New insights into the formation and modification of carbonate-bearing minerals and methane gas in geological systems using multiply substituted isotopologues

This thesis describes the use of multiply-substituted stable isotopologues of carbonate minerals and methane gas to better understand how these environmentally significant minerals and gases form and are modified throughout their geological histories. Stable isotopes have a long tradition in earth science as a tool for providing quantitative constraints on how molecules, in or on the earth, formed in both the present and past. Nearly all studies, until recently, have only measured the bulk concentrations of stable isotopes in a phase or species. However, the abundance of various isotopologues within a phase, for example the concentration of isotopologues with multiple rare isotopes (multiply substituted or 'clumped' isotopologues) also carries potentially useful information. Specifically, the abundances of clumped isotopologues in an equilibrated system are a function of temperature and thus knowledge of their abundances can be used to calculate a sample’s formation temperature. In this thesis, measurements of clumped isotopologues are made on both carbonate-bearing minerals and methane gas in order to better constrain the environmental and geological histories of various samples.

Clumped-isotope-based measurements of ancient carbonate-bearing minerals, including apatites, have opened up paleotemperature reconstructions to a variety of systems and time periods. However, a critical issue when using clumped-isotope based measurements to reconstruct ancient mineral formation temperatures is whether the samples being measured have faithfully recorded their original internal isotopic distributions. These original distributions can be altered, for example, by diffusion of atoms in the mineral lattice or through diagenetic reactions. Understanding these processes quantitatively is critical for the use of clumped isotopes to reconstruct past temperatures, quantify diagenesis, and calculate time-temperature burial histories of carbonate minerals. In order to help orient this part of the thesis, Chapter 2 provides a broad overview and history of clumped-isotope based measurements in carbonate minerals.

In Chapter 3, the effects of elevated temperatures on a sample’s clumped-isotope composition are probed in both natural and experimental apatites (which contain structural carbonate groups) and calcites. A quantitative model is created that is calibrated by the experiments and consistent with the natural samples. The model allows for calculations of the change in a sample’s clumped isotope abundances as a function of any time-temperature history.

In Chapter 4, the effects of diagenesis on the stable isotopic compositions of apatites are explored on samples from a variety of sedimentary phosphorite deposits. Clumped isotope temperatures and bulk isotopic measurements from carbonate and phosphate groups are compared for all samples. These results demonstrate that samples have experienced isotopic exchange of oxygen atoms in both the carbonate and phosphate groups. A kinetic model is developed that allows for the calculation of the amount of diagenesis each sample has experienced and yields insight into the physical and chemical processes of diagenesis.

The thesis then switches gear and turns its attention to clumped isotope measurements of methane. Methane is critical greenhouse gas, energy resource, and microbial metabolic product and substrate. Despite its importance both environmentally and economically, much about methane’s formational mechanisms and the relative sources of methane to various environments remains poorly constrained. In order to add new constraints to our understanding of the formation of methane in nature, I describe the development and application of methane clumped isotope measurements to environmental deposits of methane. To help orient the reader, a brief overview of the formation of methane in both high and low temperature settings is given in Chapter 5.

In Chapter 6, a method for the measurement of methane clumped isotopologues via mass spectrometry is described. This chapter demonstrates that the measurement is precise and accurate. Additionally, the measurement is calibrated experimentally such that measurements of methane clumped isotope abundances can be converted into equivalent formational temperatures. This study represents the first time that methane clumped isotope abundances have been measured at useful precisions.

In Chapter 7, the methane clumped isotope method is applied to natural samples from a variety of settings. These settings include thermogenic gases formed and reservoired in shales, migrated thermogenic gases, biogenic gases, mixed biogenic and thermogenic gas deposits, and experimentally generated gases. In all cases, calculated clumped isotope temperatures make geological sense as formation temperatures or mixtures of high and low temperature gases. Based on these observations, we propose that the clumped isotope temperature of an unmixed gas represents its formation temperature — this was neither an obvious nor expected result and has important implications for how methane forms in nature. Additionally, these results demonstrate that methane-clumped isotope compositions provided valuable additional constraints to studying natural methane deposits.

Experiments on the production of a highly dispersible calcium carbonate. ('Experimental section' only) [Translation from: Szklo i Ceramiki 30, 133-136, 1979]

This short translation summarises experiments on the production of a highly dispersible precipitate of calcium carbonate. The translation covers the 'Experimental section' (of the original larger paper) only.

Modelagem sedimentar de sistemas deltaicos altamente eficientes: aplicação para o preenchimento sedimentar do terciário superior da bacia de Bengala, porção nordeste da Índia

A bacia de Bengala, localizada a Nordeste da Índia tem uma história evolutiva extraordinária, diretamente controlada bela fragmentação do Gondwana. O início da formação desta bacia é considerada como sendo relacionada ao final do evento da quebra, datado em 126 Ma quando a Índia separou do continente Antártico e da Austrália. Desde então, a placa continental Indiana viajou do pólo sul a uma velocidade muito rápida (16 cm/a) chocando-se com o hemisfério norte e fundindo-se com a Placa Eurasiana. Durante a viagem passou por cima de um hot spot, onde hoje estão localizadas as ilhas Seicheles, resultando em um dos maiores derrames de lava basáltica do mundo, conhecido como Deccan Trap. Na região onde a bacia de Bengala foi formada, não houve aporte significativo de sedimentos siliciclásticos, resultando na deposição de uma espessa plataforma carbonática do Cretáceo tardio ao Eoceno. Após este período, devido a colisão com algumas microplacas e a amalgamação com a Placa Eurasiana, um grande volume sedimentar siliciclástico foi introduzido para a bacia, associado também ao soerguimento da cadeia de montanhas dos Himalaias. Atualmente, a Bacia de Bengala possui mais de 25 km de sedimentos, coletados neste depocentro principal. Nesta dissertação foram aplicados conceitos básicos de sismoestratigrafia na interpretação de algumas linhas regionais. As linhas sísmicas utilizadas foram adquiridas recentemente por programa sísmico especial, o qual permitiu o imageamento sísmico a mais de 35km dentro da litosfera (crosta continental e transicional). O dado permitiu interpretar eventos tectônicos, como a presença dos Seawards Dipping Reflectors (SDR) na crosta transicional, coberto por sedimentos da Bacia de Bengala. Além da interpretação sísmica amarrada a alguns poços de controle, o programa de modelagem sedimentar Beicip Franlab Dionisos, foi utilizado para modelar a história de preenchimento da bacia para um período de 5,2 Ma. O nível relativo do nível do mar e a taxa de aporte sedimentar foram os pontos chaves considerados no modelo. Através da utilização dos dados sísmicos, foi possível reconhecer dez quebras de plataformas principais, as quais foram utilizadas no modelo, amarrados aos seus respectivos tempos geológico, provenientes dos dados dos poços do Plioceno ao Holoceno. O resultado do modelo mostrou que a primeira metade modelada pode ser considerada como um sistema deposicional retrogradacional, com algum picos transgressivos. Este sistema muda drasticamente para um sistema progradacional, o qual atuou até o Holoceno. A seção modelada também mostra que no período considerado o total de volume depositado foi em torno de 2,1 x 106 km3, equivalente a 9,41 x 1014 km3/Ma.

Spin-helical Dirac states in graphene induced by polar-substrate surfaces with giant spin-orbit interaction: a new platform for spintronics

Spintronics, or spin electronics, is aimed at efficient control and manipulation of spin degrees of freedom in electron systems. To comply with demands of nowaday spintronics, the studies of electron systems hosting giant spin-orbit-split electron states have become one of the most important problems providing us with a basis for desirable spintronics devices. In construction of such devices, it is also tempting to involve graphene, which has attracted great attention because of its unique and remarkable electronic properties and was recognized as a viable replacement for silicon in electronics. In this case, a challenging goal is to lift spin degeneracy of graphene Dirac states. Here, we propose a novel pathway to achieve this goal by means of coupling of graphene and polar-substrate surface states with giant Rashba-type spin-splitting. We theoretically demonstrate it by constructing the graphene@BiTeCl system, which appears to possess spin-helical graphene Dirac states caused by the strong interaction of Dirac and Rashba electrons. We anticipate that our findings will stimulate rapid growth in theoretical and experimental investigations of graphene Dirac states with real spin-momentum locking, which can revolutionize the graphene spintronics and become a reliable base for prospective spintronics applications.

Interactions Between Platform Terminal Transmitters and Turtle Excluder Devices

Satellite telemetry is a common tool for examining sea turtle movements, and many research programs have successfully tracked adults. Relatively short satellite track durations recorded for juvenile Kemp’s ridley sea turtles, Lepidochelys kempii, in the northwestern Gulf of Mexico raised questions regarding premature transmission loss. We examined interactions between juvenile sea turtles outfitted with platform terminal transmitters (PTT’s) and turtle excluder devices (TED’s) and the potential for transmission loss due to this interaction. A pilot study was conducted with eight 34-month-old, captive-reared loggerhead sea turtles, Caretta caretta; a larger trial the following year used twenty 34-month-olds. Half of the turtles in each trial were outfitted with dummy PTT’s (8×4×2 cm), and all turtles were sent through a trawl equipped with a bottom-opening Super-Shooter TED. No apparent damage was sustained by any PTT, but four of five PTT-outfitted loggerheads encountering the TED carapace-first exhibited increased escape times when the PTT wedged between the TED deflector bars (10.2 cm apart). Overall, 15 loggerheads (54%) impacted the TED carapace-first. Attachment of PTT’s to smaller sea turtles may slow or, in worst cases, inhibit escape from TED’s. Likewise, loose or poorly secured PTT’s could impede escape or be shed during such an interaction. Researchers tracking small turtles in or near regions with trawling activity should consider PTT size and shape and the combined PTT/adhesive profile to minimize potentially detrimental interactions with TED’s.

Halocinese e tectônica de rafts na bacia emersa de Benguela (Angola): dados de campo, modelagem física e restauração estrutural

Este trabalho foi feito com dados de campo da Bacia de Benguela, na costa sul de Angola. Nesta área aflora uma plataforma carbonática de idade albiana, análoga às formações produtoras de petróleo de mesma idade na Bacia de Campos. Duas unidades principais compõem a seção albiana na área: uma unidade inferior caracterizada por carbonatos de águas rasas com intercalações de conglomerados e arenitos na base, totalizando 300 m de espessura total, e uma unidade superior formada por sedimentos carbonáticos de águas mais profundas com espessura de 100 m. Esta seção se apresenta em dois domínios estruturais. O norte é caracterizado por uma plataforma de cerca de 5 km de largura, 35 km de comprimento na direção NE e que se encontra próxima ao embasamento. No domínio sul, essa plataforma se apresenta em fragmentos de menos de 10 km de comprimento por até 5 km de largura, alguns deles afastados do embasamento. Dado que há evaporitos sob essa plataforma, fez-se este trabalho com o objetivo de se avaliar a influência da tectônica salífera na estruturação das rochas albianas. A utilização de imagens de satélite de domínio público permitiu a extrapolação dos dados pontuais e a construção de perfis topográficos que possibilitaram a montagem das seções geológicas. Os dados de campo indicam que a estruturação na parte norte, onde há menos sal, é influenciada pelas estruturas locais do embasamento. Já na parte sul, onde a espessura de sal é maior, a deformação é descolada das estruturas do embasamento. Foi feita uma seção geológica em cada domínio e a restauração dessas duas seções mostrou que a unidade albiana na parte sul sofreu uma distensão de 1,25 (125%) e a de norte se distendeu em 1,05 (105%). Essa diferença foi causada por uma maior espessura original de sal na parte sul, que fez com que a cobertura albiana se distendesse mais em consequência da fluência do sal mergulho abaixo, em resposta ao basculamento da bacia em direção a offshore. A intensidade da deformação na parte sul foi tal que os blocos falhados perderam os contatos entre si, formando rafts. Este efeito foi reproduzido em modelos físicos, indicando que a variação na espessura original de sal tem grande influência na estruturação das rochas que o cobrem. As variações de espessura de sal são controladas por zonas de transferência do embasamento e estas mesmas estruturas controlam os limites dos blocos que sofrem soerguimento diferencial no Cenozoico.