Przeglądowy artykuł naukowy pt. „Advances and challenges in palaeoenvironmental studies based on oxygen isotope composition of skeletal carbonates and phosphates” poświęcony badaniom składu izotopowego tlenu i ich wykorzystaniu w paleoklimatologii, a także syntezie opublikowanych informacji pochodzących z literatury naukowej obejmującej m. in. opis i dyskusję metod określania stanu zachowania skamieniałości, równań paleotemperaturowych (wraz z kalkulatorami izotopowymi), efektów życiowych i siedliskowych organizmów, wpływu zmian głębokości i zasolenia na zapis izotopowy, a także nowatorskich metod badawczych (mikroprofilowania składu izotopowego skamieniałości i metodę tzw. „clumped isotopes”) został opublikowany w czasopiśmie Geosciences przez pracownika PIG–PIB prof. dr hab. Huberta Wierzbowskiego (Wierzbowski, 2021).
Praca, chociaż opublikowana dopiero w listopadzie 2021 roku, zyskała już uznanie w środowisku naukowym, co odzwierciedla się w ponad 800 wyświetleniach jej tekstu oraz nagrodzie przyznanej 15 marca 2022 r. przez czasopismo Geosciences, za najlepszy artykuł roku (ex aequo z drugim artykułem; por. https://www.mdpi.com/journal/geosciences/awards/1696).
Artykuł dostarcza szeregu istotnych informacji o metodyce badań i interpretacji składu izotopowego tlenu skamieniałości, przedstawiając całokształt problematyki z tym związanej, włączając w to aspekt praktyczny sposobu wykorzystania informacji pochodzących z określonego typu skamieniałości, czy środowiska kopalnego.
Badania paleoklimatyczne i paleośrodowiskowe prowadzone w oparciu o analizy składu izotopów trwałych tlenu (stosunek zawartości izotopów 18O do 16O) morskich skamieniałości węglanowych i fosforanowych są szeroko rozpowszechnione w geologii począwszy od lat 70-tych 20-tego wieku. Są one możliwie dzięki znacznej zależności składu izotopowego tlenu minerałów wytrąconych w równowadze izotopowej z wodą morską, w tym budujących szkielety organizmów, od temperatury.
Zależności te zostały określone po raz pierwszy eksperymentalnie dla węglanu wapnia (kalcytu i aragonitu) i fosforanu wapnia (apatytu) przez Epsteina i in. (1951, 1953) oraz Longinelli’ego i in. (1973) i Kolodny’ego i in. (1983). Badania paleoklimatyczne i paleośrodowiskowe prowadzone w oparciu o skład izotopowy tlenu morskich skamieniałości węglanowych i fosforanowych (muszle małży i głowonogów, zęby kręgowców) i mikroskamieniałości (skorupki otwornic, elementy konodontowe; Ryc. 1) umożliwiają określenie temperatury dawnych mórz (począwszy od wczesnego paleozoiku), zróżnicowania temperatur w kolumnie wody, ekologii wymarłych organizmów oraz krótko- i długookresowych zmian klimatycznych (Ryc. 2).
Ryc.1. Skamieniałości wykorzystywane w badaniach izotopowych
Przekrój przez muszlę kopalnej ostrygi (górna jura, odsłonięcie Owadów-Brzezinki, Polska) zbudowanej z węglanu wapnia (kalcytu); przyrosty strefy zawiasowej muszli (po lewej) zostały nawiercone w celu pobrania próbek na mikroprofilowania izotopowe
Rostrum kopalnego głowonoga z grupy belemnitów (środkowa jura, odsłonięcie Mikhailovtsement, Rosja) zbudowane z węglanu wapnia (kalcyt)
Skorupka kopalnej otwornicy (górna kreda, odsłonięcie Mielnik, Polska) zbudowana z węglanu wapnia (kalcyt); zdjęcie wykonano przy użyciu mikroskopu skaningowego
Element konodontowy (górny dewon, odsłonięcie Ostrówka, Polska) zbudowany z fosforanu wapnia (apatytu); zdjęcie wykonano przy użyciu mikroskopu skaningowego
Ryc.2. Zmiany temperatury wody i głębokości zbiornika morskiego rozwiniętego na obszarze Polski środkowej (Wyżyna Krakowsko-Częstochowska, Wyżyna Wieluńska), w środkowej i późnej jurze, kalkulowane w oparciu o skład izotopowy tlenu rostrów wymarłych głowonogów z grupy belemnitów (kompilacja danych z prac: Wierzbowski, 2002, 2015; Wierzbowski i Joachimski, 2007; Wierzbowski i in. 2009). Obserwowane zmiany temperatur odzwierciedlają nie tylko wiekowe zmiany klimatyczne lecz również zmiany głębokości basenu, a w najwyższym oksfordzie (jura górna) także efekty izotopowe związane z lekkim wysłodzeniem wód (zwiększonym dopływem wody słodkiej)
W powiązaniu z badaniami sedymentologicznymi, paleogeograficznymi i nowatorską metodą tzw. „clumped izotopes” (łączony skład izotopowy tlenu i węgla w cząsteczkach CO32-) umożliwiają one ponadto oszacowanie zmian zasolenia wody dawnych zbiorników morskich. Analizy składu izotopowego tlenu są jak dotąd jedną z najważniejszych metod badań paleoklimatycznych (obok analiz paleobotanicznych, paleofaunistycznych, biomarkerów czy składu minerałów ilastych), która umożliwia sięgnięcie głęboko w przeszłość geologiczną Ziemi, poza zasięg czasowy rdzeni lodowych wydobywanych z lądolodów Antarktydy, czy Grenlandii.
Zmienny stan zachowania skamieniałości, wpływ czynników lokalnych powodujących niezgodne ze stanem równowagi frakcjonowanie izotopów trwałych w szkieletach niektórych organizmów (tzw. efekty życiowe i siedliskowe), konieczność wyboru odpowiedniego równania paleotemperaturowego, a także zmiany głębokości i zasolenia płytkich stref dawnych zbiorników morskich mają niestety istotny wpływ na zapis izotopowy i wiarygodność opartych na nim rekonstrukcji paleoklimatycznych i paleośrodowiskowych. Istotnym czynnikiem utrudniającym interpretację wyników analiz izotopowych jest ponadto nagromadzenie się znacznej ilości, często sprzecznych danych, opublikowanych w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat w literaturze geologicznej.
Tekst: Hubert Wierzbowski
Literatura
- Epstein, S., Buchsbaum, R., Lowenstam, H., Urey, H.C., 1951. Carbonate-water isotopic temperature scale. GSA Bull. 62, 417–425. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1951)62[417:CITS]2.0.CO;2
- Epstein, S., Buchsbaum, R., Lowenstam, H.A., Urey, H.C., 1953. Revised carbonate-water isotopic temperature scale. GSA Bull. 64, 1315–1326. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1953)64[1315:RCITS]2.0.CO;2
- Longinelli, A., Nuti, S., 1973. Revised phosphate-water isotopic temperature scale. Earth Planet. Sci. Lett. 19, 373–376. https://doi.org/10.1016/0012-821X(73)90088-5
- Kolodny, Y., Luz, B., Navon, O., 1983. Oxygen isotope variations in phosphate of biogenic apatites, I. Fish bone apatite—rechecking the rules of the game. Earth Planet. Sci. Lett. 64, 398–404. https://doi.org/10.1016/0012-821X(83)90100-0
- Wierzbowski, H., 2002. Detailed oxygen and carbon isotope stratigraphy of the Oxfordian in Central Poland. Int. J. Earth Sci. (Geol. Rundsch.) 91, 304–314. https://doi.org/10.1007/s005310100217.
- Wierzbowski, H., 2015. Seawater temperatures and carbon isotope variations in central European basins at the Middle–Late Jurassic transition (Late Callovian–Early Kimmeridgian). Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 440, 506–523. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2015.09.020
- Wierzbowski, H., 2021. Advances and challenges in palaeoenvironmental studies based on oxyegn isotope composition of skeletal carbonates and phosphates. Geosciences 11, 419. https://doi.org/10.3390/geosciences11100419
- Wierzbowski, H.; Joachimski, M., 2007. Reconstruction of late Bajocian–Bathonian marine palaeoenvironments using carbon and oxygen isotope ratios of calcareous fossils from the Polish Jura Chain (central Poland). Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 254, 523–540, https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.07.010
- Wierzbowski, H.; Dembicz, K.; Praszkier, T., 2009. Oxygen and carbon isotope composition of Callovian–Lower Oxfordian (Middle–Upper Jurassic) belemnite rostra from central Poland: A record of a Late Callovian global sea-level rise? Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 283, 182–194, https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2009.09.020
