Глубокий углеродный цикл
Глубокий углеродный цикл (или медленный углеродный цикл ) — это геохимический цикл (движение) углерода Земли через мантию и ядро .Он является частью углеродного цикла и тесно связан с движением углерода на поверхности и в атмосфере Земли. Возвращая углерод в недра Земли, он играет решающую роль в поддержании земных условий, необходимых для существования жизни. Без него углерод накапливался бы в атмосфере, достигая чрезвычайно высоких концентраций в течение длительных периодов времени. [1]
Поскольку недра Земли недоступны для бурения, о роли углерода в них мало что известно. Тем не менее, несколько свидетельств, многие из которых получены в результате лабораторного моделирования глубинных условий Земли, указывают на механизмы движения элемента вниз в нижнюю мантию, а также на формы, которые принимает углерод при экстремальных температурах и давлениях этого слоя. Кроме того, такие методы, как сейсмология, привели к лучшему пониманию потенциального присутствия углерода в ядре Земли. Исследования состава базальтовой магмы и потока углекислого газа из вулканов показывают, что количество углерода в мантии больше, чем на поверхности Земли, в тысячу раз. [2]
Количество углерода
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Углеродный цикл |
|---|
 |
В атмосфере и океанах содержится около 44 000 гигатонн углерода. Гигатонна — это один миллиард метрических тонн , что эквивалентно массе воды в более чем 400 000 плавательных бассейнах олимпийского размера. [3] Каким бы большим ни было это количество, оно составляет лишь небольшую часть одного процента углерода Земли. Более 90% могут находиться в ядре, большая часть остальных находится в коре и мантии. [4]
В фотосфере Солнца углерод является четвертым по распространенности элементом . Земля, вероятно, изначально имела такое же соотношение, но потеряла большую часть его из-за испарения по мере аккреции . Однако даже с учетом испарения силикаты , составляющие кору и мантию Земли, имеют концентрацию углерода в пять-десять раз меньше, чем в хондритах CI , форме метеора, который, как полагают, представляет собой состав солнечной туманности до образовались планеты . Часть этого углерода могла оказаться в ядре. В зависимости от модели ожидается, что доля углерода в ядре составит от 0,2 до 1 процента по массе. Даже при более низкой концентрации это будет составлять половину углерода Земли. [5]
Оценки содержания углерода в верхней мантии основаны на измерениях химического состава срединно-океанических хребтов базальтов (MORB). Их необходимо скорректировать с учетом дегазации углерода и других элементов. С момента образования Земли верхняя мантия потеряла 40–90% углерода в результате испарения и переноса к ядру в виде соединений железа. Самая строгая оценка дает содержание углерода в 30 частей на миллион (ppm). Ожидается, что нижняя мантия будет гораздо менее истощена – около 350 частей на миллион. [6]
Нижняя мантия
[ редактировать ]Углерод в основном попадает в мантию в виде богатых карбонатами отложений на тектонических плитах океанической коры, которые втягивают углерод в мантию при субдукции . О циркуляции углерода в мантии, особенно в недрах Земли, известно немногое, но многие исследования пытались расширить наше понимание движения и форм элемента в этом регионе. Например, исследование 2011 года показало, что круговорот углерода распространяется вплоть до нижней мантии. В ходе исследования были проанализированы редкие сверхглубокие алмазы на участке в Жуине, Бразилия , и установлено, что объемный состав некоторых включений алмазов соответствует ожидаемому результату плавления и кристаллизации базальта при более низких температурах и давлениях мантии. [7] Таким образом, результаты исследования показывают, что куски базальтовой океанической литосферы действуют как основной механизм переноса углерода в глубокие недра Земли. Эти субдуцированные карбонаты могут взаимодействовать с силикатами и металлами нижней мантии, в конечном итоге образуя сверхглубокие алмазы, подобные обнаруженному. [8]
| водохранилище | гигатонна С |
|---|---|
| Над поверхностью | |
| Континентальная кора и литосфера | |
| Океаническая кора и литосфера | |
| Верхняя мантия | |
| Нижняя мантия |
Карбонаты, спускающиеся в нижнюю мантию, образуют, помимо алмазов, и другие соединения. В 2011 году карбонаты подверглись воздействию среды, аналогичной той, что находится на глубине 1800 км под Землей, в нижней части мантии. Это привело к образованию магнезита , сидерита и многочисленных разновидностей графита . [9] Другие эксперименты, а также петрологические наблюдения подтверждают это утверждение, обнаруживая, что магнезит на самом деле является наиболее стабильной карбонатной фазой в большей части мантии. Во многом это является результатом его более высокой температуры плавления. [10] Следовательно, ученые пришли к выводу, что карбонаты восстанавливаются по мере спуска в мантию, прежде чем стабилизироваться на глубине в среде с низкой фугитивностью кислорода . Магний, железо и другие металлические соединения действуют как буферы на протяжении всего процесса. [11] Присутствие восстановленных элементарных форм углерода, таких как графит, указывает на то, что соединения углерода восстанавливаются по мере их спуска в мантию.
Тем не менее, полиморфизм изменяет стабильность карбонатных соединений на разных глубинах Земли. В качестве иллюстрации лабораторное моделирование и расчеты теории функционала плотности показывают, что тетраэдрически-координированные карбонаты наиболее стабильны на глубинах, приближающихся к границе ядро-мантия . [13] [9] Исследование 2015 года показывает, что высокое давление в нижней мантии приводит к переходу углеродных связей с sp 2 на sp 3 гибридных орбиталей , что приводит к тетраэдрическому связыванию углерода с кислородом. [14] Тригональные группы CO 3 не могут образовывать полимеризуемые сети, а тетраэдрические CO 4 могут, что означает увеличение координационного числа углерода и, следовательно, резкие изменения свойств карбонатных соединений в нижней мантии. Например, предварительные теоретические исследования показывают, что высокое давление приводит к увеличению вязкости карбонатного расплава; меньшая подвижность расплавов в результате описанных изменений свойств свидетельствует о наличии крупных залежей углерода глубоко в мантии. [15]
Соответственно, углерод может оставаться в нижней мантии в течение длительного периода времени, но большие концентрации углерода часто возвращаются в литосферу. Этот процесс, называемый выделением углерода, является результатом декомпрессионного плавления карбонатной мантии, а также мантийных плюмов, переносящих соединения углерода вверх к земной коре. [16] Углерод окисляется при подъеме к горячим точкам вулканов, где он затем выделяется в виде CO 2 . Это происходит для того, чтобы атом углерода соответствовал степени окисления базальтов, извергающихся в таких районах. [17]
Основной
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Биогеохимические циклы |
|---|
 |
Хотя присутствие углерода в ядре Земли строго ограничено, недавние исследования показывают, что в этом регионе могут храниться большие запасы углерода. Волны сдвига (S), движущиеся через внутреннее ядро, движутся со скоростью примерно пятьдесят процентов от скорости, ожидаемой для большинства сплавов с высоким содержанием железа. [18] Поскольку широко распространено мнение, что состав ядра представляет собой сплав кристаллического железа с небольшим количеством никеля, эта сейсмографическая аномалия указывает на существование другого вещества в этом регионе. Одна теория постулирует, что такое явление является результатом присутствия в ядре различных легких элементов, включая углерод. [18] Фактически, в исследованиях использовались ячейки с алмазными наковальнями для воспроизведения условий в ядре Земли, результаты которых показывают, что карбид железа (Fe 7 C 3 ) соответствует скорости звука и плотности внутреннего ядра, учитывая его профиль температуры и давления. Следовательно, модель карбида железа может служить доказательством того, что ядро содержит до 67% углерода Земли. [19] Более того, другое исследование показало, что углерод растворяется в железе и образует стабильную фазу с тем же составом Fe 7 C 3 , хотя и с другой структурой, чем упомянутая ранее. [20] Следовательно, хотя количество углерода, потенциально хранящегося в ядре Земли, неизвестно, недавние исследования показывают, что присутствие карбидов железа может соответствовать геофизическим наблюдениям.
Движение океанических плит, несущих соединения углерода, через мантию.
Две модели содержания углерода на Земле
Анализ скоростей поперечных волн сыграл важную роль в развитии знаний о существовании углерода в ядре.
Схема углерода, тетраэдрически связанного с кислородом
Потоки
[ редактировать ]
Значения дают максимальные и минимальные потоки с момента 200 миллионов лет назад. Выделены две основные границы:
( разрыв Мохоровичича граница кора-мантия; Мохо) и граница литосфера-астеносфера (ЛАБ). [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Глубокий углеродный цикл и наша обитаемая планета» . Глубокая углеродная обсерватория . 3 декабря 2015 г. Архивировано из оригинала 27 июля 2020 г. Проверено 19 февраля 2019 г.
- ^ Уилсон, Марк (2003). «Где находятся атомы углерода в мантии Земли?». Физика сегодня . 56 (10): 21–22. Бибкод : 2003PhT....56j..21W . дои : 10.1063/1.1628990 .
- ^ Коллинз, Терри; Пратт, Кэти (1 октября 2019 г.). «Ученые количественно оценили глобальное выделение вулканического CO2; оценили общее количество углерода на Земле» . Глубокая углеродная обсерватория . Архивировано из оригинала 3 октября 2019 года . Проверено 17 декабря 2019 г.
- ^ Суарес, Селина А.; Эдмондс, Мари; Джонс, Адриан П. (1 октября 2019 г.). «Земные катастрофы и их влияние на углеродный цикл» . Элементы . 15 (5): 301–306. дои : 10.2138/gselements.15.5.301 .
- ^ Ли, Цзе; Моккерджи, Майнак; Морар, Гийом (2019). «Углерод против других легких элементов в ядре Земли». В Оркатте, Бет Н.; Дэниел, Изабель; Дасгупта, Радждип (ред.). Глубокий углерод: прошлое и настоящее . Издательство Кембриджского университета. стр. 40–65. дои : 10.1017/9781108677950.011 . ISBN 9781108677950 . S2CID 210787128 .
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Коннектикут. А.; Цзян, Х.; Дасгупта, Р.; Торрес, М. (2019). «Основы понимания круговорота углерода на всей Земле». В Оркатте, Бет Н.; Дэниел, Изабель; Дасгупта, Радждип (ред.). Глубокий углерод: прошлое и настоящее . Издательство Кембриджского университета. стр. 313–357. дои : 10.1017/9781108677950.011 . ISBN 9781108677950 . S2CID 210787128 .
- ^ Американская ассоциация содействия развитию науки (15 сентября 2011 г.). «Углеродный цикл достигает нижней мантии Земли: доказательства углеродного цикла обнаружены в «сверхглубоких» алмазах из Бразилии» (пресс-релиз). ScienceDaily . Проверено 06 февраля 2019 г.
- ^ Стагно, В.; Фрост, диджей ; Маккаммон, Калифорния ; Мохсени, Х.; Фей, Ю. (5 февраля 2015 г.). «Летучесть кислорода, при которой графит или алмаз образуются из карбонатсодержащих расплавов в эклогитовых породах». Вклад в минералогию и петрологию . 169 (2): 16. Бибкод : 2015CoMP..169...16S . дои : 10.1007/s00410-015-1111-1 . S2CID 129243867 .
- ^ Перейти обратно: а б Фике, Гийом; Гийо, Франсуа; Перийя, Жан-Филипп; Озенде, Анн-Лайн; Антонангели, Даниэле; Корнь, Александр; Глотер, Александр; Булар, Эглантин (29 марта 2011 г.). «Новый хозяин углерода в глубинах Земли» . Труды Национальной академии наук . 108 (13): 5184–5187. Бибкод : 2011PNAS..108.5184B . дои : 10.1073/pnas.1016934108 . ПМК 3069163 . ПМИД 21402927 .
- ^ Дорфман, Сюзанна М.; Бадро, Джеймс; Набии, Фарханг; Прокопенко Виталий Борисович; Кантони, Марко; Жилле, Филипп (01 мая 2018 г.). «Устойчивость карбонатов в восстановленной нижней мантии» (PDF) . Письма о Земле и планетологии . 489 : 84–91. Бибкод : 2018E&PSL.489...84D . дои : 10.1016/j.epsl.2018.02.035 . ОСТИ 1426861 . S2CID 134119145 .
- ^ Келли, Кэтрин А.; Коттрелл, Элизабет (14 июня 2013 г.). «Окислительно-восстановительная неоднородность в базальтах Срединно-океанических хребтов как функция мантийного источника» . Наука . 340 (6138): 1314–1317. Бибкод : 2013Sci...340.1314C . дои : 10.1126/science.1233299 . ПМИД 23641060 . S2CID 39125834 .
- ^ Дасгупта, Радждип (10 декабря 2011 г.). Влияние океанских магматических процессов на современный запас глубинного углерода . Семинар по CIDER после AGU 2011. Архивировано из оригинала 24 апреля 2016 года . Проверено 20 марта 2019 г.
- ^ Литасов Константин Д.; Шацкий, Антон (2018). «Углеродсодержащие магмы в недрах Земли». Магмы под давлением . стр. 43–82. дои : 10.1016/B978-0-12-811301-1.00002-2 . ISBN 978-0-12-811301-1 .
- ^ Мао, Венди Л .; Лю, Чжэньсянь; Галли, Джулия; Пан, Дин; Булар, Эглантин (18 февраля 2015 г.). «Тетраэдрически координированные карбонаты в нижней мантии Земли». Природные коммуникации . 6 : 6311. arXiv : 1503.03538 . Бибкод : 2015NatCo...6.6311B . дои : 10.1038/ncomms7311 . ПМИД 25692448 . S2CID 205335268 .
- ^ Кармоди, Лаура; Джендж, Мэтью; Джонс, Адриан П. (1 января 2013 г.). «Карбонатные расплавы и карбонатиты». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 289–322. Бибкод : 2013RvMG...75..289J . дои : 10.2138/rmg.2013.75.10 .
- ^ Дасгупта, Радждип; Хиршманн, Марк М. (15 сентября 2010 г.). «Глубокий углеродный цикл и таяние недр Земли». Письма о Земле и планетологии . 298 (1): 1–13. Бибкод : 2010E&PSL.298....1D . дои : 10.1016/j.epsl.2010.06.039 .
- ^ Фрост, Дэниел Дж.; Маккаммон, Кэтрин А. (май 2008 г.). «Окислительно-восстановительное состояние мантии Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 36 (1): 389–420. Бибкод : 2008AREPS..36..389F . doi : 10.1146/annurev.earth.36.031207.124322 .
- ^ Перейти обратно: а б «Есть ли в ядре Земли глубокий резервуар углерода?» . Глубокая углеродная обсерватория . 14 апреля 2015 г. Архивировано из оригинала 27 июля 2020 г. Проверено 9 марта 2019 г.
- ^ Ли, Цзе; Чоу, Пол; Сяо, Юмин; Альп, Э. Эркан; Би, Вэньли; Чжао, Цзиюнь; Ху, Майкл Ю.; Лю, Цзячао; Чжан, Дунчжоу (16 декабря 2014 г.). «Скрытый углерод во внутреннем ядре Земли, обнаруженный при сдвиговом размягчении плотного Fe 7 C 3 » . Труды Национальной академии наук . 111 (50): 17755–17758. Бибкод : 2014PNAS..11117755C . дои : 10.1073/pnas.1411154111 . ПМЦ 4273394 . ПМИД 25453077 .
- ^ Ханфланд, М.; Чумаков А.; Рюффер, Р.; Прокопенко В.; Дубровинская Н.; Черантола, В.; Синмё, Р.; Миядзима, Н.; Накадзима, Ю. (март 2015 г.). «Высокий коэффициент Пуассона внутреннего ядра Земли объясняется легированием углерода». Природа Геонауки . 8 (3): 220–223. Бибкод : 2015NatGe...8..220P . дои : 10.1038/ngeo2370 .
- ^ Вонг, Кевин; Мейсон, Эмили; Брюн, Саша; Восток, Мэдисон; Эдмондс, Мари; Захирович, Сабин (2019). «Глубокий углеродный цикл за последние 200 миллионов лет: обзор потоков в различных тектонических условиях» . Границы в науках о Земле . 7 : 263. Бибкод : 2019FrEaS...7..263W . дои : 10.3389/feart.2019.00263 . S2CID 204027259 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хейзен, Роберт М.; Джонс, Адриан П.; Баросс, Джон А., ред. (2013). Углерод на Земле . Обзоры по минералогии и геохимии. Том. 75. Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0-939950-90-4 . Проверено 13 декабря 2019 г.
- Хейзен, Роберт М. (2019). Симфония на языке C: углерод и эволюция (почти) всего . WW Нортон. ISBN 9780393609448 .
- Оркатт, Б; Дасгупта Р., ред. (2019). Глубокий углерод: прошлое и настоящее . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781108677950 . hdl : 10023/18736 . ISBN 9781108677950 . S2CID 241804383 .