Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Цикл кремнезема - это биогеохимический цикл, в котором кремнезем переносится между системами Земли. Опаловый кремнезем (SiO 2 ) представляет собой химическое соединение кремния , также называемое диоксидом кремния . Кремний считается жизненно важным элементом и одним из самых распространенных элементов на Земле. [1] [2] Цикл кремнезема имеет значительное совпадение с углеродным циклом (см. Карбонатно-силикатный цикл ) и играет важную роль в секвестрации углерода в результате континентального выветривания , биогенного экспорта и захоронения в виде илов в геологических временных масштабах.[3]

Земной круговорот кремнезема [ править ]

Кремний является важным питательным веществом, используемым растениями, деревьями и травами в земной биосфере . Силикат переносится реками и может откладываться в почвах в виде различных кремнистых полиморфов . Растения могут легко поглощать силикат в форме H 4 SiO 4 для образования фитолитов . Фитолиты - это крошечные жесткие структуры, находящиеся в клетках растений, которые способствуют структурной целостности растения. [1] Фитолиты также служат для защиты растений от потребления травоядными животными , которые не могут эффективно потреблять и переваривать богатые кремнеземом растения. [1] Высвобождение кремнезема в результате разложения фитолита илирастворение, по оценкам, происходит в два раза быстрее, чем глобальное выветривание силикатных минералов . [2] Учитывая биогеохимический круговорот внутри экосистем, импорт и экспорт кремнезема в наземные экосистемы и из них невелик.

Источники [ править ]

Силикатные минералы широко распространены в горных породах по всей планете, составляя примерно 90% земной коры. [3] Основным источником силикатов для земной биосферы является выветривание . Пример химической реакции для этого выветривания:

Волластонит (CaSiO 3 ) и энстатит (MgSiO 3 ) являются примерами минералов на силикатной основе. [4] Процесс выветривания важен для связывания углерода в геологических временных масштабах. [2] [4] Процесс и скорость выветривания зависят от количества осадков, стока, растительности, литологии и топографии.

Раковины [ править ]

Основным стоком земного цикла кремнезема является экспорт в океан реками. Кремнезем, который хранится в растительных веществах или растворяется, может вывозиться в океан реками. Скорость этого транспорта составляет примерно 6 Tmol Si , год -1 . [5] [2] Это основной сток земного цикла кремнезема, а также крупнейший источник морского цикла кремнезема. [5] Незначительным поглотителем земного кремнезема является силикат, который откладывается в земных отложениях и в конечном итоге экспортируется в земную кору .

Велоспорт морского кремнезема [ править ]

Показаны морские [6] и наземные [2] [7] [8] [9] [10] вклады в цикл диоксида кремния, с относительным движением (потоком), выраженным в единицах Tmol Si / год. [5] Морская биологическая продукция в основном производится диатомовыми водорослями . [11] Биологическое производство лимана происходит за счет губок . [12] Значения потока, опубликованные Tréguer & De La Rocha. [5] Размер резервуара силикатных пород, как обсуждалось в разделе «Источники», составляет 1.5x10 21 Tmol . [13]

Кремнистые организмы в океане, такие как диатомовые водоросли и радиолярии , являются основным стоком растворенной кремниевой кислоты в опаловый кремнезем. [11] Оказавшись в океане, растворенные молекулы Si подвергаются биологической переработке примерно 25 раз перед экспортом и постоянным осаждением в морских отложениях на морском дне. [2] [ требуется проверка ] </ref> Эта быстрая рециркуляция зависит от растворения кремнезема в органических веществах в толще воды с последующим биологическим поглощением в фотической зоне . Расчетное время пребывания кремнеземного биологического резервуара составляет около 400 лет. [2] Опаловый кремнезем в основном недонасыщен в мировом океане. ЭтотНедонасыщение способствует быстрому растворению в результате постоянной рециркуляции и длительного времени пребывания. Расчетный срок оборота Si составляет 1,5х10 4 года. [5] Суммарные чистые входы и выходы кремнезема в океане 9,4 ± 4,7 Tmol Si , год -1 и 9,9 ± 7,3 Tmol Si , год -1 , соответственно. [5]

Производство биогенного кремнезема в фотической зоне оценивается в 240 ± 40 трлн Si в год -1 . [5] Растворение на поверхности удаляет примерно 135 Tmol Si в год -1 , в то время как оставшийся Si экспортируется в глубину океана вместе с тонущими частицами. [2] В глубоком океане еще 26,2 трлн Si в год -1 растворяется перед тем, как выпадать в отложения в виде опалового дождя. [2]  Более 90% кремнезема растворяется, перерабатывается и, в конечном итоге, перерабатывается для повторного использования в эвфотической зоне. [2]

Источники [ править ]

Основные источники морского кремнезема включают реки, поток подземных вод, воздействие выветривания на морское дно, гидротермальные источники и атмосферные осаждения ( поток эоловых отложений ). [4]  Реки, безусловно, являются крупнейшим источником кремнезема для морской среды, на их долю приходится до 90% всего кремнезема, поступающего в океан. [4] [5] [14] Источником кремнезема для морского биологического цикла кремнезема является кремнезем, который был переработан в результате апвеллинга из глубин океана и морского дна.

Раковины [ править ]

Отложения на морском дне являются крупнейшим долгосрочным стоком морского цикла кремнезема (6,3 ± 3,6 трлн Si в год -1 ) и примерно уравновешиваются источниками кремнезема в океан. [4] Кремнезем, отложенный в глубинах океана, в основном находится в форме кремнистого ила , который в конечном итоге погружается под корку и метаморфизируется в верхней мантии . [15] Под мантией силикатные минералы образуются в илах и в конечном итоге поднимаются на поверхность. На поверхности кремнезем может снова войти в круговорот в результате выветривания. [15] Этот процесс может занять десятки миллионов лет. [15]Единственный другой крупный сток кремнезема в океане - погребение вдоль окраин континентов (3,6 ± 3,7 трлн Si год -1 ), в основном в форме кремнистых губок . [4] Из-за высокой степени неопределенности оценок источников и поглотителей трудно сделать вывод о том, находится ли морской цикл двуокиси кремния в равновесии. Время пребывания кремнезема в океанах оценивается примерно в 10 000 лет. [4] Кремнезем также можно удалить из цикла, превратившись в сланец и навсегда захоронив его.

Антропогенные влияния [ править ]

Развитие сельского хозяйства за последние 400 лет увеличило обнажение горных пород и почв, что привело к увеличению скорости силикатного выветривания. В свою очередь, вымывание запасов аморфного кремнезема из почв также увеличилось, что привело к повышению концентрации растворенного кремнезема в реках. [4] И наоборот, усиление строительства плотин привело к сокращению поступления кремнезема в океан из-за поглощения пресноводными диатомовыми водорослями за плотинами. Преобладание некремнистого фитопланктона из-за антропогенной нагрузки азота и фосфора и повышенного растворения кремнезема в более теплых водах может в будущем ограничить экспорт кремниевых отложений из океана. [4]

Роль в регулировании климата [ править ]

Цикл кремнезема играет важную роль в долгосрочном регулировании глобального климата. Глобальный цикл диоксида кремния также оказывает большое влияние на глобальный цикл углерода через карбонатно-силикатный цикл . [16] Процесс выветривания силикатных минералов переводит атмосферный CO 2 в гидрологический цикл посредством химической реакции, показанной выше. [3] В геологических временных масштабах темпы выветривания меняются из-за тектонической активности. Во время высокой скорости подъема силикатное выветривание увеличивается, что приводит к высокой скорости поглощения CO 2 , компенсируя увеличение вулканических выбросов CO 2, связанных с геологической активностью. Этот баланс выветривания и вулканов является частью того, что контролируетпарниковый эффект и pH океана в геологических временных масштабах.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в Хант, JW; Дин, AP; Вебстер, RE; Джонсон, штат Нью-Йорк; Эннос, AR (2008). «Новый механизм, с помощью которого кремнезем защищает травы от травоядных» . Летопись ботаники . 102 (4): 653–656. DOI : 10.1093 / Aob / mcn130 . ISSN  1095-8290 . PMC  2701777 . PMID  18697757 .
  2. ^ a b c d e f g h i j Конли, Дэниел Дж. (декабрь 2002 г.). «Наземные экосистемы и глобальный биогеохимический цикл кремнезема». Глобальные биогеохимические циклы . 16 (4): 68–1–68–8. Bibcode : 2002GBioC..16.1121C . DOI : 10.1029 / 2002gb001894 . ISSN 0886-6236 . 
  3. ^ a b c Defant, Marc J .; Драммонд, Марк С. (октябрь 1990 г.). «Образование некоторых современных дуговых магм плавлением молодой субдуцированной литосферы». Природа . 347 (6294): 662–665. Bibcode : 1990Natur.347..662D . DOI : 10.1038 / 347662a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4267494 .  
  4. ^ a b c d e f g h я Gaillardet, J .; Dupré, B .; Louvat, P .; Allègre, CJ (июль 1999 г.). «Глобальные показатели силикатного выветривания и потребления СО2 на основе химического состава крупных рек». Химическая геология . 159 (1–4): 3–30. Bibcode : 1999ChGeo.159 .... 3G . DOI : 10.1016 / s0009-2541 (99) 00031-5 . ISSN 0009-2541 . 
  5. ^ a b c d e f g h Трегер, Поль Дж .; Де Ла Роша, Кристина Л. (03.01.2013). «Цикл кремнезема Мирового океана». Ежегодный обзор морской науки . 5 (1): 477–501. DOI : 10.1146 / annurev-marine-121211-172346 . ISSN 1941-1405 . PMID 22809182 .  
  6. ^ Сармьенто, Хорхе Луи (2006). Биогеохимическая динамика океана . Грубер, Николас. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 9780691017075. OCLC  60651167 .
  7. ^ Древер, Джеймс I. (1993). «Влияние наземных растений на скорость выветривания силикатных минералов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 58 (10): 2325–2332. DOI : 10.1016 / 0016-7037 (94) 90013-2 .
  8. ^ Де Ла Роша, Кристина; Конли, Дэниел Дж. (2017), «Достопочтенный цикл кремнезема», Silica Stories , Springer International Publishing, стр. 157–176, DOI : 10.1007 / 978-3-319-54054-2_9 , ISBN 9783319540542
  9. ^ Чедвик, Оливер А .; Зиглер, Карен; Курц, Эндрю С .; Дерри, Луи А. (2005). «Биологический контроль наземного круговорота кремнезема и экспортных потоков в водосборы». Природа . 433 (7027): 728–731. Bibcode : 2005Natur.433..728D . DOI : 10,1038 / природа03299 . PMID 15716949 . S2CID 4421477 .  
  10. ^ Фулвейлер, Робинсон У .; Кэри, Джоанна К. (31 декабря 2012 г.). «Наземный кремнеземный насос» . PLOS ONE . 7 (12): e52932. Bibcode : 2012PLoSO ... 752932C . DOI : 10.1371 / journal.pone.0052932 . PMC 3534122 . PMID 23300825 .  
  11. ^ а б Юл, Эндрю; Тиррелл, Тоби (2003). «Роль диатомовых водорослей в регулировании цикла кремния океана». Глобальные биогеохимические циклы . 17 (4): 14,1–14,22. Bibcode : 2003GBioC..17.1103Y . CiteSeerX 10.1.1.394.3912 . DOI : 10.1029 / 2002GB002018 . 
  12. ^ DeMaster, Дэвид (2002). «Накопление и круговорот биогенного кремнезема в Южном океане: пересмотр морского бюджета кремнезема». Deep Sea Research Часть II . 49 (16): 3155–3167. Bibcode : 2002DSRII..49.3155D . DOI : 10.1016 / S0967-0645 (02) 00076-0 .
  13. ^ Саттон, Джилл Н .; Андре, Люк; Кардинал, Дэмиен; Конли, Дэниел Дж .; де Соуза, Грегори Ф .; Дин, Джонатан; Додд, Джастин; Элерт, Клаудиа; Эллвуд, Майкл Дж. (2018). "Обзор биогеохимии стабильных изотопов глобального цикла кремния и связанных с ним микроэлементов" . Границы науки о Земле . 5 . DOI : 10.3389 / feart.2017.00112 . ISSN 2296-6463 . 
  14. ^ Хюбнер, Дж. Стивен (ноябрь 1982 г.). "Породообразующие минералы. Том 2A: Одноцепочечные силикаты. WA Deer, RA Howie, J. Zussman". Журнал геологии . 90 (6): 748–749. DOI : 10.1086 / 628736 . ISSN 0022-1376 . 
  15. ^ a b c Gaillardet, J .; Dupré, B .; Allègre, CJ (декабрь 1999 г.). «Геохимия взвешенных отложений крупных рек: силикатное выветривание или индикатор рециклинга?». Geochimica et Cosmochimica Acta . 63 (23–24): 4037–4051. DOI : 10.1016 / s0016-7037 (99) 00307-5 . ISSN 0016-7037 . 
  16. ^ Бернер, Роберт (август 1992). «Выветривание, растения и долгосрочный углеродный цикл». Geochimica et Cosmochimica Acta . 56 (8): 3225–3231. Bibcode : 1992GeCoA..56.3225B . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (92) 90300-8 .