Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Глубинный углерод

Глубокий углеродный цикл является движением углерода через земную мантию и ядро . Он является частью углеродного цикла и тесно связан с перемещением углерода на поверхности и в атмосфере Земли. Возвращая углерод в глубины Земли, он играет решающую роль в поддержании земных условий, необходимых для существования жизни. Без него углерод будет накапливаться в атмосфере, достигая чрезвычайно высоких концентраций в течение длительных периодов времени. [1]

Поскольку глубокие земли недоступны для бурения, окончательно мало что известно о роли углерода в них. Тем не менее, несколько свидетельств - многие из которых получены в результате лабораторных симуляций глубинных условий Земли - указали 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 [ править ]

Часть серии о
Цикл углерода
Формы органического вещества. Webp
По регионам
Углекислый газ
Типы углерода
Метаболические пути
  • Углеродное дыхание
    • Почва
    • Фото
Угольные насосы
  • Биологический насос
  • Насос растворимости
  • Липидный насос
  • Морской снег
  • Микробная петля
  • Вирусный шунт
  • Желейный насос
  • Китовый насос
  • Континентальный шельфовый насос
Связывание углерода
  • Биосеквестрация
  • Поглотитель углерода
  • Хранение углерода в почве
  • Хранение углекислого газа в океане
Метан
  • Атмосферный метан
  • Метаногенез
  • Выбросы метана
    • Арктический
    • Водно-болотные угодья
  • Аэробное производство
  • Гипотеза клатратской пушки
  • Клатрат диоксида углерода
Биогеохимический
  • Морские циклы
  • Питательный цикл
  • Карбонатно-силикатный цикл
  • Глубина компенсации карбоната
  • Коэффициент Редфилда
Другой
  • Прокси реконструкции климата
  • Глубокая углеродная обсерватория
  • Глобальный углеродный проект
  • Улавливание и хранение углерода
  • Территориализация углеродного управления
  • Сеть наблюдения за общим содержанием углерода
  • C4MIP
  • v
  • т
  • е

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 бассейнов олимпийского размера. [3] Каким бы большим ни было это количество, оно составляет лишь небольшую долю одного процента углерода Земли. Более 90% может находиться в ядре, а большая часть остального - в коре и мантии. [4]

В фотосфере Солнца углерод является четвертым по распространенности элементом . Земля, вероятно, начинала с аналогичным соотношением, но потеряла большую часть из-за испарения при 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 состав солнечной туманности ранее. планеты сформировались. Часть этого углерода могла оказаться в ядре. В зависимости от модели предполагается, что углеродная доля в ядре составляет от 0,2 до 1 процента по весу. Даже при более низкой концентрации это будет составлять половину углерода Земли. [5]

Оценки содержания углерода в верхней мантии основаны на измерениях химического состава базальтов срединно-океанических хребтов (MORB). Их необходимо исправить на дегазацию углерода и других элементов. С момента образования Земли верхняя мантия потеряла 40–90% углерода в результате испарения и переноса в ядро ​​соединений железа. Самая точная оценка дает содержание углерода 30 частей на миллион (ppm). Ожидается, что нижняя мантия будет гораздо менее обедненной - около 350 ppm. [6]

Нижняя мантия [ править ]

Углерод в основном входит в мантию в виде богатых карбонатом отложений на тектонических плитах океанской коры, которые втягивают углерод в мантию при субдукции . О циркуляции углерода в мантии, особенно в глубинах Земли, известно немного, но многие исследования пытались расширить наше понимание движения и форм элемента в указанном регионе. Например, исследование 2011 года показало, что круговорот углерода простирается до нижней части мантии. В ходе исследования были проанализированы редкие сверхглубокие алмазы на участке в Джуине, Бразилия , и было определено, что объемный состав некоторых алмазных включений соответствует ожидаемому результату плавления и кристаллизации базальта.при более низких температурах и давлениях мантии. [7] Таким образом, результаты исследования указывают на то, что части 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 найденному. [8]

Резервуары углерода в мантии, коре и поверхности. [6]
Резервуаргигатонна C
Над поверхностью
Континентальная кора и литосфера
Океаническая кора и литосфера
Верхняя мантия
Нижняя мантия

Карбонаты, спускающиеся в нижнюю мантию, помимо алмазов образуют и другие соединения. В 2011 году карбонаты подверглись воздействию окружающей среды, аналогичной окружающей среде на 1800 км вглубь Земли, в пределах нижней мантии. Это привело к образованию магнезита , сидерита и многочисленных разновидностей графита . [9] Другие эксперименты, а также петрологические наблюдения подтверждают это утверждение, обнаружив, что магнезит на самом деле является наиболее стабильной карбонатной фазой в большей части мантии. Во многом это связано с его более высокой температурой плавления. [10] Следовательно, ученые пришли к выводу, что карбонаты подвергаются восстановлению.поскольку они опускаются в мантию, прежде чем стабилизируются на глубине средами с низкой летучестью кислорода . Магний, железо и другие металлические соединения действуют как буферы на протяжении всего процесса. [11] Присутствие восстановленных элементарных форм углерода, подобных графиту, может указывать на то, что соединения углерода восстанавливаются по мере того, как они спускаются в мантию.

Процессы дегазации углерода [12]

Тем не менее, полиморфизм изменяет стабильность карбонатных соединений на разных глубинах Земли. Чтобы проиллюстрировать это, лабораторное моделирование и расчеты теории функционала плотности показывают, что карбонаты с тетраэдрической координацией наиболее устойчивы 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 гибридизированные орбитали , в результате чего углерод тетраэдрически связывается с кислородом. [14] Тригональные группы CO 3 не могут образовывать полимеризуемые сети, в то время как тетраэдрические группы CO 4может, что означает увеличение координационного числа углерода и, следовательно, резкие изменения свойств карбонатных соединений в нижней мантии. Например, предварительные теоретические исследования показывают, что высокое давление вызывает увеличение вязкости карбонатного расплава; более низкая 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 длительных периодов времени, но большие концентрации углерода часто возвращаются в литосферу. Этот процесс, называемый дегазированием углерода, является результатом декомпрессионного плавления карбонизированной мантии, а также мантийных плюмов, переносящих углеродные соединения вверх по направлению к коре. [16] Углерод окисляется при подъеме к горячим точкам вулкана, где он затем выделяется в виде CO 2 . Это происходит так, что атом углерода соответствует степени окисления базальтов, извергающихся в таких областях. [17]

Ядро [ править ]

Хотя присутствие углерода в ядре Земли строго ограничено, недавние исследования показывают, что в этом регионе могут храниться большие запасы углерода. Сдвиговые (S) волны, движущиеся по внутреннему сердечнику, распространяются со скоростью примерно пятьдесят процентов от скорости, ожидаемой для большинства сплавов с высоким содержанием железа. [18] Учитывая, что состав ядра, как широко считается, 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 различных легких элементов, включая углерод, в ядре. [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 с учетом его профиля температуры и давления. Следовательно, модель карбида железа может служить доказательством того, что ядро ​​содержит до 67% углерода Земли. [19] Кроме 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 углеродные соединения, через мантию
Две модели содержания углерода в Земле

Галерея [ править ]

  • Анализ скоростей поперечных волн сыграл важную роль в развитии знаний о существовании углерода в ядре.

  • Схема углерода, тетраэдрически связанного с кислородом

См. Также [ править ]

  • Глубокая углеродная обсерватория
  • Геохимия углерода

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Глубокий углеродный цикл и наша обитаемая планета» . Глубокая углеродная обсерватория . 3 декабря 2015 . Проверено 19 февраля 2019 .
  2. ^ Уилсон, Марк (2003). «Где атомы углерода находятся в мантии Земли?». Физика сегодня . 56 (10): 21–22. Bibcode : 2003PhT .... 56j..21W . DOI : 10.1063 / 1.1628990 .
  3. ^ Коллинз, Терри; Пратт, Кэти (1 октября 2019 г.). «Ученые количественно определяют выбросы углекислого газа из вулканов в мире; оценивают общий углерод на Земле» . Глубокая углеродная обсерватория . Проверено 17 декабря 2019 .
  4. ^ 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. DOI : 10.2138 / gselements.15.5.301 .
  5. ^ Ли, Цзе; Мокхерджи, Майнак; Морар, Гийом (2019). «Углерод против других легких элементов в ядре Земли». В Orcutt, Beth N .; Даниэль, Изабель; Дасгупта, Радждип (ред.). Глубокий углерод: от прошлого к настоящему . Издательство Кембриджского университета. С. 40–65. DOI : 10.1017 / 9781108677950.011 . ISBN 9781108677950.
  6. ^ а б Ли, штат Коннектикут. А .; Jiang, H .; Dasgupta, R .; Торрес, М. (2019). «Рамки для понимания круговорота углерода на всей Земле». В Orcutt, Beth N .; Даниэль, Изабель; Дасгупта, Радждип (ред.). Глубокий углерод: от прошлого к настоящему . Издательство Кембриджского университета. С. 313–357. DOI : 10.1017 / 9781108677950.011 . ISBN 9781108677950.
  7. ↑ Американская ассоциация развития науки (15 сентября 2011 г.). «Углеродный цикл достигает нижней мантии Земли: свидетельства углеродного цикла, обнаруженные в« сверхглубоких »алмазах из Бразилии» (пресс-релиз). ScienceDaily . Проверено 6 февраля 2019 .
  8. ^ Stagno, V .; Frost, DJ; Маккаммон, Калифорния; Mohseni, H .; Фей, Ю. (5 февраля 2015 г.). «Летучесть кислорода, при которой графит или алмаз образуется из карбонатсодержащих расплавов в эклогитовых породах». Вклад в минералогию и петрологию . 169 (2): 16. Bibcode : 2015CoMP..169 ... 16S . DOI : 10.1007 / s00410-015-1111-1 . S2CID 129243867 . 
  9. ^ a b Фике, Гийом; Гайо, Франсуа; Перрилла, Жан-Филипп; Озенд, Анн-Лайн; Антонанджели, 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. Bibcode : 2011PNAS..108.5184B . DOI : 10.1073 / pnas.1016934108 . PMC 3069163 . PMID 21402927 .  
  10. ^ Дорфман, Сюзанна М .; Бадро, Джеймс; Набиеи, Фарханг; Пракапенко, Виталий Б .; Кантони, Марко; Жилле, Филипп (2018-05-01). «Карбонатная устойчивость в восстановленной нижней мантии». Письма о Земле и планетологии . 489 : 84–91. Bibcode : 2018E и PSL.489 ... 84D . DOI : 10.1016 / j.epsl.2018.02.035 . ОСТИ 1426861 . 
  11. ^ Келли, Кэтрин А .; Коттрелл, Элизабет (14.06.2013). "Редокс-неоднородность в базальтах срединно-океанического хребта как функция мантийного источника". Наука . 340 (6138): 1314–1317. Bibcode : 2013Sci ... 340.1314C . DOI : 10.1126 / science.1233299 . PMID 23641060 . S2CID 39125834 .  
  12. ^ Дасгупта, Rajdeep (10 декабря 2011). Влияние процессов магматического океана на современную инвентаризацию глубинного углерода Земли . Пост-AGU 2011 CIDER Workshop. Архивировано из оригинального 24 апреля 2016 года . Проверено 20 марта 2019 .
  13. ^ Литасов, Константин Д .; Шацкий, Антон (2018). «Углеродосодержащие магмы в недрах Земли». Магмы под давлением . С. 43–82. DOI : 10.1016 / B978-0-12-811301-1.00002-2 . ISBN 978-0-12-811301-1.
  14. ^ Мао, Венди Л .; Лю, Чжэньсянь; Галли, Джулия; Пан, Дин; Булар, Эглантин (18 февраля 2015 г.). «Тетраэдрически скоординированные карбонаты в нижней мантии Земли». Nature Communications . 6 : 6311. arXiv : 1503.03538 . Bibcode : 2015NatCo ... 6.6311B . DOI : 10.1038 / ncomms7311 . PMID 25692448 . S2CID 205335268 .  
  15. ^ Кармоди, Лаура; Genge, Мэтью; Джонс, Адриан П. (1 января 2013 г.). «Карбонатные расплавы и карбонатиты». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 289–322. Bibcode : 2013RvMG ... 75..289J . DOI : 10.2138 / rmg.2013.75.10 .
  16. ^ Дасгупта, Радждип; Хиршманн, Марк М. (15 сентября 2010 г.). «Глубокий круговорот углерода и таяние в недрах Земли». Письма о Земле и планетологии . 298 (1): 1–13. Bibcode : 2010E и PSL.298 .... 1D . DOI : 10.1016 / j.epsl.2010.06.039 .
  17. ^ Фрост, Дэниел Дж .; Маккаммон, Кэтрин А. (май 2008 г.). «Редокс-состояние мантии Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 36 (1): 389–420. Bibcode : 2008AREPS..36..389F . DOI : 10.1146 / annurev.earth.36.031207.124322 .
  18. ^ a b "Есть ли в ядре Земли глубокий резервуар углерода?" . Глубокая углеродная обсерватория . 14 апреля 2015 . Проверено 9 марта 2019 .
  19. ^ Ли, Цзе; Чоу, Пол; Сяо, Юймин; Алп, Э. Эркан; Би, Венли; Чжао, Цзиюн; Ху, Майкл Й .; Лю, Цзячао; Чжан, Дунчжоу (16 декабря 2014 г.). «Скрытый углерод во внутреннем ядре Земли, обнаруженный при сдвиговом смягчении в плотном Fe7C3» . Труды Национальной академии наук . 111 (50): 17755–17758. Bibcode : 2014PNAS..11117755C . DOI : 10.1073 / pnas.1411154111 . PMC 4273394 . PMID 25453077 .  
  20. ^ Hanfland, M .; Чумаков, А .; Rüffer, R .; Пракапенко, В .; Дубровинская, Н .; Cerantola, V .; Sinmyo, R .; Miyajima, N .; Накадзима Ю. (март 2015 г.). «Высокий коэффициент Пуассона внутреннего ядра Земли объясняется легированием углерода». Природа Геонауки . 8 (3): 220–223. Bibcode : 2015NatGe ... 8..220P . DOI : 10.1038 / ngeo2370 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Hazen, Роберт М .; Джонс, Адриан П .; Баросс, Джон А., ред. (2013). Углерод в Земле . Обзоры по минералогии и геохимии. 75 . Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0-939950-90-4. Проверено 13 декабря 2019 .
  • Хейзен, Роберт М. (2019). Симфония до мажор: углерод и эволюция (почти) всего . WW Нортон. ISBN 9780393609448.
  • Оркатт, Б. Дасгупта, Р., ред. (2019). Глубокий углерод: от прошлого к настоящему . Издательство Кембриджского университета. DOI : 10.1017 / 9781108677950 . hdl : 10023/18736 . ISBN 9781108677950.