Förändringar i grundvattnet för miljontals år sedan skapade omväxlande lager av levande gult och brunt i mineralet sphalerit, och dessa variationer är i linje med rörelser i jordens omloppsbana som påverkade klimatet i det djupa förflutna, Penn State-forskare hittade.

Fynden ger nya bevis för hur förändringar i klimatet påverkade planetens nederbörd och grundvatten, en process som forskarna inte har dokumenterat väl, sa forskarna.

"Denna studie visar att sfaleritband kan användas som ett fingeravtryck av grundvatten i det geologiska förflutna, sa Mingsong Li, biträdande forskningsprofessor i geovetenskap vid Penn State. "Grundvatten är avgörande för att förstå globala havsnivåförändringar, kemisk vittring och landskapsutveckling, och den här studien presenterar en ny idé för att hjälpa till att urskilja grundvattnets roll i jordsystemet."

Ökad nederbörd påverkade den färgade bandningen i sfaleritprover från Upper Mississippi Valley Ore Mineral District i USA:s mellanvästern, sa forskarna. Mer nederbörd leder till att syrerikt grundvatten rinner till djup där mineralet bildades, och den ökade oxidationen resulterade i ljusare gula band. Torkare tider gav mörkare bruna färger.

Med hjälp av ny dejtingteknik, forskarna fann att dessa avsättningsmönster motsvarade förändringar i jordens omloppsbana under tiotusentals till hundratusentals år, känd som Milankovitch astronomiska cykler.

Dessa cykler hänvisar till förändringar i formen på jordens omloppsbana och variationer i lutningen av dess rotation som kan ha lett till varmare, blötare förhållanden för perioder från 299 miljoner till 252 miljoner år sedan, när sfaleriten bildades, sa forskarna.

"Vad vi gör är att förena geokemisk forskning på malmer med vad vi vet om astronomiska cykler från mycket olika forskning, sade Hubert Barnes, framstående professor emeritus vid Penn State. "Ingen har någonsin gjort ett försök till det här tidigare."

Forskningen bygger på tidigare arbete som visar hydrotermiska vätskor som skapade malmfyndigheter i dagens Iowa, Illinois och Wisconsin började som grundvatten i Appalacherna. Vattnet värmdes upp genom geotermiska processer och plockade upp metaller och lösta ämnen längs sin resa.

Men under tider med hög nederbörd, nya grundvattenkällor flödade till ungefär 3, 000 fot under ytan bär högre syrenivåer och blandas med de hydrotermiska vätskorna för att skapa olika färgade band i sfaleriten.

Forskarna digitaliserade en gråskaleprofil av sfaleriten från Wisconsin och analyserade banden med hjälp av ny datormjukvara som kan upptäcka periodiska signaler i proverna. De hittade distinkta frekvenstoppar i bandningen som korrelerar med Milankovitch-cyklerna.

Resultaten – publicerade idag (12 november) i tidskriften Geokemiska perspektivbrev — skulle kunna hjälpa till att förklara förändringar i havsnivån under tider i jordens historia när planeten var för varm för is, sa forskarna.

Förändringar i grundvattnet kan ha verkliga effekter på havsnivån. Om allt grundvatten dränerade ut i haven idag, havsnivån skulle stiga mer än 180 fot, enligt forskarna.

Ändå inkluderar prognoser av den långsiktiga globala medelhavsnivån på tidsskalor av hundratals till tusentals år ofta inte bidragen från landvattenlagring, sa forskarna. Den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, till exempel, anser att vattenlagring på land bidrag till havsnivåhöjningen är liten.

"Denna forskning öppnar ett nytt sätt att utvärdera klimatkontroll på grundvattenaktiviteter kopplade till globala vattenkretslopp, " Sa Li. "Detta är det första direkta beviset som visar grundvattenaktiviteter i det djupa förflutna."