Глубокий углеродный цикл

Глубокий углеродный цикл (или медленный углеродный цикл ) — это геохимический цикл (движение) углерода через мантию и ядро ​​Земли . Он является частью углеродного цикла и тесно связан с движением углерода на поверхности и в атмосфере Земли. Возвращая углерод в глубины Земли, он играет важную 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 глубины Земли недоступны для бурения, не так много окончательно известно о роли углерода в ней. Тем не менее, несколько доказательств — многие из которых получены в результате лабораторного моделирования глубинных условий Земли — указали механизмы перемещения элемента вниз в нижнюю мантию, а также формы, которые углерод принимает при экстремальных температурах и давлениях этого слоя. Кроме того, такие методы, как сейсмология, привели к более глубокому 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]

Часть серии о
Углеродный цикл
По регионам Наземные Морской Атмосферный Глубокий углерод Земля Вечная мерзлота Бореальный лес Геохимия
Углекислый газ В атмосфере Закисление океана Удаление Спутниковые измерения
Формы углерода Общий углерод (TC) Общий органический углерод (ООУ) Общий неорганический углерод (TIC) Растворенный органический углерод (РОУ) Растворенный неорганический углерод (РНУ) Органический углерод в виде частиц (POC) Particulate inorganic carbon (PIC) Primary production marine Black carbon Blue carbon Kerogen
Metabolic pathways Photosynthesis Chemosynthesis Calvin cycle Reverse Krebs cycle Carbon fixation C3 C4
Carbon respiration Ecosystem respiration Net ecosystem production Photorespiration Soil respiration
Carbon pumps Biological pump Martin curve Solubility pump Lipid pump Marine snow Microbial loop Viral shunt Jelly pump Whale pump Continental shelf pump
Carbon sequestration Carbon sink Soil carbon storage Marine sediment pelagic sediment
Methane Atmospheric methane Methanogenesis Methane emissions Arctic Wetland Aerobic production Clathrate gun hypothesis Carbon dioxide clathrate
Biogeochemical Marine cycles Nutrient cycle Carbonate–silicate cycle Carbonate compensation depth Great Calcite Belt Redfield ratio
Other Climate reconstruction proxies Carbon-to-nitrogen ratio Deep biosphere Deep Carbon Observatory Global Carbon Project Carbon capture and storage Carbon cycle re-balancing Territorialisation of carbon governance Total Carbon Column Observing Network C4MIP CO2SYS
Category
v t e

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 олимпийских бассейнов. ^[3] Как бы велико это количество ни было, оно составляет лишь малую часть одного процента углерода Земли. Более 90% может находиться в ядре, большая часть остального — в коре и мантии. ^[4]

В фотосфере Солнца углерод является четвертым по распространенности элементом . Земля, вероятно, начинала с похожего соотношения, но потеряла большую его часть из-за испарения по мере своего роста . Однако, даже с учетом испарения, силикаты, составляющие кору и мантию Земли, имеют концентрацию углерода, которая в пять-десять раз меньше, чем в хондритах CI , форме метеорита, которая, как полагают, представляет собой состав солнечной туманности до образования планет . Часть этого углерода могла оказаться в ядре. В зависимости от модели, углерод, как прогнозируется, составляет от 0,2 до 1 процента по весу в ядре. Даже при более низкой концентрации это составило бы половину углерода Земли. ^[5]

Оценки содержания углерода в верхней мантии получены из измерений химии базальтов срединно-океанических хребтов (MORB). Они должны быть скорректированы с учетом дегазации углерода и других элементов. С момента образования Земли верхняя мантия потеряла 40–90% своего углерода путем испарения и переноса в ядро ​​в соединениях железа. Наиболее строгая оценка дает содержание углерода в 30 частей на миллион (ppm). Ожидается, что нижняя мантия будет гораздо менее истощена – около 350 ppm. ^[6]

Углерод в основном попадает в мантию в виде богатых карбонатом осадков на тектонических плитах океанической 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 распространяется вплоть до нижней мантии. Исследование проанализировало редкие, сверхглубокие алмазы на участке в Жуине, Бразилия , определив, что основной состав некоторых включений алмазов 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 транспортный механизм для 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]

Углеродные резервуары в мантии, коре и на поверхности. ^[6]

Резервуар	гигатонна C
Над поверхностью	${\displaystyle (43-45)\times 10^{3}}$
Континентальная кора и литосфера	${\displaystyle (0.9-3.1)\times 10^{8}}$
Океаническая кора и литосфера	${\displaystyle 1.4\times 10^{8}}$
Верхняя мантия	${\displaystyle <3.2\times 10^{7}}$
Нижняя мантия	${\displaystyle <1.0\times 10^{9}}$

Карбонаты, спускающиеся в нижнюю мантию, образуют другие соединения, помимо алмазов. В 2011 году карбонаты подверглись воздействию среды, аналогичной среде на глубине 1800 км в глубине 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. Это во многом является результатом его более высокой температуры плавления. ^[10] Следовательно, ученые пришли к выводу, что карбонаты подвергаются восстановлению по мере того, как они спускаются 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, таких как графит, будет указывать на то, что углеродные соединения восстанавливаются по мере того, как они спускаются в мантию.

Тем не менее, полиморфизм изменяет стабильность карбонатных соединений на разных глубинах в пределах Земли. Для 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 высокие давления в нижней мантии вызывают переход углеродных связей из гибридизированных орбиталей _sp2 в sp3 _, что приводит к тетраэдрическому связыванию углерода с кислородом. ^[14] Тригональные группы CO3 не могут образовывать полимеризуемые сети, в то время как тетраэдрические _{группы CO4} могут, что означает увеличение координационного числа углерода _и , следовательно, резкие изменения свойств карбонатных соединений в нижней мантии. В качестве примера, предварительные теоретические исследования показывают, что высокие давления вызывают увеличение вязкости карбонатного расплава; более низкая подвижность расплавов в результате описанных изменений свойств свидетельствует о наличии больших залежей углерода глубоко в мантии. ^[15]

Соответственно, углерод может оставаться в нижней мантии в течение длительного времени, но большие концентрации углерода часто находят свой путь обратно в литосферу. Этот процесс, называемый дегазацией углерода, является результатом плавления карбонатизированной мантии при декомпрессии, а также мантийных плюмов, переносящих углеродные соединения вверх к коре. ^[16] Углерод окисляется при подъеме к вулканическим горячим точкам, где он затем высвобождается в виде CO ₂ . Это происходит так, что атом углерода соответствует степени окисления базальтов, извергающихся в таких областях. ^[17]

Part of a series on
Biogeochemical cycles
Water cycle Water cycle deep water cycle
Carbon cycle Global atmospheric terrestrial oceanic Sequestration carbon sink deep carbon cycle soil carbon mycorrhizal fungi Boreal forests
Nutrient cycle Hydrogen cycle Nitrogen cycle human impact nitrification nitrogen and lichens fixation assimilation Oxygen cycle Phosphorus cycle assimilation Sulfur cycle assimilation
Rock cycle Calcium cycle Silica cycle Carbonate–silicate cycle
Marine cycle Marine biogeochemical cycles Biological pump microbial loop viral shunt Calcareous ooze Siliceous ooze
Methane cycle Atmospheric methane Methane clathrate clathrate gun hypothesis Arctic methane emissions
Other cycles aluminum arsenic boron bromine cadmium chlorine chromium copper fluorine gold iodine iron lead lithium manganese mercury ozone–oxygen selenium vanadium zinc
Related topics Biogeochemistry geochemical cycle chemical cycling environmental chemistry Biosequestration Deep biosphere Ocean acidification acid rain Biogeochemical planetary boundaries
Research groups DAAC GEOTRACES IMBER NOBM SOLAS
Category
v t e

Хотя наличие углерода в ядре Земли хорошо ограничено, недавние исследования показывают, что в этом регионе могут храниться большие запасы углерода. Сдвиговые (S) волны, движущиеся через внутреннее ядро, движутся примерно со скоростью, равной пятидесяти процентам от ожидаемой для большинства сплавов, богатых железом. ^[18] Учитывая, что состав ядра, как широко распространено мнение, представляет собой сплав кристаллического железа с небольшим количеством никеля, эта сейсмографическая аномалия указывает на существование другого вещества в этом регионе. Одна из теорий постулирует, что такое явление является результатом различных легких элементов, включая углерод, в ядре. ^[18] Фактически, исследования использовали ячейки с алмазными наковальнями для воспроизведения условий в ядре Земли, результаты которых показывают, что карбид железа (Fe ₇ C ₃ ) соответствует скоростям 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] 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 та, которая упоминалась ранее. ^[20] Таким образом, хотя количество углерода, потенциально хранящегося в ядре Земли, неизвестно, недавние исследования показывают, что присутствие карбидов железа может согласовываться с геофизическими наблюдениями.

• 
  Движение океанических плит, переносящих углеродные соединения, через мантию
• 
  Две модели содержания углерода на Земле

• 
  Анализ скоростей сдвиговых волн сыграл важную роль в развитии знаний о существовании углерода в ядре.
• 
  Схема тетраэдрической связи углерода с кислородом

• Обсерватория глубокого углерода
• Геохимия углерода