Organic Geochemistry of Shale Outcrop From the Morro Do Chaves Formation, Lowercretaceous, Sergipe-Alagoas Basin, Northeastern Brazil

Diepe tijd laat zijn vingerafdrukken niet alleen achter in de botten van dinosaurussen of de schelpen van oude wezens, maar in de chemie van de gesteenten waarin zij leefden. Dit vakgebied, bekend als organische geochemie, behandelt sedimentair gesteente als een chemisch archief. Wanneer planten, algen en microscopische organismen sterven en naar de bodem van een meer of een oceaan zinken, kunnen hun resten gevangen raken in de modder. Gedurende miljoenen jaren transformeert deze organische materie in kerogeen, een wasachtige substantie die de herinnering aan het milieu waarin het begraven werd, vasthoudt. Door de specifieke soorten koolstofmoleculen en de verhoudingen van verschillende elementen binnen deze gesteenten te analyseren, kunnen wetenschappers oude klimaten reconstrueren, bepalen of het water zoet of zout was, en uitzoeken of de bodem van het meer zuurstofrijk of volledig zonder lucht was. Het begrijpen van deze omstandigheden is cruciaal, omdat het onthult hoe het leven in het verleden overleefde en geologen helpt bij het lokaliseren van de oude omgevingen waar olie en gas gevormd zouden kunnen zijn.

In het noordoosten van Brazilië vertelt een specifiek stuk gesteente een dramatisch verhaal over een meer dat voortdurend van gedachten veranderde. De Morro do Chaves-formatie, daterend uit het vroeg-Krijt, ligt in een regio die ooit deel uitmaakte van een enorme riftdal terwijl het supercontinent Gondwana begon uiteen te vallen. Decennialang hebben geologen de beroemde schelplagen hier bestudeerd, bekend als coquina's, die vol zitten met de resten van tweekleppigen en slakken. Deze schelplagen worden al lang begrepen als gevormd in ondiepe, stormachtige meerwatersystemen. Echter, de donkere, modderige lagen schalie die tussen de schelpen door gevonden zijn, bleven een mysterie. Hoewel de schelpen de aandacht trekken, houden de schaliehoudende gesteenten de sleutel tot de chemie van het water en de stille momenten tussen de stormen in. Een team onderzoekers van de State University of Rio de Janeiro en Petrobras besloot nauwkeuriger naar deze over het hoofd geziene leemstenen te kijken om te begrijpen in wat voor soort wereld zij werden afgezet.

De onderzoekers richtten hun studie op een groeve in de staat Alagoas, een plek waar de gesteentelagen blootliggen in een verticaal vlak dat meer dan een kilometer beslaat. Ze verzamelden zorgvuldig veertien monsters van schalie uit elf verschillende niveaus binnen de gesteentefaçade, variërend van de onderkant van de blootlegging tot de bovenkant. In het laboratorium onderwierpen ze deze gesteenten aan een reeks tests die ontworpen zijn om hun chemische geschiedenis te lezen. Ze maten de totale hoeveelheid organische koolstof, wat fungeert als een graadmeter voor hoeveel leven er in de modder is bewaard gebleven. Ze verhitten de gesteenten ook in een gecontroleerde omgeving om te zien welke soort koolwaterstoffen ze vrijgeven, een proces dat het type leven onthult dat daar oorspronkelijk stierf. Ten slotte gebruikten ze geavanceerde chemische scheidingstechnieken om specifie{ke} moleculaire markers te isoleren, bekend als biomarkers. Deze moleculen zijn als chemische fossielen; ze behouden de structurele signatuur van de specifieke organismen die hen produceerden, waardoor wetenschappers kunnen onderscheiden tussen algen, bacteriën en landplanten.

De resultaten schetsen een beeld van een complex en verschuivend ecosysteem. De analyse toonde aan dat de organische materie in de schalie niet uniform was; het varieerde aanzienlijk van de ene laag naar de andere. Sommige lagen bevatten hoge hoeveelheden organische koolstof, terwijl andere er zeer arm aan waren. De chemische signaturen gaven aan dat het leven dat in deze gesteenten bewaard is gebleven, afkomstig was van twee hoofdbronnen: zoetwateralgen en landplanten. In verschillende monsters vonden de onderzoekers een sterke aanwezigheid van Type I en Type II kerogeen. In gewone taal betekent dit dat de organische materie grotendeels afkomstig was van algen en andere aquatische organismen die werden bewaard in een omgeving met zeer weinig zuurstof. De aanwezigheid van pyriet, een mineraal dat alleen in zuurstofarme water vormt, bevestigde dat de bodem van dit oude meer vaak stilstaand en anoxisch was.

Het verhaal was echter niet dat van een simpel, geïsoleerd meer. De chemische gegevens suggereerden dat de waterchemie constant fluctueerde. In sommige lagen wezen de moleculaire markers op een puur zoetwatermilieu gedomineerd door landplanten. In andere lagen wezen de markers op een mengeling van zoet en zout water, wat suggereerde dat het meer periodiek werd binnengedrongen door de zee. De onderzoekers vonden bewijs van mariene incursies, waarbij zeewater het meerbekken binnendrong, waarschijnlijk gedreven door de stijgende zeespiegels en tektonische bewegingen die gepaard gingen met de opening van de Zuid-Atlantische Oceaan. Deze gebeurtenissen zouden een brak, lagune-achtig milieu hebben gecreëerd waar mariene vissen en brakwater-mollusken konden mengen met zoetwatersoorten. De chemische ratio's van bepaalde moleculen, zoals de relatie tussen pristaan en fytaan, hielpen het team om tussen deze kalme, vochtige perioden en de drogere, warmere tijden te onderscheiden wanneer het meer kromp en het water geconcentreerder werd.

Een van de meest interessante bevindingen kwam uit een specifiek monster, aangeduid als P05. Deze laag vertoonde een unieke chemische signatuur die gedomineerd werd door middelgrote koolstofketens die typisch worden geproduceerd door bacteriën die inwerken op algmateriaal. Dit suggereerde dat tijdens de afzetting van deze laag het milieu bijzonder kalm en vochtig was, met een diepe, stabiele waterkolom die een ander soort biologische verwerking mogelijk maakte. In contrast hiermee vertoonden andere lagen tekenen van energieke gebeurtenissen, zoals stormen of snelle veranderingen in de waterstand, die waarschijnlijk een groot deel van de organische materie wegspoelden, waardoor de lage koolstofinhoud te zien was in die monsters. De thermische maturiteitstests, die meten hoeveel warmte de gesteenten in de loop der tijd hebben ondergaan, gaven aan dat de gesteenten in geologische termen nog relatief jong waren en niet genoeg waren "gekookt" om in olie te veranderen, waardoor de delicate chemische structuren die nodig zijn voor deze analyse behouden zijn gebleven.

De studie concludeert dat de Morro do Chaves-formatie een verstoord en dynamisch paleo-milieu vertegenwoordigt. Het was geen statisch meer, maar een systeem dat oscilleerde tussen zoetwater-, brakwater- en mariene condities. De schalieën leggen een geschiedenis vast van periodieke mariene incursies die het meer transformeerden tot een lagune, waardoor een uniek habitat ontstond waar diverse levensvormen konden gedijen en sterven. De aanwezigheid van zowel continentale als mariene organische materie, samen met het chemische bewijs van fluctuerende zuurstofniveaus, ondersteunt het idee dat dit gebied een overgangszone was waar de krachten van het brekende continent en de naderende oceaan elkaar ontmoetten. Door de chemie van deze leemstenen te lezen, hebben de onderzoekers de gaten opgevuld die de beroemde schelplagen hebben achtergelaten, en zo een complexe geschiedenis van klimaatverschuivingen, tektonische activiteit en het delicate evenwicht tussen zoet en zout water onthuld dat het leven in deze hoek van het oude Brazilië vormgaf.