 |
Paleohőmérsékleti rekonstrukció édesvízi karbonátok stabil- és clumped izotóp geokémiai vizsgálata alapján
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
125584 |
| típus |
KH |
| Vezető kutató |
Kele Sándor |
| magyar cím |
Paleohőmérsékleti rekonstrukció édesvízi karbonátok stabil- és clumped izotóp geokémiai vizsgálata alapján |
| Angol cím |
Reconstruction of paleotemperature based on stable- and clumped isotope geochemistry of freshwater carbonates |
| magyar kulcsszavak |
stabil izotópok, clumped izotópok, paleohőmérséklet, karbonátok |
| angol kulcsszavak |
stable isotopes, clumped isotopes, paleotemperature, carbonates |
| megadott besorolás |
| Ásványtan, kőzettan (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 75 % | | Ortelius tudományág: Ásványtan | | Geológia, tektonika, vulkanológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 25 % | | Ortelius tudományág: Geológia |
|
| zsűri |
Földtudományok 1 |
| Kutatóhely |
Földtani és Geokémiai Intézet (HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont) |
| résztvevők |
Biró Lóránt
Mindszenty Andrea
Molnár Mihály
Rinyu László
Újvári Gábor
|
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2020-02-29 |
| aktuális összeg (MFt) |
19.400 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
3.13 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kontinentális karbonátok nagy számban fordulnak elő hazánkban és vizsgálatuk fontos adatokkal járulhat hozzá a múltbeli klíma rekonstrukciójához. Geokémiai vizsgálatuk és radiometrikus korvizsgálatuk az elmúlt években megkezdődött, képződési hőmérsékletük pontos megállapítására azonban, megfelelő mérési technika hiányában mindeddig nem volt lehetőség. Ennek oka, hogy a hőmérséklet meghatározására évtizedek óta használt hagyományos,kalcit-víz oxigénizotóp frakcionáción alapuló termométer esetén a képződési hőmérséklet számításához a karbonát d18O értékén kívül a karbonátot lerakó víz d18O értékének az ismerete is szükséges. A vízösszetétel becslése során a számításokba bevitt hiba, valamint a kalcit-víz oxigénizotóp frakcionáció nem-egyensúlyi jellege viszont nagy bizonytalanságot okoz a számolt paleohőmérsékleti értékekben. A „clumped” izotóp (D47) geokémia olyan új, dinamikusan fejlődő kutatási módszer, amely a nehéz izotópok egy molekulán belüli kapcsolódásának hőmérsékletfüggésén alapszik. Segítségével a karbonátok kiválási hőmérséklete nagy pontossággal meghatározható, kizárólag a karbonát fázis D47 értéke alapján. Projektünk a módszer hazai bevezetésére épül és célja hazai (részben korábban már U/Th módszerrel korolt), valamint külföldi travertínók, mésztufák és talajkarbonátok képződési hőmérsékletének meghatározása. A számolt hőmérsékletek alapján lehetővé válik egy teljesen újszerű klímarekonstrukció, amely nemzetközi jelentőségű. A pleisztocén travertínók kiválási hőmérsékletének meghatározása a paleohidrotermális rendszer rekonstrukcióját is lehetővé teszi. Kiemelt célkitűzésünk továbbá hazai fiatal kutatók támogatása és a módszerrel való megismertetése.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás kiindulópontja a clumped izotóp termométer travertínó alapú kalibrációja (Kele et al., 2015), amely dolomitok (Millán et al., 2016), foraminiferák (Grauel et al., 2016), talajkarbonátok (Újvári et al., 2016), karbonátos konkréciók (Heimhofer et al., 2017) és kagylók (Ritter et al. 2017) esetében is alkalmazható.
Kutatásunk egyik alapkérdése, hogy használható-e a travertínó alapú kalibráció a paleoklimatológiai szempontból jóval perspektívikusabb mésztufák esetében is? A kérdés megválaszolásához egy tágabb, 0-30⁰C közötti hőmérséklettartományból vonunk be recens mésztufa mintákat a vizsgálatokba, majd ezt követően arra a kérdésre keressük a választ, hogy milyen paleohidrotermás és paleoklimatikus viszonyok között képződhettek a hazai édesvízi mészkövek és mésztufák.
A különböző klimatikus régiókból begyűjtött tufák esetében az a fő kérdés, hogy a clumped izotópos összetételük tükrözi-e a csapadék izotópos összetételének (pl. óceántól való távolság miatti) regionális változását. Mivel a kutatások teljesen újszerűek, a talajkarbonátok esetében arra a kérdésre keressük a választ, hogy: 1) milyen kapcsolat van a talajhőmérséklet és a talajkarbonátok stabil oxigén- és clumped izotópos összetétele között; 2) hogyan változott a Kárpát medencében a klíma a Középső- és Késő-Pleisztocén során a talajkarbonátok izotópos összetételváltozásának függvényében. Az édesvízi mészkövek és mésztufák esetében clumped izotóp módszerrel kísérletet teszünk a különböző cementfázisok képződési hőmérsékletének és az egyes fluidumtípusok izotópos összetételének meghatározására, ami segíthet a diagenetikus folyamatok megértésében.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az itthon szinte teljesen ismeretlen clumped izotópos módszer hazai bevezetése nem csak a paleohőmérséklet meghatározás szempontjából fontos, hanem a geológiai alkalmazások széles skáláján (diagenezis, rezervoár geológia, paleoaltimetria, atmoszféra- és meteorit kutatás, biogeokémia) is új lehetőségeket kínál. Az alkalmazások köre jelenleg tovább bővül a szerves vegyületek és a szén-dioxidon kívül egyéb gázok (pl. metán, oxigén, nitrogén) elemzésének irányába. A módszer újszerűsége (és a szükséges laboratóriumi háttér magas ára) miatt a clumped izotópos laborok száma világszinten sem túl nagy és Európában is mindössze tíz körül van. Mindezek következtében a módszer hazai szintű megismertetése kiemelkedő fontosságú, ugyanis a clumped izotópok magyarországi alkalmazásával a világ élvonalába tartozó, és vezető (Q1-es) folyóiratokban publikálható kutatási témák lennének művelhetők.
A nemzetközi versenytársak közé a világ vezető egyetemei és kutatóintézetei tartoznak. A módszert a Caltech-en fejlesztették ki 2004-ben John Eiler vezetésével és eleinte csak az Egyesült Államokban működtek clumped izotóp laboratóriumok. A módszer olyan helyeken érhető el, mint a Yale, Harvard, University of California Los Angeles, The Johns Hopkins University. Európában a svájci ETH Zürich laboratóriuma számít a vezető labornak, ahol Stefano Bernasconi egy automata módszert fejlesztett ki a Finnigan MAT 253 tömegspektrométer KIEL IV karbonátfeltáró egységhez való kapcsolásával. További európai clumped izotópos laboratóriumok találhatóak az Egyesült Királyságban, Franciaországban, Németországban, Norvégiában, Hollandiában és Izraelben.
A projekt jó alapot nyújthat a clumped izotópos technika itthoni alkalmazása során, és az MTA ATOMKI által elnyert GINOP pályázat révén 2017-ben beszerzésre kerülő clumped izotópos tömegspektrométer segítségével 2018 márciusától már az első hazai mérések is elkezdődhetnek. A hazai kutatások versenyképessége szempontjából ugyanilyen jelentőségű a fiatal kutatók megismertetése a módszerrel és bevonásuk a kutatásokba.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A klímaváltozás, a globális felmelegedés és a szélsőséges időjárás a társadalom számára is egyre égetőbb probléma. A múlt klímájának és hosszútávú változásának megismerése nagyban segítheti a klímaváltozás okainak megértését és az emberiség klímaváltozást okozó tevékenységének (pl. üvegház gázok kibocsátása) szabályozását. A múltbeli klíma kutatásának fontos eszközei a geológiai képződmények, ezen belül is a karbonátos kőzetek. Képződési környezetük és kiválási hőmérsékletük rekonstrukciója a paleoklíma kutatás alapját képezi. Hazánkban nagy számban találhatóak a termál- és karsztforrásokból egykor kivált kontinentális karbonátok (travertínók, mésztufák), amelyek vizsgálata fontos információkat őriz az egykori klímáról és a múltbeli hévforrástevékenységről. Tervezett kutatásunk a fenti képződmények
vizsgálatára irányul, egy nemzetközi szinten is újnak számító módszer, a clumped (kapcsolt) izotóp geokémia használatával. A módszer a nehéz (ritka) izotópok egy molekulában való kapcsolódásának hőmérsékletfüggésén alapszik és segítségével közvetlenül a karbonátos kőzetből megállapítható annak képződési hőmérséklete (+/-2 ⁰C). Ebből a hőmérsékleti adatból aztán számos értékes következtetés vonható le az egykori klímára, valamint az egykori termálforrás-tevékenységre vonatkozóan. A klímakutatás azonban nem minden. Kutatásunk egy olyan új, hazánkban még nem alkalmazott módszer alkalmazására épül, amelynek jelentősége túlmutat a paleoklíma rekonstrukcióján és olyan egyéb fontos kutatási területekhez képes hozzájárulni, mint például a meteoritkutatás, atmoszférakutatás (üvegház gázok), a kőolaj-rezervoár geológia vagy épp a dinoszauruszok testhőmérsékletének rekonstrukciója.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Continental carbonates are abundant in Hungary and their study can significantly contribute to the reconstruction of paleoclimate. Their geochemical study and radiometric dating has just started in the past years, but their precise temperature of deposition, in the lack of an appropriate analytical method, was impossible until now. The reason is that the calcite-water d18O thermometer used during the past decades for temperature calculations requires, beside the d18O of carbonate, also the knowledge of the d18O of the parent water, which is difficult to estimate. Because of the assumption of the 18Owater and due to the frequently occurring non-equilibrium fractionation during carbonate deposition in nature, further uncertainties are introduced into the calculations. Clumped isotope (D47) geochemistry is a new and quickly developing method, which is based on the temperature dependent clumping of heavy isotopes within one molecule. With this method the temperature of deposition of carbonates can be calculated with high precision, based on solely the D47 value of the carbonate. Our project is based on the introduction and application of this novel method in Hungary in order to determine the temperature of deposition of the (partly previously dated) travertines, tufas and pedogenic carbonates. Based on the calculated temperatures we can provide a novel way for the reconstruction of the temperature of precipitation and the climate and we will be able to reconstruct the temperature evolution of the paleohydrothermal system, which is a unique approach on international level. Our goal is to support young researchers while introducing them into clumped isotope geochemistry.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The starting point is the clumped isotope thermometer calibrated using travertines by Kele et al. (2015). Studies proved that this calibration can be used on dolomites (Millán et al. 2016), foraminifera (Grauel et al. 2016) and pedogenic carbonates (Újvári et al. 2016), carbonate concretions (Heimhofer et al. 2017) and molluscs (Ritter et al. 2017). One of the main questions of this project is whether the travertine-based calibration is valid for tufa (more useful for paleoclimatic studies) or not? To answer this question we are planning to collect and analyse recent tufa samples from a wide, 0-30⁰C temperature range. We will try to reconstruct the temporal evolution of temperature conditions during travertine and tufa deposition, which may be informative about both the paleohydrothermal system and the paleoclimate.
In case of tufa samples collected from different climatic regions the main question is whether their clumped isotope composition reflects the regional change in d18O of rainfall (e.g. according to distance from the ocean) or not. Since the clumped isotope method is new, in case of pedogenic carbonates we are trying to understand: 1) the relationship between soil temperature and the stable/clumped isotopic composition of soil carbonates; 2) the relationship between climatic changes in the Carpathian Basin during the Middle- and Late Pleistocene and changes in the stable- and clumped isotope composition of pedogenic carbonates. In case of travertines and tufa we will try to figure out the 1) temperature of formation of different cement phases and 2) stable isotopic composition of different fluids, which may help us to understand also the diagenetic processes.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The introduction of this method which is “almost unknown” in Hungary would be very important not only in
paleotemperature calculations, but also in other geological applications (diagenesis, paleoaltimetry, atmospheric research, reservoir geology, meteorite research, biogeochemistry stb.) as it would offer new perspectives. New applications are related to organic compounds and gases other than CO2 (e.g. CH4, O2, N2). Because of the novelty of the method (and due to the expensive laboratory background) the number of clumped isotope laboratories world-wide is still very low, and there are only about ten labs in Europe. Thus, the introduction of this method in Hungary is very important, since with the application of clumped isotopes top researches could be conducted in Hungary and results could be published in highly referred (Q1) journals. International competitors are the best universities and research institutes. The method was developed at Caltech by John Eiler and his team and in the beginning clumped isotope laboratories were only in the United States at places like Yale, Harvard, University of California Los Angeles, The Johns Hopkins University. In Europe the ETH Zürich (Switzerland) is one of the leader laboratory with the automated method developed by Stefano Bernasconi using a Finnigan MAT 253 mass spectrometer connected to a KIEL IV carbonate preparation device. Further laboratories in Europe are for example in the United Kingdom, in France, in Germany, in Norway, in the Netherlands and in Israel.
Our project could serve as a good base for the introduction of the clumped isotope technique in Hungary, and using the clumped isotope mass spectrometer which will be purchased by the support of a GINOP project won by the MTA ATOMKI in 2017, the first analyses could be performed from the March 2018 in Hungary. From the respect of competitiveness of researches conducted in Hungary, it is also very important to show this technique for students involving them into the researches.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Climate change, global warming and extreme climatic events are serious problems for the society. Study of past climate and its temporal change can significantly help us to understand the reasons for climate change and to restrict human activities (e.g. greenhouse gas emission) which can induce and promote climate change. Geological formations and carbonate rocks are important tools in paleoclimate research and reconstruction of their depositional environment and temperature of deposition serve as a base for paleoclimate studies. In Hungary there are many continental carbonate rocks (travertine, tufa) deposited from thermal- and karstic springs and they preserve important information about past hydrothermal systems and climatic processes. We are planning to study these carbonates with a new method called
clumped isotope geochemistry. The method is based on the temperature-dependent clumping of heavy (rare) isotopes within one molecule and with the help of this method the temperature of deposition (+/-2 ⁰C) of carbonates can be determined directly. This temperature data can be then used to infer past climatic conditions and thermal spring activity. However, climate research is not everything. Our project is based on the application of a new method, which has never been used in Hungary before and which is more than a tool for paleoclimate reconstruction as it can also contribute to researches related to meteorites, atmosphere (greenhouse gasses), oil-reservoir geology or body temperature of dinosaurs.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Újvári, G., Kele, S., Bernasconi, S.M., Haszpra, L., Novothny, Á.: Last interglacial clumped isotope paleotemperatures from soil carbonates in southern Hungary., Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2019 | | Ágnes Török; Hannes Claes; Andrea Brogi; Domenico Liotta; Ádám Tóth; Andrea Mindszenty; István Kudó; Sándor Kele; Kate W. Huntington; Chuan-Chou Shen; Rudy Swennen: A multi-methodological approach to reconstruct a dismantled travertine fissure ridge: the case of the Cukor quarry (Süttő, Gerecse Hills, Hungary), Geomorphology, 2019 | | Kluge, T., John, C.M., Boch, R., Kele, S: Assessment of factors controlling clumped isotopes and δ18O values of hydrothermal vent calcites, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2019 | | Petersen S.V., Defliese W.F., Saenger C., Daëron M., Huntington K.W., John C.M., Kelson J.R., Bernasconi S.M., Coleman A.S., Kluge T., Olack G.A., Schauer A.J., Bajnai D., Bonifacie M., Breitenbach S.F.M., Fiebig J., Fernandez A.B., Henkes G.A., Hodell D., Katz A., Kele S., Lohmann K.C., Passey B.H., Peral M.Y., Petrizzo D.A., Rosenheim B.E., Tripati A., Venturelli R., Young E.D., Winkelstern I.Z.: Effects of Improved 17 O Correction on Inter‐Laboratory Agreement in Clumped Isotope Calibrations, Estimates of Mineral‐Specific Offsets, and Temperature Dependence of Acid Digestion Fractionation, G3 GEOCHEMISTRY GEOPHYSICS GEOSYSTEMS: AN AGU JOURNAL 20: (7) pp. 3495-3519., 2019 | | Brogi, A., Liotta, D., Capezzuoli, E., Matera, P., Kele, S., Soligo, M., Tuccimei, P., Ruggieri, G., Yu, T.-L., Shen, C.-C., Huntington, K.W.: Travertine deposits constraining transfer zone neotectonics in geothermal areas: an example from the inner Northern Apennines (Bagno Vignoni-Val d’Orcia area, Italy), Geothermics, 2020 | | Lukoczki, G., Haas, J., Gregg, J. M., Machel, H. G., Kele, S., John, C.M.: Early dolomitization and partial burial recrystallization: A case study of Middle Triassic peritidal dolomites in the Villány Hills (SW Hungary) using petrography, carbon, oxygen, strontium and clumped isotope data., International Journal of Earth Sciences, 2020 | | Lukoczki, G., Haas, J., Gregg, J.M., Machel, H.G., Kele, S., John, C.M.: Multi-phase dolomitization and recrystallization of Middle Triassic shallow marine–peritidal carbonates from the Mecsek Mts. (SW Hungary), as inferred from petrography, carbon, oxygen, strontium and clumped isotope data, Marine and Petroleum Geology, 2019 | | Kele, S. és Markó, A.: Paleo-jacuzzi és paleo-dagonya: új adatok a vértesszőlősi lelőhelyekről., KŐKOR Kerekasztal Konferencia, Szeged, 2018. december 7., 2018 | | Kele, S., Sallam, E.S., Capezzuoli, E., Wanas, H., Shen, C.-C., Lone, M. A., Yu, T.-L., Huntington, K.W.: Dating and clumped isotope geochemistry of tufa carbonates from the Western Desert (Southern Egypt), ICIW 2019, Seventh International Clumped Isotope Workshop, January 28-29, 2019, Queen Mary, Long Beach Harbor, Los Angeles, California, 2019 | | Brogi, A., Liotta, D., Capezzuoli, E., Matera, P.F., Kele, S., Soligo, M., Tuccimei, P., Ruggieri, G., Yu, T.-L., Shen, C.-C., Huntington, K.W.: Travertine deposits and tectonic activity interaction: constraints from Bagno Vignoni-Valdorcia area (inner Northern Apennines, Italy)., 34th IAS meeting of Sedimentology, 10-13 September, Rome, Italy, 2019 | | Matera, P.F., Kele, S., Ventruti, G., Zucchi, M., Brogi, A., Capezzuoli, E., Ruggieri, G., Liotta, D.: Texture, geochemistry and development of banded veins in travertine depositional systems: implications for tectonic activity and palaeoseismicity reconstruction, 34th IAS meeting of Sedimentology, 10-13 September, Rome, Italy, 2019 | | Petersen, S. V., Defliese, W. F., Saenger, C., Daëron, M., Huntington, K. W., John, C. M., Kelson, J. R., Bernasconi, S. M., Coleman, A. S., Kluge, T., Olack, G. A., Schauer, A. J., Bajnai, D., Bonifacie, M., Breitenbach, S. F. M., Fiebig, J., Fernandez, A. B., Henkes, G. A. Hodell, D., Katz, A., Kele, S., Lohmann, K. C., Passey, B. H., Peral, M. Y., Petrizzo, D. A., Rosenheim, B. E., Tripati, A., Venturelli, R., Young, E. D. and Winkelstern, I. Z.: Effects of Improved 17O Correction on Inter-Laboratory Agreement in Clumped Isotope Calibrations, Estimates of Mineral-Specific Offsets, and Acid Fractionation Factor Temperature Dependence, ICIW 2019, Seventh International Clumped Isotope Workshop, January 28-29, 2019, Queen Mary, Long Beach Harbor, Los Angeles, California, 2019 | | Kele, S., Sallam, E.S., Capezzuoli, E., Wanas, H., Shen, C.-C., Lone, M.A., Yu, T.-L., Schauer, A.J., Huntington. K.W.: Geochemistry of tufa carbonates from the Western Desert (Southern Egypt), 34th IAS meeting of Sedimentology, 10-13 September, Rome, Italy, 2019 | | Kluge, T., John, C.M., Boch, R., Kele, S: Assessment of factors controlling clumped isotopes and δ18O values of hydrothermal vent calcites, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018 | | Kele, S., Sallam, E.S., Capezzuoli, E., Wanas, H.A., Huntington, K.W.: Facies study and isotope geochemistry of Quaternary tufa and travertine carbonates in the Kurkur–Dungul area (Southern Egypt), 28th Goldschmidt Conference, BOSTON (MA, USA), 2018., Abstracts series., 2018 | | Kele, S., Sallam, E.S., Capezzuoli, E., Wanas, H.A., Huntington, K.W.: Dél-egyiptomi oázisok (Kurkur-Dungul terület) mésztufaüledékeinek szedimentológiai és geokémiai vizsgálata., 9. Kőzettani és Geokémiai Vándorgyűlés, Mátraverebély-Szentkút, 2018. 09.06-08., Absztrakt kötet (ISBN: 978-963-8221-72-8), 2018 | | Újvári, G., Kele, S., Bernasconi, S.M., Haszpra, L., Novothny, Á.: Last interglacial clumped isotope paleotemperatures from soil carbonates in southern Hungary., Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2018 | | Ágnes Török; Hannes Claes; Andrea Brogi; Domenico Liotta; Ádám Tóth; Andrea Mindszenty; István Kudó; Sándor Kele; Kate W. Huntington; Chuan-Chou Shen; Rudy Swennen: A multi-methodological approach to reconstruct a dismantled travertine fissure ridge: the case of the Cukor quarry (Süttő, Gerecse Hills, Hungary), Geomorphology, 2019 | | Matera, P.F., Brogi, A., Kele, S., Capezzuoli, E., Liotta, D., Zucchi, M., Alçiçek, H., Bülbül, A., Alçiçek, M.C.: Crystal morphology and geochemistry of a banded calcite vein from a fault zone (Denizli Basin, Western Turkey), 34th IAS meeting of Sedimentology, 10-13 September, Rome, Italy, 2019 | | Ocakoğlu, F and Kele, S.,: The Dandalas tufa (Karacasu, Aydin, W-Anatolia) deposited in the MIS 3 period: geomorphology, facies and climatic frame, Turkish Sedimentology Working Group 2018 Workshop, 6–9 September 2018, Sakarya, Turkey., 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
