破译马托阿卡湖的人类世沉积史
伊利诺伊州密西西比河沿岸的加利纳镇（Galena）周边地区，在大半个世纪里一直处于领先地位。
该镇因当地丰富的天然矿物铅而得名。到19世纪中叶，加利纳地区开采和提炼的铅占美国总产量的80%。从彩色玻璃窗到子弹，方铅矿铅无处不在。
近200年后，方铅矿生产铅的证据出现在800英里外一个看似不太可能的地方：威廉玛丽大学校园里的马托阿卡湖。
但事实证明，从地质学角度来看，马托阿卡湖是一个理想的大气微粒储存库。由Jim Kaste和Nick Balascio领导的William & 玛丽地质学家团队挖掘了Matoaka湖的时间胶囊沉积物，以寻找工业革命和汽车时代发展的证据。他们的数据提供了关于气候变化的见解，甚至为当地历史记录中的一些空白提供了线索。
这里以前是阿彻的希望沼泽
巴拉西奥说：“Matoaka是一种有趣的标本，因为它的形成时间非常早，我们认为大约在1700年左右。”这个蓄水池最初被称为路德威尔磨坊池塘，是由一个名为阿切尔希望沼泽的湿地综合体筑坝而成的。巴拉西奥是地质学系的助理教授，他补充说，除了年代，该地区独特的地质环境也使马托阿卡湖成为一座地质考古金矿。
“它也在沿海平原内，这意味着很容易侵蚀基岩。因此，Matoaka的沉积速率非常高。”“这使我们能够以非常高的分辨率解决过去的环境变化和污染历史。”
他们的马托阿卡岩芯记录的不仅仅是方铅矿的铅熔炼，还提供了一次贯穿北美东部人类世的沉积之旅。他们在杂志上发表了他们的地质考古发现人类世他的共同作者都是威廉和玛丽：凯克佳博体育主任兰迪·钱伯斯，VIMS的研究和佳博体育专家梅雷迪思·迈耶；18岁的麦迪逊·伦肖和17岁的卡珊德拉·史密斯。
人类世的论文绝不是关于这个问题的最后定论。Matoaka取心是一个正在进行的项目，为地质系的学生提供了一系列的主题。
凯斯特说：“我们让学生们一厘米一厘米地挖掘沉积物。”
Balascio补充说：“我们已经完成了四到五篇关于Matoaka湖沉积物的本科论文。”“每个学生都看了一项单独的测量，我们多年来一直在整合它们。”
spc：煤火的遗迹
其中一名本科生是18岁的凯拉·卡洪（Kayla Cahoon），她在威廉与玛丽学院环境科学与政策项目的师生午宴上做了演讲。她的个人测量是被称为球形碳质颗粒（SPCs）的微小颗粒。
“它们来自燃烧煤炭。当你烧煤时，主要会发生两件事。这是留在炉底的东西；那就是煤灰，”卡洪解释道。“然后有颗粒通过烟道进入大气。这就是所谓的飞灰。”
她接着说，scp占所有燃烧煤炭产生的飞灰的5%到10%。Cahoon说，漂浮的粉煤灰及其所含的scp可以在距离源头一公里到数千公里的任何地方漂浮在大气中。
Cahoon研究了Matoaka湖的一个核心，这个核心可以追溯到大坝刚建成的时候。她在一系列苛性碱中准备了她的核心样品——硝酸、过氧化氢、氢氟酸和盐酸。
她说：“我想吃掉所有的泥土和泥土，只留下这些碳颗粒。”“然后我把它们装在幻灯片上，花几个小时计算点数。每一张幻灯片都是上下上下。”
SPCs的平均尺寸在20到30微米之间。卡洪在威廉玛丽综合科学中心用扫描电子显微镜检查她的载玻片，但她的主要仪器是一台双目反射显微镜。
将峰值和下降与历史记录进行比较
Cahoon和她的地质考古同事计算这些污染，以便他们可以将岩心中颗粒的相对丰度与历史记录进行比较。在Cahoon的案例中，她看到了与1861年美国内战开始相对应的scp的高峰。在1914年和1918年前后出现了一个更大的峰值，与第一次世界大战相对应。
她说：“那是火车、飞机和汽车真正开始上路的时候，我们看到化石燃料的使用量大幅增加。”她发现了另一个增长，与第二次世界大战的开始相对应——更多的火车、飞机和汽车。
而且有所下降。Cahoon说，第一个国家碳排放立法于1973年生效，在Matoaka湖的沉积物中记录为scp的下降。另一次SCP下降是在1993年，当时燃煤电厂的碳颗粒开始被烟道洗涤器捕获并沉积在垃圾填埋场。
所有这些波峰和波谷都出现在沉积物岩心的其他研究中，但Cahoon说她发现了更接近家园的东西。这是她在广泛的文献回顾中没有看到的。
“我在18世纪末发现了一个高峰，这与独立战争和威廉斯堡的发展是一致的，”她说。“在文献中没有其他人这样做过。在1830年前后，没有人收集过任何SCP粒子。”
“我开始深入研究这个问题的历史方面。我发现了一些我们都知道的东西，”Cahoon说。1699年，威廉斯堡成为维吉尼亚州的首府，一直到1780年。
“但这不仅是政治资本，也是工业资本，”她继续说。“威廉斯堡有大量的产业。最主要的是詹姆斯·安德森军械库。”
詹姆斯·安德森军械库，或其重建版本，正在威廉斯堡殖民地运作。卡洪采访了肯·施瓦兹，厂里的铁匠大师，还从他们的熔炉火焰和烟道中提取了样本。18世纪早期的安德森军械库是一个相当活跃的地方。
她说：“我们知道，从1765年到1780年，他每天运行8个锻炉，每天工作18个小时。”“都是烧煤。所以我们意识到，在工业革命开始之前，我们有一个非常独特的化石燃料使用故事。在所有的工厂之前。在所有火车到达之前。”
昨天的污染=今天的数据点
过去的污染物是现在的数据点。马托阿卡湖的档案沉积物记录了不止一个scp。凯斯特是地质系副教授，现任威廉玛丽学院环境科学与政策项目主任。他解释说，铅和汞是煤燃烧的额外副产品。
他说：“所以在有SCP的地方，你可以预期会有重金属污染物——这些数据与SCP数据的匹配程度是惊人的。”
但是，除了燃烧煤炭，汞还可以通过其他途径进入环境。一个学生的项目研究了汞，凯斯特说他们在1900年之前发现了汞的峰值。这是那个时代钱币的遗物。
他说，1880年到1890年，美国有很多银矿。“当你开采银或铅时，你会意外地开采汞，因为它们与同一种岩石类型有关。所以当你开采银矿时，你最终会向大气中排放大量的汞。”
铅的典型化学特征
和汞一样，铅进入环境的来源除了燃煤之外还有很多。当然，铅的冶炼也会产生铅微粒。凯斯特说，沉积物岩心显示，从1700年到1750年，铅浓度一直在上升，这与威廉斯堡在殖民时代的工业发展相一致。
他说：“有趣的是，在美国独立战争之后，你会发现这个数字在下降。”“这与历史记录一致，历史记录表明，威廉斯堡在首都搬到里士满后就衰落了。”
另一个高峰出现在1860年左右，与方铅矿铅工业的顶峰一致。凯斯特解释说，他们可以区分冶炼厂的铅和燃煤或其他来源的铅。（汞也有类似的诊断化学特征。）
“铅有不同的同位素特征，”他说。“有领先206、207和208。例如，煤富含铅207，而风化沉积物则富含另一种同位素。”
他们复杂的化学分析还可以揭示冶炼铅矿的来源。凯斯特说，来自方铅矿地区的铅矿具有非常独特的化学特征。为方铅矿冶炼厂提供原料的中西部上游矿体最终被开采殆尽，凯斯特、巴拉西奥和他们的学生能够在马托阿卡矿芯中追踪到方铅矿铅含量的下降。但是铅又回来了。
凯斯特说：“我们看到第二次世界大战——1942年左右出现了大幅增长。”“这将来自与制造战争子弹有关的铅开采。那里的采矿大多在爱达荷州。”
凯斯特说，战后铅含量略有下降，然后美国进入了一个他称之为“铅峰值”的时代。
“在20世纪60年代，我们在汽油中使用铅。每次你加满油箱，你就把四乙基铅放进油箱里。”“然后，当你按下油门并燃烧汽油时，铅就会从你的排气管里出来，它会上升并移动大约几百英里，然后每当下雨时就会下降。”
1977年颁布的《清洁空气法》和无铅汽油的问世都引起了人们的注意，因为马托阿卡湖沉积物中某些铅同位素突然消失了。
凯斯特说：“当我教授环境科学和政策的入门课程时，我喜欢把它作为有效立法的一个例子。”“你可以在冰芯中看到这一点，你可以在湖泊沉积物中看到这一点。一旦我们规定在汽油中添加铅是违法的，大气很快就得到了净化。”
