenkuori muodostuu, tuottavat valtavia määriä basalttista kiveä. Uusi kuori jäähtyy ja halkeilee, jolloin merivesi pystyy tunkeutumaan kiveen ja käynnistämään reaktioita, jotka kuljettavat alkuaineita ja hiiltä meren ja litoksen välillä.

Aikaisemmin tutkimus on useimmiten keskittynyt kokonaisiin basalttisiin muodostumiin, kuten leveisiin virtoihin ja kerrosmuodostumiin, joissa muutosprosessit tunnetaan suhteellisen hyvin. Tämä tutkimus korostaa, että harjujen rinteillä eroosion ja sortumien seurauksena syntyvä breksia voi toimia merkittävänä, mutta aiemmin aliarvioituna hiilivarastona. Käytännössä breksia toimii sekä mekaanisena sienimäisenä säiliönä että kemiallisena reaktorina: merivesi tuo mukanaan liuenneen CO2:n, ja kertyvä mineraalisaostuma (karbonaatit) lukitsevat sen pitkäaikaisesti.

Tämän prosessin tehokkuuteen vaikuttavat useat tekijät: breksian huokoisuus (porosity), läpäisevyys (permeability), paikallinen vedenvirtauksen dynamiikka, poreveden kemia, lämpötila ja saatavilla olevat kationen lähteet kuten kalsium ja magneesi. Geokemialliset mittaukset, kuten vakaiden hiili‑ ja happi‑isotooppien analyysit, X‑röntgifiksaatio (XRD) ja elektronimikroskopia, auttavat tunnistamaan saostuneen karbonaatin tyypin (esim. kalsiitti tai aragoniitti) sekä arvioimaan mineralisaation ajoitusta ja lähteitä.

Tutkimusalus Joides Resolution. Kuva: Tohtori Rosalind Coggon

Merkitykset ilmastohistorialle ja hiilitalouksille

Se että breksia voi sitoa huomattavasti enemmän CO2:ta vaikuttaa geotieteilijöiden käsitykseen Maan kiinteän kuoren hiilivarastoista. Jos tällaiset kerrostumat ovat laajalle levinneitä, ne voivat muuttaa aiempia arvioita menneistä ilmakehän CO2‑pitoisuuksista ja tarkentaa malleja, jotka kuvaavat, miten Maa on säädellyt ilmastoaan syväaikaisilla prosesseilla. Tämä on oleellista erityisesti, kun vertaillaan harjujen tuliperäisen CO2‑päästön määriä ja valtamerten kykyä poistaa sekä geologisesti varastoida kyseistä hiiltä.

Paleoklimatologisesti tarkempi hiilivarastojen kartoitus voi vaikuttaa siihen, miten ilmastohistoria tulkitaan ja miten mallinnusparametreja asetetaan. Esimerkiksi mallissa, joka ennustaa ilmakehän CO2‑tasojen vaihtelua miljoonien vuosien aikana, huomio breksia‑reservoirien osuudesta saattaa pienentää erotusta vulkaanisten päästöjen ja geologisen poistuman välillä.

Lisäksi löydös tuottaa arvokasta vertailutietoa mahdollisille tuleville geologisen hiilidioksidin talteenoton (CCS, carbon capture and storage) strategioille. Luonnollinen prosessi — meriveden ohjaama mineralisaatio läpäisevässä kivessä — tarjoaa käytännön esimerkin tehokkaasta pitkäaikaisesta hiilen kiinnityksestä, ja voi tarjota teknisiä ja geokemiallisia vertailukohtia keinotekoisten injektiomenetelmien turvallisuusarvioihin.

Miten retkikunta toimi ja mitä näytteidenottoon sisältyi

  • Poraus ja kairanäytteiden ottaminen IODP:n Site U1557 -paikalta Expedition 390:n aikana, näytteidenotto ylemmästä merenkuoresta ja näihin liittyvistä breksia‑kerrostumista.
  • Petrografiset, mikrostruktuuriset ja geokemialliset analyysit, mukaan lukien karbonaattipitoisuuden kvantifiointi, vakaat isotoopit, XRD‑tutkimukset ja elementtianalyysit (esim. ICP‑MS), joiden perusteella CO2‑varaston määrä arvioitiin.
  • Vertailuarvio aiemmin analysoituihin ehjiin laavavirtoihin, jotta voitiin mitata hiilen lisäys breksia‑näytteissä (arvio 2–40‑kertainen).

Kairaus ja näytteenotto merellä vaativat tarkkaa porauslogistiikkaa ja näytteiden dokumentointia: stratigrafiset havainnot, poranäytenumerot, lämpötilatiedot, paikan GPS‑koordinaatit ja porauskerroksen visuaalinen luokittelu olivat kaikki keskeisiä osia, joista jatkoanalyysit lähtivät liikkeelle. Laboratoriokäsittelyssä huomioitiin mahdolliset meriveden vaikutukset, diagenesi ja huokosveden kemia, jotta saostumisen ajoitus ja prosessit pystyttiin erittelemään mahdollisimman luotettavasti.

Asiantuntijan näkökulma

'Tämä löytö täyttää tärkeän aukon merenpohjan hiilimäärien ymmärryksessä', toteaa tohtori Maya Singh, merigeokemisti Woods Hole Oceanographic Institutionista. 'Breksia‑kerrostumat ovat heterogeenisiä ja usein aliarvioituja, mutta niissä on laajoja huokosverkostoja, joissa mineralisaatio voi edetä geologisilla aikaskaaloilla. Kun ne otetaan huomioon globaaleissa hiilitalouksissa, saamme terävämmän kuvan Maan pitkän aikavälin ilmaston säätelystä.'

Tutkijat jatkavat merikuoren muutosten kartoittamista ja mineralisoituneen hiilen määrän kvantifiointia eri geologisissa ympäristöissä. Nämä breksia‑varastot muodostavat tärkeän palan kokonaiskuvaa — muistuttaen siitä, että pienet kivifragmentit voivat ajan ja kemian vaikutuksesta sitoa valtavia hiilimääriä.

Lisäksi tulevat IODP‑missiot ja vastaavat kansainväliset porausohjelmat tulevat laajentamaan näytteiden kattavuutta eri ikäisillä ja eri tyyppisillä harjualueilla, mikä antaa paremmat tilastolliset perusteet sille, kuinka laajalle levinneitä nämä korkean hiilipitoisuuden breksiat ovat. Geologisen tiedon kerääminen ja monitieteinen analyysi — yhdistäen paleontologian, geokemian, geofysiikan ja materiaalitieteen — on avainasemassa määritettäessä näiden kerrosten todellista merkitystä maailmanlaajuisessa hiilikierrossa.

Kun yhdistämme näytteistä saadut laboratoriotulokset globaalin merenpohjan kartoitukseen, voimme myös paremmin arvioida, miten nämä luonnolliset hiilivarastot ovat vaikuttaneet ilmaston muutoksiin syväaikaisesti ja miten ne voivat vaikuttaa nykyisiin ja tuleviin malleihin, jotka arvioivat hiilen lähteitä ja nieluja maapallolla.