Обратное выветривание
Обратное выветривание обычно относится к образованию новообразований глины, в которых катионы и щелочность используются в процессе, не связанном с выветриванием силикатов. Более конкретно, обратное выветривание относится к образованию аутигенных глинистых минералов в результате реакции 1) биогенного кремнезема с водными катионами или катионсодержащими оксидами или 2) бедных катионами глин-предшественников с растворенными катионами или катионосодержащими оксидами. [ 1 ]
В процессе обратного выветривания может участвовать множество различных анионов и катионов, но его можно суммировать в следующей упрощенной реакции:
Биогенный кремнезем (SiO 2 ) + гидроксиды металлов (Al(OH) 4 − ) + растворенные катионы (K + , мг 2+ , Что + и др.) + бикарбонат (HCO 3 ) → глинистые минералы + H 2 O + CO 2 [ 2 ]
Образование аутигенных глинистых минералов путем обратного выветривания до конца не изучено. Большая часть проведенных исследований проводилась в локализованных районах, таких как дельта Амазонки , [ 3 ] Дельта Миссисипи палео-дельта в -Собрарбе ( Пиренеи ) Аинса , [ 4 ] что затрудняет глобальное понимание процесса. Большая часть движущей силы исследований обратного выветривания связана с ограничением баланса химической массы между реками и океанами. [ 5 ] До открытия обратного выветривания модель химического баланса массы океана предсказывала повышенное содержание щелочных металлов и бикарбонатов (HCO 3 − ) концентрации, чем наблюдалось. [ 5 ] Первоначально считалось, что весь этот избыток обусловлен образованием аутигенных глинистых минералов, но открытие гидротермальных источников поставило это под сомнение, поскольку удаление щелочно-щелочноземельных металлов и HCO 3 − из океана встречается и в этих местах. [ 5 ]
Методы анализа
[ редактировать ]Процесс и степень обратного выветривания были определены с помощью нескольких методов и показателей.
) на месте Измерения биогенного кремнезема и кремниевой кислоты (продукта выветривания использовались для анализа скорости и степени обратного выветривания в водной системе. [ 6 ] [ 7 ] Поглощение биогенного кремнезема в результате обратного выветривания будет наблюдаться по относительно низкой концентрации растворенного SiO 2 по сравнению с вышележащей водой.
Лабораторные наблюдения за обратным выветриванием проводились с использованием инкубаций и проточных реакторов для измерения скорости растворения опала. [ 8 ] [ 3 ] Глину изучали с помощью сканирующих электронных микроскопов , рентгеновского и просвечивающего электронных микроскопов . [ 1 ] Было замечено, что глина образовывалась быстро, и, используя это количество времени и известное содержание осадка, была оценена концентрация ионов калия, потребляемых этим процессом, в реках по всему миру. [ 1 ]
Лабораторные эксперименты могут также включать инкубационные эксперименты, в которых образцы осадков, полученные из природных сред, помещают в герметичные контейнеры с различными концентрациями реагентов обратного выветривания (биогенный кремнезем в виде диатомей, катионов, металлов и т. д.). [ 8 ]

Использование с индуктивно-связанной плазмой оптически-эмиссионного спектрометра (ICP-OES) также предоставляет информацию о концентрации и изотопах катионов и кремнезема в поровой воде и образцах переваренных отложений. Использование многоколлекторного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой (MC-ICP-MS) также используется как средство получения изотопных данных металлов и кремнезема в растворе. [ 7 ]
Концентрация изотопов лития в планктонных фораминиферах использовалась для вывода о прошлых изменениях скорости силикатов и обратного выветривания за последние 68 миллионов лет. [ 9 ] Удаление лития из морской воды в основном зависит от его ассимиляции в морских отложениях, и считается, что вариации указывают на относительную скорость силикатного выветривания и обратного выветривания, а также на другие факторы. Фораминиферы с низким содержанием лития позволяют предположить, что обратное выветривание могло быть более заметным в этот период времени. [ 9 ]
Элементы управления
[ редактировать ]Термодинамика
[ редактировать ]При изучении отложений дельты Амазонки было показано, что образование аутигенных силикатных глин в результате обратного выветривания термодинамически выгодно. [ 3 ] Основной контроль образования аутигенных силикатных глин заключается в подаче реагентов в растворе. Области ограниченного содержания биогенного опала , гидроксидов металлов (например, алюмината (Al(OH) 4 − )) или растворенные катионы ограничивают образование аутигенных силикатных глин. [ 8 ] Металлы, катионы и кремнезем в значительной степени поступают за счет выветривания терригенных материалов, что влияет на термодинамическую выгодность обратного выветривания. [ 10 ]
Кинетика
[ редактировать ]Кинетически образование глинистых минералов в результате обратного выветривания может происходить относительно быстро (<1 года). [ 3 ] Из-за короткого времени формирования обратное выветривание рассматривается как разумный вклад в различные биогеохимические циклы океана . [ 3 ]
Влияние на глобальные циклы
[ редактировать ]
Углеродный цикл
[ редактировать ]В процессе создания аутигенных глинистых минералов посредством обратного выветривания выделяется углекислый газ (CO 2 ). [ 10 ] Однако выброс бикарбоната при силикатном выветривании превышает количество CO 2 , образующегося при обратном выветривании. Таким образом, хотя обратное выветривание действительно увеличивает содержание CO 2 во время производства аутигенных глинистых минералов, оно подавляется концентрацией HCO 3 . − в системе и не окажет существенного влияния на местный pH . [ 10 ]

Кремнеземный цикл
[ редактировать ]В последние годы большой интерес для количественной оценки цикла кремнезема вызвало влияние обратного выветривания на биогенный кремнезем. Во время выветривания растворенный кремнезем попадает в океаны через ледниковый сток и речные стоки. [ 8 ] Этот растворенный кремнезем поглощается множеством морских организмов, таких как диатомовые водоросли , и используется для создания защитных панцирей. [ 8 ] Когда эти организмы умирают, они погружаются в толщу воды. [ 8 ] Без активной продукции биогенного SiO 2 минерал начинает диагенез. [ 8 ] Преобразование этого растворенного кремнезема в аутигенные силикатные глины в процессе обратного выветривания представляет собой удаление 20-25% поступившего кремния. [ 12 ]
Обратное выветривание часто происходит в дельтах рек, поскольку в этих системах наблюдаются высокие скорости накопления отложений и наблюдается быстрый диагенез. [ 13 ] Образование силикатных глин удаляет активный кремнезем из поровых вод осадка, увеличивая концентрацию кремнезема, обнаруженного в породах, образующихся в этих местах. [ 13 ]
Силикатное выветривание также, по-видимому, является доминирующим процессом в более глубоких метаногенных отложениях, тогда как обратное выветривание более распространено в поверхностных отложениях, но все же происходит с меньшей скоростью. [ 3 ]
Места обучения
[ редактировать ]
Дельты
[ редактировать ]В дельте реки Амазонки около 90% погребенного SiO 2 расходуется при обратном выветривании, при этом образование ионов калия в этом месте составляет около 2,8 мкмоль г. −1 год −1 . [ 3 ] Почти 7-10% поступающего калия из реки Амазонки выносится из океана за счет образования алюмосиликатов, богатых калием и железом. [ 3 ] В дельте реки Миссисипи около 40% SiO 2 превращается в аутигенные алюмосиликаты. захороненного в осадках [ 14 ] Основное различие между двумя дельтами связано с тем, что отложения в дельте Амазонки подвергаются ряду эрозионных и осадочных процессов, в результате которых образуется большое количество оксидов железа . Осадки обычно сохраняются в регионе в среднем 30 лет, но верхний слой подвергается серьезной физической переработке 1-2 раза в год. Данные о поровой воде позволяют предположить, что образование аутигенных глин в дельте Амазонки происходит от нескольких месяцев до нескольких лет. Лимитирующим реагентом глинообразования в этом регионе является количество доступного SiO 2 , поскольку речная вода обычно имеет высокую концентрацию других реагентов, таких как железо, калий, магний и алюминий. [ 3 ] В то время как в дельте Миссисипи ограничивающим питательным веществом для этих реакций является железо.
Эффект обратного выветривания наблюдался и в палеодельтовых системах. В бассейне Аинса палеодельтовая система сформировалась в эоцене и поднялась в результате складчатости Пиренеев . Изотопно-геохимические различия наблюдались между палеоотложениями, отложившимися в морских условиях, и палеоотложениями из аллювиальных условий. [ 15 ] Сигнатура изотопа лития (δ 7 Li) и подпись изотопа кремния (δ 30 Si) систематически легче в морских отложениях, чем в аллювиальных, [ 15 ] что предполагает образование аутигенных глин в морских отложениях. Кроме того, в морских отложениях δ 7 Сигнатура Li коррелирует с содержанием железа, что указывает на связь диагенеза железа и процессов обратного выветривания в морской среде. Это соединение может быть достигнуто в пониженных средах посредством следующих реакций: [ 15 ]
Н 4 SiO 4 + Fe 2+ + 2HCO3 - → FeO-SiO 2 (богатые железом глины) + 3H 2 O + 2CO 2

Эфиопские рифтовые озера
[ редактировать ]Обратное выветривание в озерах Эфиопского рифта легко наблюдать, и недавние исследования в этом месте были использованы для вывода о масштабах этого процесса в океане. Одно исследование предполагает, что в озерах наблюдается общий дефицит щелочности, и что чуть более половины этого дефицита можно объяснить образованием алюмосиликатных минералов. [ 4 ] Осаждение солей не является глубоким, что делает развитие этих глинистых минералов путем обратного выветривания более заметным по сравнению с океаном. Используя скорость образования глины в озерах Эфиопского рифта в качестве основы, исследование предполагает, что образование глины в океане слишком велико, чтобы полностью объяснить процесс обратного выветривания. Считается, что процесс глубоководного обратного выветривания никогда не завершается, поскольку уровень pH обычно низкий. гидротермальная деятельность вносит основной вклад в образование глины в глубоком океане. Предполагается, что [ 4 ]
Гидротермальные источники
[ редактировать ]
Некоторые предполагают, что гидротермальные источники могут быть важным источником обратного выветривания. [ 13 ] Некоторое время считалось, что земные речные потоки были единственным источником растворенных солей в океане. Позже было обнаружено, что гидротермальные жерла играют ключевую роль в солености океанов, высвобождая потоки растворенных минералов, образующихся в результате взаимодействия воды и горных пород. [ 16 ] В этих местах некоторые растворенные соли вступают в реакцию с породой и удаляются, тем самым изменяя ионный состав морской воды по сравнению с гидротермальным флюидом . [ 16 ]
Некоторые исследователи предполагают, что обратное выветривание может играть роль в круговороте кремнезема в гидротермальных источниках. [ 5 ] Низкотемпературные гидротермальные источники выделяют кремниевую кислоту из земной коры, и прежде чем она сможет покинуть морское дно, она остывает и выпадает в осадок в виде глины, например, смектита . [ 12 ] Степень, в которой обратное выветривание гидротермальных источников влияет на общий цикл кремнезема, является горячей темой. [ 17 ] [ 18 ] [ 12 ]
История
[ редактировать ]В 1933 году Виктор Мориц Гольдшмидт впервые предложил реакцию, при которой магматическая порода и летучие вещества взаимодействуют с образованием отложений и морской воды. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Ларс Гуннар Силлен позже предположил, что реакции, связанные с образованием силикатов, потенциально играют роль в контроле состава и pH морской воды в 1959 году. [ 20 ] На момент предложения Силлена термодинамические константы реакций глинистых минералов не были известны, и было очень мало термодинамических индикаторов существования такой реакции. [ 22 ] Затем Фредерик Маккензи и Роберт Гаррелс объединили работу Гольдшмидта и Силлена с концепцией реакций восстановления, чтобы вывести гипотезу обратного выветривания в 1966 году. [ 4 ] С тех пор обратное выветривание использовалось как возможное объяснение различных реакций и наблюдений морской среды.
Сегодня ведется много споров о значении обратного выветривания. Глобальные масштабы этого процесса еще не измерены, но выводы можно сделать на основе конкретных местных примеров. [ 23 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Маккензи, Фред Т.; Камп, Ли Р. (27 октября 1995 г.). «Обратное выветривание, образование глинистых минералов и циклы океанических элементов». Наука . 270 (5236): 586. Бибкод : 1995Sci...270..586M . дои : 10.1126/science.270.5236.586 . ISSN 0036-8075 . S2CID 128993379 .
- ^ Вальманн, К.; Алоизи, Г.; Геккель, М.; Тищенко П.; Павлова Г.; Грейнерт, Дж.; Каттерольф, С.; Эйзенхауэр, А. (июнь 2008 г.). «Силикатное выветривание в бескислородных морских отложениях» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 72 (12): 2895–2918. дои : 10.1016/j.gca.2008.03.026 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Михалопулос, Панайотис; Аллер, Роберт С. (1 марта 2004 г.). «Ранний диагенез биогенного кремнезема в дельте Амазонки: изменение, образование аутигенной глины и хранение». Geochimica et Cosmochimica Acta . 68 (5): 1061–1085. Бибкод : 2004GeCoA..68.1061M . дои : 10.1016/j.gca.2003.07.018 .
- ^ Jump up to: а б с д Дамм, КЛ; Эдмонд, Дж. М. (1984). «Обратное выветривание в озерах закрытого бассейна Эфиопского рифта». Американский научный журнал . 284 (7): 835–862. дои : 10.2475/ajs.284.7.835 .
- ^ Jump up to: а б с д Маккензи, Фред; Гаррелс, Роберт (1966). «Химический баланс массы между реками и океанами» . Американский научный журнал . 264 (7): 507–525. Бибкод : 1966AmJS..264..507M . дои : 10.2475/ajs.264.7.507 .
- ^ Морифудзи, Наото; Накашима, Сатору (2016). «Гидротермальная трансформация биогенного кремнезема, изученная методом инфракрасной спектроскопии in situ» (PDF) . Тезисы докладов Гольдскмидтовской конференции .
- ^ Jump up to: а б Элерт, Клаудия; Деринг, Кристин; Вальманн, Клаус; Шольц, Флориан; Соммер, Стефан; Грасс, Патрисия; Гейлерт, Соня; Фрэнк, Мартин (2016). «Признаки стабильных изотопов кремния в морских поровых водах - растворение биогенного опала в сравнении с образованием аутигенных глинистых минералов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 191 : 102–117. Бибкод : 2016GeCoA.191..102E . дои : 10.1016/j.gca.2016.07.022 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Лукайдес, Сократ; Михалопулос, Панайотис; Прести, Массимо; Конинг, Эрика; Берендс, Тило; Ван Каппеллен, Филипп (15 февраля 2010 г.). «Взаимодействие между диатомовым кремнеземом и терригенными отложениями, опосредованное морской водой: результаты долгосрочных экспериментов по инкубации». Химическая геология . 270 (1–4): 68–79. Бибкод : 2010ЧГео.270...68Л . doi : 10.1016/j.chemgeo.2009.11.006 .
- ^ Jump up to: а б Мишра, Самбудда; Фрёлих, Филип (2012). «История изотопов лития в кайнозойской морской воде: изменения в силикатном и обратном выветривании» . Наука . 335 (6070): 818–823. Бибкод : 2012Sci...335..818M . дои : 10.1126/science.1214697 . ПМИД 22282473 . S2CID 42591236 .
- ^ Jump up to: а б с Ли, Гаоцзюнь; Элдерфилд, Генри (15 февраля 2013 г.). «Эволюция углеродного цикла за последние 100 миллионов лет». Акта геохимии и космохимии . 103 : 11–25. Бибкод : 2013GeCoA.103...11L . дои : 10.1016/j.gca.2012.10.014 .
- ^ Трегер, Поль; Нельсон, Дэвид М.; Беннеком, Алейдо Дж. Ван; ДеМастер, Дэвид Дж.; Лейнарт, Од; Кегинер, Бернар (21 апреля 1995 г.). «Баланс кремнезема в Мировом океане: переоценка». Наука . 268 (5209): 375–379. Бибкод : 1995Sci...268..375T . дои : 10.1126/science.268.5209.375 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17746543 . S2CID 5672525 .
- ^ Jump up to: а б с Трегер, Поль Дж.; Роша, Кристина Л. Де Ла (2 января 2013 г.). «Кремнеземный цикл Мирового океана». Ежегодный обзор морской науки . 5 (1): 477–501. doi : 10.1146/annurev-marine-121211-172346 . ПМИД 22809182 .
- ^ Jump up to: а б с Аллер, RC (01 января 2014 г.). «Осадочный диагенез, условия осадконакопления и бентосные потоки». В Голландии Генрих Д.; Турекян, Карл К. (ред.). Трактат по геохимии (второе изд.). Оксфорд: Эльзевир . стр. 293–334. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00611-2 . ISBN 9780080983004 .
- ^ Прести, Массимо; Микалопулос, Панайотис (1 апреля 2008 г.). «Оценка вклада аутигенного минерального компонента в долговременное накопление активного кремнезема на западном шельфе дельты реки Миссисипи». Исследования континентального шельфа . 28 (6): 823–838. Бибкод : 2008CSR....28..823P . дои : 10.1016/j.csr.2007.12.015 .
- ^ Jump up to: а б с Чжан, Сюй (Ивон); Гайярде, Жером; Барьер, Лори; Буше, Жюльен (15 января 2022 г.). «Изотопы Li и Si обнаруживают аутигенные глинистые образования в палеодельте» . Письма о Земле и планетологии . 578 : 117339. Бибкод : 2022E&PSL.57817339Z . дои : 10.1016/j.epsl.2021.117339 . ISSN 0012-821X . S2CID 245366429 .
- ^ Jump up to: а б Фон Дамм, К. (1995). «Контроль за химией и временной изменчивостью гидротермальных флюидов морского дна». Геофизическая монография . Серия геофизических монографий. 91 : 222–247. Бибкод : 1995GMS....91..222В . дои : 10.1029/GM091p0222 . ISBN 9781118663998 – через Американский геофизический союз.
- ^ Рахман, С.; Аллер, Р.К.; Кокран, Дж. К. (16 июля 2016 г.). «Космогенный 32Si как индикатор захоронения и диагенеза биогенного кремнезема: основные дельтовые стоки в кремнеземном цикле» . Письма о геофизических исследованиях . 43 (13): 2016GL069929. Бибкод : 2016GeoRL..43.7124R . дои : 10.1002/2016GL069929 . ISSN 1944-8007 .
- ^ Расмуссен, Биргер (1998). «Удаление океанических РЗЭ путем аутигенного осаждения фосфатных минералов». Письма о Земле и планетологии . 164 (1–2): 135–149. Бибкод : 1998E&PSL.164..135R . дои : 10.1016/S0012-821X(98)00199-X .
- ^ Ли, Юань-Хуэй (1972). «Геохимический баланс масс литосферы, гидросферы и атмосферы» . Американский научный журнал . 272 (2): 119–137. Бибкод : 1972AmJS..272..119L . дои : 10.2475/ajs.272.2.119 .
- ^ Jump up to: а б Риствет, Байрон (1978). «Реакции обратного выветривания в недавних прибрежных отложениях, залив Канеохе, Оаху». Оборонное ядерное агентство .
- ^ Силлен, Ларс (1967). «Океан как химическая система». Наука . 156 (3779): 1189–1197. Бибкод : 1967Sci...156.1189S . дои : 10.1126/science.156.3779.1189 . ПМИД 17792775 . S2CID 220099254 .
- ^ Эмерсон, Стивен; Хеджес, Джон (2008). Химическая океанография и морской углеродный цикл . США, Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . стр. 43–44 . ISBN 978-0-521-83313-4 .
- ^ Голландия, HD; Турекян К.К., ред. (2014). «Осадочный диагенез, условия осадконакопления и бентосные потоки». Трактат по геохимии . Том. 8 (2-е изд.). Оксфорд: Эльзевир. стр. 293–334.