Værktøjer, metoder og faciliteter

Palæoklimaforskning er i store træk baseret på arkiver – fysiske optegnelser om fortidens klima og miljøforhold. Da GEUS er en geologisk undersøgelsesinstans, fokuserer forskningen i høj grad på identificering, udvælgelse og prøvetagning af sedimenter og sten i blotninger såvel som opbevaring af dem under optimale forhold, indtil de skal undersøges yderligere.  

1. En regional forståelse for den geologiske og tektoniske kontekst. Man begynder med de vigtigste videnskabelige spørgsmål, og det er nødvendigt at sikre sig, at den ønskede region er den bedst mulige og indeholder optegnelser om processerne og tidsperioderne, der ønskes undersøgt. Vigtige metoder omfatter geologisk kortlægning, geofysiske undersøgelser på land og til havs, udvikling af bassinmodeller for at forstå kilder og links, palæografiske modeller og, for længere tidsperioder, rekonstruktioner af kontinentalplader. 

2. Med den regionale forståelse for øje skal specifikke lokationer identificeres, hvor man sandsynligvis vil kunne få de bedste optegnelser. Denne fase kræver indsamling af nye data, der er specifikke for prøveudtagningsmålene, med henblik på at optimere prøveudtagningsstrategien. Vigtige metoder omfatter geologisk kortlægning på land kombineret med geofysiske undersøgelser (især EM, tyngdekraft, magnetiske metoder), dyb og højopløselig lavvandet seismik kombineret med sekvensstratigrafisk fortolkning og kortlægning af havbunden med multibeam-teknologi. I nogle tilfælde kan denne lokale opmåling foretages i forbindelse med dedikeret prøveudtagning, hvorimod der i andre tilfælde kræves en høj grad af fortolkning, før mål udvælges. 

3. Udvælgelse af den bedste prøveudtagningsstrategi og udførelse af den. For kortere, nyligere tidsperioder kan dette omfatte tyngdekraft, kasse- eller stempelkerneboring, mens længere optegnelser og tid længere tilbage kræver boring eller, for optegnelser på land, prøveudtagning på blotninger. 

4. Endelig er det, når arkivet er oprettet, nødvendigt at opbevare arkivet med henblik på de næste trin, som omfatter datering med biostratigrafiske, radiokarbon- og andre dateringsmetoder for at etablere tidslinjen registreret af de forskellige proxies. Nogle optegnelser, såsom bløde Holocæn-sedimenter, kræver temperaturkontrolleret opbevaring for at sikre bevarelsen af fine sedimentære strukturer og følsomme proxyer. 

Sedimentologi

Variabiliteten i ​​sedimenternes kornstørrelser er en nøgleparameter for at kunne rekonstruere forskellige typer ændringer i det fysiske system. For eksempel er istransporteret nedfald (ice rafted debris, IRD) en vigtig proxy for vurdering af iskappens dynamik i løbet af mange af perioderne på den geologiske tidsskala og giver værdifuldt input til studier af udviklingen og stabiliteten af Grønlands Indlandsis under forskellige klimascenarier. 

Gennemsnitlig sortérbar siltvariabilitet kan bruges til at vurdere tidligere ændringer i det hydrodynamiske energiniveau ved havbunden, hvorimod eoliske sedimenter giver data om tidligere ændringer i vindregimerne. 

Der udføres rutinemæssigt en visuel beskrivelse af sedimentkernematerialet i GEUS. Dette giver information om sedimentære facies, strukturer, kornstørrelsesvariationer, forstyrrelser og den generelle kvalitet af arkivet, som kan indføres i en sedimentær log. 

Kernescanning er afgørende for at opnå baggrundsinformation om sedimentsammensætning og egenskaber. Scanning udføres ideelt før diskret prøveudtagning og analyser, da det kan give data om sedimentære cykler, vagt definerede strukturer (f.eks. mudrede turbiditter) eller ændringer i sammensætningen (f.eks. karbonatindhold). Næste trin er normalt at indhente information om sedimenttekstur og kornstørrelsesfordeling, hvorfra specifikke kornstørrelsesrelaterede proxyer kan udvindes. 

Disse analyser udføres af det sedimentologiske laboratorium, der både har en Malvern-mastersizer (laserpartikelstørrelsesanalysator) og udstyr til blandt andet at udføre hydrometeranalyser og loss on ignition (tab ved antændelse). 

På mikroskala kan sedimenter undersøges ved hjælp af lysmikroskopi og scanningselektronmikroskopi (SEM) og dermed give data om det finkornede stof og kornoverfladers tekstur. Dette kan give indsigt i sedimentets transporthistorie og diagenetiske præg. 

Uorganisk geokemi

Kvantitativ viden om det sedimentære arkivs geokemiske og mineralogiske sammensætning er ofte afgørende for miljøfortolkning og procesbaseret forståelse. Hoved- og sporelementsammensætning af diskrete prøver udføres normalt ved XRF- eller mikroprobe-SEM-analyser. Data om sedimentets oprindelse og transporthistorie kan fås ved radiogen datering af enkeltkorn ved hjælp af laser-ICP-MS. Hos GEUS er denne teknik blevet anvendt på flere mineralske faser for at begrænse grundfjeldets sedimentkilde, sedimentindgangspunkter i aflejringsbassiner og palæo-is-strømmen. 

Fossile optegnelser

Vores viden om fortiden er i høj grad baseret på fortolkningen af fossiler af organismer, der levede på land, samt marine fossiler på tværs af forskellige tidsskalaer. 
Fossile grupper af særlig interesse er mikrofossilerne (foraminiferer, kiselalger, dinoflagellatcyster og kalkholdige nannofossiler) og makrofossiler (ammonitter, toskallede, planter osv.). 
GEUS-forskere har en bred ekspertise inden for mange grupper af fossiler og deres anvendelser: 

Vi kortlægger ændringer i fortidens miljø og klima

Forudsætningen for fortolkning af tidligere fossiloptegnelser er en god forståelse af økologien og habitatet, der omgav de organismer, som producerede fossilerne. Det betyder, at ændringer i de fossile samlinger er fortolket, så de afspejler relative ændringer i specifikke parametre som bl.a. vanddybde, temperatur, havoverfladetemperatur, saltholdighed, havisdække, ferskvandsafstrømning og nedbør. GEUS har i dag faciliteter til at forberede prøver til analyser af foraminiferer, kiselalger, kalkholdige nannofossiler og makrofossiler.

Biostratigrafi er en af de mest almindeligt anvendte metoder til stratigrafisk korrelation af sedimentære optegnelser og det grundlæggende værktøj til at konstruere den geologiske tidsskala. 
Biostratigrafi bruger fossiler (deres rumlige og tidsmæssige fordeling) til at fastslå relative aldre på sedimentære bjergarter og hjælpe med at bestemme den stratigrafiske position af sedimentære successioner inden for eller mellem aflejringsbassiner. Afhængigt af de geologiske omgivelser og den geologiske tidsperiode kan den største fossilgruppe variere. F.eks. er den største fossilgruppe i Øvre Kridt i Nordsøbassinet kalkholdige nannofossiler, hvorimod alderen for overgangen mellem Trias og Jura i Nordsøbassinet bedst findes med palynologi (hvor man undersøger sporer, pollen og dinocyster). 

GEUS har stor ekspertise inden for dybtidsbiostratigrafi samt Holocæn til nyere tid

 

Organisk geokemi (biomarkører)

Organiske geokemiske forbindelser (biomarkører, kendt som molekylære fossiler), der stammer fra levende organismer, kan bevares i de geologiske optegnelser og bruges til at rekonstruere forskellige aspekter af palæoklimaet og palæomiljøet, såsom nedbør (f.eks. bladvoks), havoverfladetemperaturer (alkenoner), glycerol-dialkyl-glycerol-tetraether-lipider (GDGT'er), primær produktivitet (steroler) og havisforhold (meget forgrenede isoprenoider, (HBI'er)), blandt andre parametre. Biomarkører har generelt et godt bevaringspotentiale og kan med succes anvendes på fortiden såvel som til nyere sedimentære arkiver, så længe de er ordentligt kalibreret. 

Sedimentært fortids-DNA

Sedimentære optegnelser er et underudforsket DNA-reservoir, også når det gælder organismer, der ikke efterlader en fossil- eller biomarkør, og optegnelserne har dermed potentiale til at revolutionere vores forståelse af tidligere miljø og klima. Sedimentært gammelt DNA (per definition fragmenteret DNA fra tidligere levende organismer, der er adsorberet til sedimenter) kan bruges til at rekonstruere hele økosystemer og ændringer i fødenettets sammensætning. Sedimentært DNA er hastigt ved at blive en frontløber inden for palæoklimaforskning, og GEUS-forskere er engageret i flere sedaDNA-projekter både som ledere og partnere. Der er blevet etableret laboratoriefaciliteter til downstream-analyser af sedaDNA som en del af GEUS’ Clean Lab og PCR-laboratorier (herunder et ddPCR-system til kvantificering af specifikke genetiske markører), og der er dedikerede faciliteter til rutinemæssig delprøvetagning og ekstraktion af sedaDNA fra sedimentoptegnelser på vej. 

GEUS leder et glaciologisk overvågningsprogram (PROMICE), som er finansieret af den danske regering, og som i løbet af årene har udviklet stor ekspertise inden for numerisk modellering af Indlandsisens udvikling. Dette har affødt et nyt forskningsfelt i GEUS, der integrerer geologiske data med numeriske modeller. Konkret fokuserer en stor del af palæoklimaforskningen i GEUS på at rekonstruere den grønlandske Indlandsis’ udvikling og stabilitet under tidligere varme klimaer. Flere GEUS-projekter trækker på modelekspertisen i tværfagligt samarbejde: Indlandsismodellerne hjælper med at besvare geologiske spørgsmål, og de geologiske data kan bruges til at validere indlandsismodellerne ved at give længere tidsserier og undersøge variabiliteten på et større område af Indlandsisen. Nuværende indlandsismodeller, der bruges til forudsigelse af fremtidige havniveauændringer, er kun valideret med 35 års satellitdata, og den seneste IPCC-rapport peger på denne mangel og fremhæver behovet for længere tidsserier, som kun geologiske optegnelser kan give.