Кремнистый ил

Кремнистый ил — разновидность биогенных пелагических отложений, расположенных на глубоком дне океана . Кремнистые илы являются наименее распространенными из глубоководных отложений и составляют примерно 15% дна океана. [1] Тины определяются как отложения, которые содержат не менее 30% скелетных остатков пелагических микроорганизмов. [2] Кремнистые илы в основном состоят из кремнеземных скелетов микроскопических морских организмов, таких как диатомеи и радиолярии . Другие компоненты кремнистых илов вблизи окраин континентов могут включать частицы кремнезема земного происхождения и спикулы губок. Кремнистые илы состоят из скелетов опалового кремнезема SiO 2 · n H 2 O, в отличие от известковых илов , которые состоят из скелетов карбонатных кальция ( CaCO 3 · n H 2 O) организмов (т.е. кокколитофоров ). Кремнезем (Si) является биоэссенциальным элементом и эффективно перерабатывается в морской среде посредством кремнеземного цикла . [3] Расстояние от суши, глубина воды и плодородие океана — все это факторы, влияющие на содержание опалового кремнезема в морской воде и наличие кремнистых илов.

Формирование
[ редактировать ]Биологическое поглощение морского кремнезема
[ редактировать ]Кремнистые морские организмы, такие как диатомовые водоросли и радиолярии, используют кремнезем для формирования скелетов посредством процесса, известного как биоминерализация . Диатомеи и радиолярии в ходе эволюции научились поглощать кремнезем в форме кремниевой кислоты Si(OH) 4 . Как только организм изолирует молекулы Si(OH) 4 в своей цитоплазме , эти молекулы транспортируются в везикулы отложения кремнезема, где они трансформируются в опаловый кремнезем (B-SiO 2 ). У диатомей и радиолярий есть специализированные белки, называемые переносчиками кремния, которые предотвращают минерализацию во время секвестрации и транспортировки кремниевой кислоты внутри организма. [4]
Химическая формула биологического поглощения кремниевой кислоты:
Состояние насыщения опалового кремнезема
[ редактировать ]Часть серии, посвященной |
Биоминерализация |
---|
![]() |
Состояние насыщения опалового кремнезема увеличивается с глубиной океана из-за растворения тонущих частиц опала, образующихся в поверхностных водах океана, но все же остается достаточно низким, чтобы реакция с образованием биогенного опалового кремнезема оставалась термодинамически неблагоприятной. Несмотря на неблагоприятные условия, организмы могут использовать растворенную кремниевую кислоту для изготовления опаловых оболочек из кремнезема посредством биологически контролируемой биоминерализации. [4] Количество опалового кремнезема, попадающего на морское дно, определяется скоростью погружения, растворения и глубиной водного столба. [5]
Экспорт кремнезема в глубокий океан
[ редактировать ]Скорость растворения тонущего опалового кремнезема (B-SiO 2 ) в толще воды влияет на образование кремнистого ила на дне океана. Скорость растворения кремнезема зависит от состояния насыщения опалового кремнезема в толще воды и от переупаковки частиц опалового кремнезема в более крупные частицы с поверхности океана. [3] Переупаковка — это образование (а иногда и повторное образование) твердого органического вещества (обычно фекальных гранул) вокруг опалового кремнезема. Органическое вещество защищает от немедленного растворения опалового кремнезема в кремниевую кислоту, что приводит к увеличению осаждения морского дна. Глубина компенсации опала, аналогичная глубине компенсации карбоната , находится примерно на глубине 6000 метров. Ниже этой глубины происходит большее растворение опалового кремнезема в кремниевой кислоте, чем образование опалового кремнезема из кремниевой кислоты. В среднем только четыре процента опалового кремнезема, произведенного на поверхности океана, оседают на морском дне, а остальные 96% перерабатываются в толще воды. [3]
Ставки накопления
[ редактировать ]Кремнистые илы накапливаются в течение длительного времени. В открытом океане кремнистый ил накапливается со скоростью около 0,01 моль Si·м. −2 тот −1 . [6] Наиболее быстрые темпы накопления кремнистого ила наблюдаются в глубоких водах Южного океана (0,1 моль Si м −2 тот −1 ), где производство и экспорт биогенного кремнезема наиболее велики. [7] Скелетам диатомей и радиолярий, составляющих илы Южного океана, может потребоваться от 20 до 50 лет, чтобы опуститься на морское дно. [6] Кремнеземистые частицы могут тонуть быстрее, если они заключены в фекальные гранулы более крупных организмов. [6] После осаждения кремнезем продолжает растворяться и циркулировать, задерживая долговременное захоронение частиц до тех пор, пока глубина слоя осадка не достигнет 10–20 см. [6]
Формирование морских кремней
[ редактировать ]Когда опаловый кремнезем накапливается быстрее, чем растворяется, он захоранивается и может обеспечить диагенетическую среду для формирования морских кремней . [8] Процессы, приводящие к кремнистому образованию, наблюдаются в Южном океане, где накопление кремнистого ила происходит наиболее быстро. [8] Однако формирование кремня может занять десятки миллионов лет. [7] Фрагменты скелета кремнистых организмов подвержены рекристаллизации и цементации. [8] Черт является основной судьбой погребенного кремниевого ила и навсегда удаляет кремнезем из океанического круговорота кремнезема .
Географическое расположение
[ редактировать ]
Кремнистые илы образуются в районах апвеллинга , которые обеспечивают ценные питательные вещества для роста кремнистых организмов, обитающих в поверхностных водах океана. [9] Ярким примером является Южный океан, где последовательный апвеллинг циркумполярных глубоких вод Индии, Тихого океана и Антарктики привел к образованию сплошной кремнистой илы, которая простирается по всему земному шару. [7] имеется полоса кремнистого ила, возникшая в результате усиленного экваториального апвеллинга в отложениях Тихого океана Ниже Северного экваториального течения . В приполярной северной части Тихого океана апвеллинг происходит вдоль восточного и западного бортов бассейна от течения Аляска и течения Оясио . Кремнистый ил присутствует на морском дне в этих приполярных регионах. Пограничные течения океанского бассейна, такие как течение Гумбольдта и Сомалийское течение, являются примерами других восходящих течений, которые способствуют образованию кремнистого ила. [8]
Кремнистый ил часто классифицируют в зависимости от его состава. Диатомовые илы преимущественно состоят из скелетов диатомей и обычно встречаются вдоль окраин континентов в более высоких широтах. [9] Диатомовые илы присутствуют в Южном океане и северной части Тихого океана. [9] [10] Радиоляриевые илы состоят преимущественно из скелетов радиолярий и расположены главным образом в тропических, экваториальных и субтропических регионах. [10] Примерами радиоляриевых илов являются илы экваториальной области, субтропической части Тихого океана и субтропического бассейна Индийского океана. В экваториальном восточно-атлантическом бассейне небольшая поверхность глубоководных отложений покрыта илом радиолярий. [10]
Роль в океаническом цикле кремнезема
[ редактировать ]
Глубоководные отложения на морском дне в виде ила являются крупнейшим долговременным стоком океанического кремнеземного цикла (6,3 ± 3,6 тмоль Si в год). −1 ). [11] Как отмечалось выше, этот ил диагенетически трансформируется в литосферный морской кремень. Этот сток примерно уравновешивается силикатным выветриванием и речным поступлением кремниевой кислоты в океан. [11] Производство биогенного кремнезема в фотической зоне оценивается в 240 ± 40 Тмоль в год. −1 . [10] Быстрое растворение на поверхности удаляет примерно 135 Тмоль опала Si в год. −1 , превращая ее обратно в растворимую кремниевую кислоту, которую можно снова использовать для биоминерализации. [11] Оставшийся опаловый кремнезем экспортируется в глубины океана в виде тонущих частиц. [11] В глубоком океане еще 26,2 Тмол Си в год. −1 растворяется перед отложением в осадках в виде опалового кремнезема. [11] На границе раздела осадочных вод более 90% кремнезема перерабатывается и поднимается вверх для повторного использования в фотической зоне. [11] Время пребывания в биологическом масштабе оценивается примерно в 400 лет, при этом каждая молекула кремнезема перерабатывается 25 раз перед захоронением в отложениях. [11]
Кремнистые илы и секвестрация углерода
[ редактировать ]Диатомовые водоросли являются первичными производителями, которые преобразуют углекислый газ в органический углерод посредством фотосинтеза и экспортируют органический углерод с поверхности океана в глубокое море с помощью биологического насоса . [12] Таким образом, диатомовые водоросли могут быть значительным поглотителем углекислого газа в поверхностных водах. Из-за относительно большого размера диатомей (по сравнению с другим фитопланктоном) они способны поглощать больше углекислого газа. Кроме того, диатомовые водоросли не выделяют углекислый газ в окружающую среду во время формирования опал-силикатных оболочек. [12] Фитопланктон, который строит раковины из карбоната кальция (т.е. кокколитофороры), выделяет углекислый газ в качестве побочного продукта во время формирования раковины, что делает их менее эффективным поглотителем углекислого газа. [13] Силикатные скелеты опала увеличивают скорость погружения диатомовых частиц (т.е. углерода) с поверхности океана на морское дно. [14]
Опыты по железному оплодотворению
[ редактировать ]Уровень углекислого газа в атмосфере растет в геометрической прогрессии со времен промышленной революции. [13] Исследователи изучают способы снижения уровня углекислого газа в атмосфере за счет увеличения поглощения углекислого газа на поверхности океана посредством фотосинтеза. [14] Увеличение поглощения углекислого газа в поверхностных водах может привести к большей секвестрации углерода в глубоком море через биологический насос. Динамика цветения диатомей, их балластировка опаловым кремнеземом и различные потребности в питательных веществах сделали диатомовые водоросли объектом экспериментов по секвестрации углерода.
В рамках проектов по обогащению железом, таких как эксперименты по обогащению железом SERIES, железо было введено в океанские бассейны, чтобы проверить, увеличивает ли это скорость поглощения углекислого газа диатомовыми водорослями и, в конечном итоге, опускает его в глубины океана. [13] Железо является ограничивающим питательным веществом для фотосинтеза диатомовых водорослей в с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла районах океана , поэтому увеличение количества доступного железа может привести к последующему усилению фотосинтеза, что иногда приводит к цветению диатомовых водорослей. Это увеличение удаляет больше углекислого газа из атмосферы. Хотя поглощается больше углекислого газа, уровень секвестрации углерода в глубоководных отложениях, как правило, низок. Большая часть углекислого газа, поглощенного в процессе фотосинтеза, несколько раз перерабатывается в поверхностном слое, прежде чем попасть в глубины океана для изоляции. [13]
Палео-илы
[ редактировать ]Часть серии о |
Биогеохимические циклы |
---|
![]() |

До кремнеземистых организмов
[ редактировать ]В докембрии концентрации океанического кремнезема были на порядок выше, чем в современных океанах. Считается, что в этот период времени произошла эволюция биосилицификации. [15] Кремнистые илы образовались после того, как в поверхностных водах начали процветать организмы, связывающие кремнезем, такие как радиолярии и диатомеи. [15]
Эволюция кремнистых организмов
[ редактировать ]Радиолярии
[ редактировать ]Ископаемые данные свидетельствуют о том, что радиолярии впервые появились в позднем кембрии как свободно плавающие мелководные организмы. [16] Они не стали заметными в летописи окаменелостей до ордовика . [16] Радиоляриты возникли в регионах апвеллинга в районах высокой первичной продуктивности и являются старейшими известными организмами, способными к секреции раковин. [17] Остатки радиолярий сохранились в кремнях; побочный продукт преобразования кремнистого ила. [18] Основные события видообразования радиолярий произошли в мезозое . [19] Многие из этих видов в настоящее время вымерли в современном океане. [16] Ученые предполагают, что конкуренция с диатомовыми водорослями за растворенный кремнезем в кайнозое является вероятной причиной массового вымирания большинства видов радиолярий.
Диатомовые водоросли
[ редактировать ]Самые старые хорошо сохранившиеся окаменелости диатомей датируются началом юрского периода. Однако молекулярная летопись предполагает, что диатомовые водоросли возникли по крайней мере 250 миллионов лет назад в триасовый период . [20] По мере появления и распространения новых видов диатомей уровень кремнезема в океане начал снижаться. [19] Сегодня существует около 100 000 видов диатомей, большинство из которых микроскопические (2–200 мкм). [19] Некоторые ранние диатомеи были крупнее и могли достигать диаметра от 0,2 до 22 мм. [17]
Самые ранние диатомеи были радиальноцентрическими и жили на мелководье недалеко от берега. [19] Эти ранние диатомеи были приспособлены к жизни на бентосе, поскольку их внешние раковины были тяжелыми и не позволяли им свободно плавать. [19] Свободно плавающие диатомеи, известные как биполярные и мультиполярные центрики, начали развиваться примерно 100 миллионов лет назад, в меловой период . [19] Ископаемые диатомеи сохраняются в диатомите (также известном как диатомит ), который является одним из побочных продуктов преобразования ила в горную породу. [19] Когда диатомовые частицы начали опускаться на дно океана, углерод и кремнезем были изолированы вдоль континентальных окраин. Углерод, поглощенный континентальными окраинами, стал сегодня главными запасами нефти. [12] Эволюция диатомовых водорослей знаменует собой период в геологической истории Земли, когда произошло значительное удаление углекислого газа из атмосферы при одновременном повышении уровня кислорода в атмосфере. [12]
Как ученые используют палеоил
[ редактировать ]Палеоокеанографы изучают доисторические илы, чтобы узнать об изменениях в океанах с течением времени. [9] Распределение отложений и характер отложения илов информируют ученых о доисторических районах океанов, в которых были идеальные условия для роста кремнистых организмов. [9]
Ученые исследуют палеоил, взяв керны глубоководных отложений. [9] Слои отложений в этих кернах показывают характер отложений океана с течением времени. Ученые используют палеоилы в качестве инструментов, позволяющих лучше определить условия палеоокеанов. [9] Скорость нарастания палеоил можно использовать для определения глубоководной морской циркуляции, тектонической активности и климата в определенный момент времени. Тины также полезны для определения исторической численности кремнистых организмов. [21]
Формация Бурубайтал
[ редактировать ]Бурубатская свита, расположенная в Западном Прибалхашье Казахстана, является старейшим из известных глубинных биогенных месторождений. [20] Формация Бурубайтал в основном состоит из кремня, который формировался в течение 15 миллионов лет (поздний кембрий - средний ордовик ). [20] Вероятно, эти отложения образовались в районе апвеллинга в субэкваториальных широтах. [20] Формация Бурубайтал в основном состоит из радиоляритов, поскольку на момент ее формирования диатомеи еще не эволюционировали. Отложения Бурубайтала заставили исследователей поверить в то, что радиолярии сыграли значительную роль в позднекембрийском цикле кремнезема. [20] Поздний кембрий (497–485,4 млн лет назад) знаменует собой переходное время для морского биоразнообразия и начало накопления ила на морском дне. [20]
Сдвиги в распространении в миоцене
[ редактировать ]Сдвиг в географическом распространении кремнистых илов произошел в миоцене . [9] Шестнадцать миллионов лет назад произошло постепенное сокращение отложений кремнистого ила в Северной Атлантике и одновременное увеличение отложений кремнистого ила в северной части Тихого океана. [9] Ученые предполагают, что этот сдвиг режима мог быть вызван появлением переливной воды Северного моря, которая способствовала образованию глубоководных вод Северной Атлантики (NADW). Формирование придонных вод Антарктики (ААДВ) произошло примерно в то же время, что и формирование НАДВ. [9] Образование NADW и AABW кардинально изменило океан и привело к пространственному смещению популяций кремнистых организмов. [9]
Цветение палеоценового планктона
[ редактировать ]Граница мелового и третичного периодов была временем глобального массового вымирания, обычно называемого массовым вымиранием КТ . В то время как большинство организмов исчезало, морские кремнистые организмы процветали в морях раннего палеоцена. Один из таких примеров произошел в водах недалеко от Мальборо, Новая Зеландия. [22] Палеоиловые отложения свидетельствуют о бурном росте как диатомей, так и радиолярий в это время. Ученые полагают, что этот период высокой продуктивности биокремния связан с глобальными климатическими изменениями. Этот бум кремнистого планктона был наибольшим в течение первого миллиона лет третичного периода и, как полагают, был вызван усилением апвеллинга в ответ на похолодание климата и усилением круговорота питательных веществ из-за изменения уровня моря. [22]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Малдер, Тьерри; Хюнеке, Хайко; Ван Лун, AJ (2011), «Прогресс в глубоководной седиментологии», Deep-Sea Sediments , Elsevier, стр. 1–24, doi : 10.1016/b978-0-444-53000-4.00001-9 , ISBN 9780444530004
- ^ Пурман, Герхард; Абельманн, Андреа; Герсонде, Райнер; Хуббертен, Ганс; Кун, Герхард (1994). «Чистый кремнистый ил, диагенетическая среда для раннего образования кремней». Геология . 22 (3): 207. Бибкод : 1994Geo....22..207B . doi : 10.1130/0091-7613(1994)022<0207:psoade>2.3.co;2 .
- ^ Перейти обратно: а б с ДеМастер, Дэвид Дж. (октябрь 1981 г.). «Поставка и накопление кремнезема в морской среде». Geochimica et Cosmochimica Acta . 45 (10): 1715–1732. Бибкод : 1981GeCoA..45.1715D . дои : 10.1016/0016-7037(81)90006-5 .
- ^ Перейти обратно: а б «Кристаллизация и биоминерализация растительного кремнезема: основные наблюдения» . Исследовательские ворота . Проверено 28 ноября 2018 г.
- ^ Диксит, Сувасис; Ван Каппеллен, Филипп (июль 2002 г.). «Химия поверхности и реакционная способность биогенного кремнезема». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (14): 2559–2568. Бибкод : 2002GeCoA..66.2559D . дои : 10.1016/s0016-7037(02)00854-2 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Стокер, ДК; Густафсон, Делавэр; Верити, ПГ (1996). «Микро- и мезопротозоопланктон на высоте 140*з.д. в экваториальной части Тихого океана: гетеротрофы и миксотрофы» . Водная микробная экология . 10 : 273–282. дои : 10.3354/ame010273 .
- ^ Перейти обратно: а б с Беркл, Ллойд Х.; Чирилли, Джером (1987). «Происхождение пояса диатомового ила в Южном океане: значение для позднечетвертичной палеоокеанографии». Микропалеонтология . 33 (1): 82. Бибкод : 1987MiPal..33...82B . дои : 10.2307/1485529 . JSTOR 1485529 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Динамика атмосферы, океана и климата: вводный текст .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к КЕЛЛЕР, ГЕРТА; БАРРОН, ДЖОН А. (1983). «Палеокеанографические последствия глубоководных перерывов в миоцене». Бюллетень Геологического общества Америки . 94 (5): 590. Бибкод : 1983GSAB...94..590K . doi : 10.1130/0016-7606(1983)94<590:piomdh>2.0.co;2 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ван Каппеллен, П. (январь 2003 г.). «Биоминерализация и глобальные биогеохимические циклы». Обзоры по минералогии и геохимии . 54 (1): 357–381. Бибкод : 2003РвМГ...54..357В . CiteSeerX 10.1.1.499.4327 . дои : 10.2113/0540357 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Трегер П.Ж., Де Ла Роча CL (3 января 2013 г.). «Цикл кремнезема в мировом океане». Ежегодный обзор морской науки . 5 (1): 477–501. doi : 10.1146/annurev-marine-121211-172346 . ПМИД 22809182 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Армбруст Е.В. (май 2009 г.). «Жизнь диатомей в Мировом океане». Природа . 459 (7244): 185–92. Бибкод : 2009Natur.459..185A . дои : 10.1038/nature08057 . ПМИД 19444204 . S2CID 3738371 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Межправительственная группа экспертов по изменению климата, под ред. (2014), «Углерод и другие биогеохимические циклы, страницы с 465 по 514», Изменение климата, 2013 г. - Основы физических наук , Cambridge University Press, стр. 465–514, doi : 10.1017/cbo9781107415324.014 , ISBN 9781107415324
- ^ Перейти обратно: а б Иверсен, МХ; Плауг, Х. (07 сентября 2010 г.). «Балластные минералы и опускающийся поток углерода в океане: скорость дыхания углерода и скорость погружения агрегатов морского снега» . Биогеонауки . 7 (9): 2613–2624. Бибкод : 2010BGeo....7.2613I . дои : 10.5194/bg-7-2613-2010 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Перейти обратно: а б «Прогулка во времени – 208 миллионов лет назад – Кремниевая симметрия: триасово-юрское массовое вымирание» . www.globalcommunity.org . Проверено 26 ноября 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Ископаемый рекорд . 11 (1). Февраль 2008 г. doi : 10.1002/mmng.v11:1 . ISSN 1435-1943 .
{{cite journal}}
: Отсутствует или пусто|title=
( помощь ) - ^ Перейти обратно: а б Кемп, AES; Пирс, РБ; Григоров И.; Рэнс, Дж.; Ланге, CB; Куилти, П.; Солтер, И. (13 октября 2006 г.). «Производство гигантских морских диатомей и их экспорт в океанические фронтальные зоны: последствия для потока Si и C из стратифицированных океанов» (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 20 (4): н/д. Бибкод : 2006GBioC..20.4S04K . дои : 10.1029/2006gb002698 . ISSN 0886-6236 . S2CID 39371561 .
- ^ Данелян, Таниэль; Эйчисон, Джонатан К.; Благородный, Паула; Каридроа, Марсьяль; Сузуки, Норитоши; О'Догерти, Луис (сентябрь 2017 г.). «Исторический обзор почти 130-летних исследований палеозойских радиолярий» . Геодиверситас . 39 (3): 351–361. дои : 10.5252/g2017n3a2 . ISSN 1280-9659 . S2CID 134007679 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Реноди, Йохан; Дрюс, Эффи-Лора; Бёне, Саймон (20 августа 2018 г.). «Палеоценовая летопись морских диатомей в глубоководных отложениях» . Ископаемый рекорд . 21 (2): 183–205. doi : 10.5194/fr-21-183-2018 . ISSN 2193-0074 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Толмачева Татьяна Юрьевна; Данелян, Таниэль; Попов, Леонид Евгеньевич (2001). «Свидетельства непрерывного глубоководного биогенного кремнистого осадконакопления в ранних палеозойских океанах в течение 15 млн лет». Геология . 29 (8): 755. Бибкод : 2001Geo....29..755T . doi : 10.1130/0091-7613(2001)029<0755:efmyoc>2.0.co;2 . ISSN 0091-7613 .
- ^ КЕЛЛЕР, ГЕРТА; БАРРОН, ДЖОН А. (1983). «Палеокеанографические последствия глубоководных перерывов в миоцене». Бюллетень Геологического общества Америки . 94 (5): 590. Бибкод : 1983GSAB...94..590K . doi : 10.1130/0016-7606(1983)94<590:piomdh>2.0.co;2 . [ нужна проверка ]
- ^ Перейти обратно: а б Холлис, CJ; Роджерс, штат Калифорния; Паркер, Р.Дж. (1 сентября 1995 г.). «Цветение кремниевого планктона в раннем третичном периоде Мальборо, Новая Зеландия». Геология . 23 (9): 835–838. Бибкод : 1995Geo....23..835H . doi : 10.1130/0091-7613(1995)023<0835:SPBITE>2.3.CO;2 . ISSN 0091-7613 .