Цикл кремнезема - Silica cycle

В цикл кремнезема это биогеохимический цикл, в котором кремнезем перемещается между системами Земли. Опал кремнезем (SiO2) представляет собой химическое соединение кремний, а также называется диоксид кремния. Кремний считается жизненно важным элементом и одним из самых распространенных элементов на Земле.[1][2] Цикл кремнезема значительно перекрывается с цикл углерода (увидеть Карбонатно-силикатный цикл ) и играет важную роль в секвестрации углерода через континентальные выветривание, биогенный вывоз и захоронение как сочится в геологических масштабах времени.[3]

Цикл земного диоксида кремния

Кремнезем является важным питательным веществом, используемым растениями, деревьями и травами в наземных условиях. биосфера. Силикат переносится реками и может откладываться в почвах в виде различных кремнистых отложений. полиморфы. Растения могут легко поглощать силикаты в виде ЧАС4SiO4 для формирования фитолиты. Фитолиты - это крошечные жесткие структуры, находящиеся в клетках растений, которые способствуют структурной целостности растения.[1] Фитолиты также служат для защиты растений от употребления травоядные животные которые не могут эффективно потреблять и переваривать богатые кремнеземом растения.[1] Высвобождение кремнезема в результате разложения фитолита или растворение по оценкам, происходит в два раза быстрее, чем мировой силикатный минерал выветривание.[2] Учитывая биогеохимический круговорот внутри экосистем, импорт и экспорт кремнезема в наземные экосистемы и из них невелик.

Источники

Силикатные минералы в изобилии встречаются 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 (CaSiO3) и энстатит (MgSiO3) являются примерами минералов на силикатной основе.[4] Процесс выветривания важен для связывание углерода в геологических масштабах времени.[2][4] Процесс и скорость выветривания зависят от количества осадков, стока, растительности, литологии и топографии.

Раковины

Основным стоком земного цикла кремнезема является его экспорт в океан реками. Кремнезем, который хранится в растительных веществах или растворяется, может вывозиться в океан реками. Скорость этого переноса составляет примерно 6 мкмоль Si год.−1.[5][2] Это основной сток земного цикла кремнезема, а также самый крупный источник морского цикла кремнезема.[5] Незначительным поглотителем земного кремнезема является силикат, который откладывается в земных отложениях и в конечном итоге экспортируется в земной коры.

Велоспорт морского кремнезема

морской и наземный цикл кремнезема
морской[6] и земной[2][7][8][9][10] вклады в цикл диоксида кремния показаны с относительным перемещением (потоком) в единицах Tmol Si / год.[5] Морское биологическое производство в основном происходит из диатомеи.[11] Биологическая продукция лимана обусловлена губки.[12] Значения потока, опубликованные Tréguer & De La Rocha.[5] Размер резервуара силикатных пород, как обсуждалось в разделе источников, составляет 1.5x10.21 Тмол.[13]

Кремнистые организмы в океане, такие как диатомеи и радиолярии, являются основным стоком растворенной кремниевой кислоты в опаловый кремнезем.[11] Попадая в океан, растворенные молекулы Si подвергаются биологической переработке примерно 25 раз перед экспортом и постоянным осаждением в морских отложениях на морском дне.[2][требуется проверка ] Эта быстрая переработка зависит от растворения кремнезема в органических веществах в толще воды с последующим биологическим поглощением в фотическая зона. Расчетное время пребывания кремнеземного биологического резервуара составляет около 400 лет.[2] Опаловый кремнезем в основном недонасыщен в Мировом океане. Эта недонасыщение способствует быстрому растворению в результате постоянной переработки и длительного времени пребывания. Расчетное время оборота Si составляет 1,5x104 лет.[5] Общие чистые поступления и выходы кремнезема в океан составляют 9,4 ± 4,7 трлн Si / год.−1 и 9,9 ± 7,3 мкмоль Si год−1соответственно.[5]

Производство биогенного кремнезема в фотическая зона оценивается в 240 ± 40 Тмоль Si 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 Tmol Si Year−1 растворяется перед тем, как осесть в отложениях в виде опалового дождя.[2] Здесь более 90% кремнезема растворяется, перерабатывается и, в конечном итоге, перерабатывается для повторного использования в эвфотической зоне.[2]

Источники

Основными источниками морского кремнезема являются реки, поток подземных вод, выветривание морского дна, гидротермальные источники, и атмосферное осаждение (эоловый поток ).[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 в морском биологическом круговороте кремнезема является кремнезем, который был переработан в результате апвеллинга из глубин океана и морского дна.

Раковины

Отложения на морском дне являются крупнейшим долгосрочным стоком морского цикла кремнезема (6,3 ± 3,6 трлн.−1), и примерно уравновешивается источниками кремнезема в океан.[4] Кремнезем, отложенный в глубинах океана, в основном находится в форме кремнистый ил, который со временем погружается под корку и метаморфизируется в верхняя мантия.[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 в год. −1), прежде всего в виде кремнистые губки.[4] Из-за высокой степени неопределенности оценок источников и поглотителей трудно сделать вывод о том, находится ли морской цикл кремнезема в равновесии. В Время пребывания кремнезема в океанах оценивается примерно в 10 000 лет.[4] Кремнезем также можно удалить из цикла, став черт и быть навсегда похороненным.

Антропогенные воздействия

Развитие сельского хозяйства за последние 400 лет увеличило обнажение горных пород и почв, что привело к увеличению скорости силикатного выветривания. В свою очередь, выщелачивание аморфный Запасы кремнезема из почв также увеличились, 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 некремнистых фитопланктон из-за антропогенной нагрузки азота и фосфора и повышенного содержания кремнезема растворение в более теплых водах может ограничить экспорт кремниевых океанических отложений в будущем.[4]

Роль в регулировании климата

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 переносит атмосферный CO2 в гидрологический цикл посредством химической реакции, показанной выше.[3] В геологических временных масштабах скорость выветривания изменяется из-за тектонической активности. Во время высокой скорости подъема силикатное выветривание увеличивается, что приводит к высокому уровню CO.2 скорость поглощения, компенсирующая увеличение вулканического CO2 выбросы, связанные с геологической деятельностью. Этот баланс выветривания и вулканов является частью того, что контролирует парниковый эффект и pH океана в геологических временных масштабах.

использованная литература

  1. ^ а б c Хант, Дж. У .; Dean, A. P .; Webster, R.E .; Johnson, G.N .; Эннос, А. Р. (2008). «Новый механизм, с помощью которого кремнезем защищает травы от травоядных». Анналы ботаники. 102 (4): 653–656. Дои:10.1093 / aob / mcn130. ISSN  1095-8290. ЧВК  2701777. PMID  18697757.
  2. ^ а б c d е ж г час я 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. Дои:10.1029 / 2002gb001894. ISSN  0886-6236.
  3. ^ а б 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:1990Натура.347..662D. Дои:10.1038 / 347662a0. ISSN  0028-0836.
  4. ^ а б c d е ж г час я Gaillardet, J .; Dupré, B .; Louvat, P .; Allègre, C.J. (июль 1999 г.). «Глобальные показатели силикатного выветривания и потребления СО2 на основе химического состава крупных рек». Химическая геология. 159 (1–4): 3–30. Bibcode:1999ЧГео.159 .... 3G. Дои:10.1016 / с0009-2541 (99) 00031-5. ISSN  0009-2541.
  5. ^ а б c d е ж г час Трегер, Поль Дж .; Де Ла Роша, Кристина Л. (03.01.2013). «Цикл кремнезема Мирового океана». Ежегодный обзор морской науки. 5 (1): 477–501. Дои: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. Дои:10.1016/0016-7037(94)90013-2.
  8. ^ Де Ла Роча, Кристина; Конли, Дэниел Дж. (2017), «Достопочтенный цикл кремнезема», Истории из кремнезема, Springer International Publishing, стр. 157–176, Дои: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 экспорт потоков в водосборы». Природа. 433 (7027): 728–731. Bibcode:2005Натура.433..728D. Дои:10.1038 / природа03299. PMID  15716949.
  10. ^ Фулвейлер, Робинсон У .; Кэри, Джоанна К. (31 декабря 2012 г.). "Наземный кремнеземный насос". PLOS ONE. 7 (12): e52932. Bibcode:2012PLoSO ... 752932C. Дои:10.1371 / journal.pone.0052932. ЧВК  3534122. PMID  23300825.
  11. ^ а б Йул, 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. Дои:10.1029 / 2002GB002018.
  12. ^ ДеМастер, Дэвид (2002). «Накопление и круговорот биогенного кремнезема в Южном океане: пересмотр морского бюджета кремнезема». Глубоководные исследования, часть 2. 49 (16): 3155–3167. Bibcode:2002DSRII..49.3155D. Дои: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. Дои:10.3389 / feart.2017.00112. ISSN  2296-6463.
  14. ^ Хюбнер, Дж. Стивен (ноябрь 1982 г.). "Породообразующие минералы. Том 2A: Одноцепочечные силикаты. У. А. Дир, Р. А. Хоуи, Дж. Зуссман". Журнал геологии. 90 (6): 748–749. Дои:10.1086/628736. ISSN  0022-1376.
  15. ^ а б c Gaillardet, J .; Dupré, B .; Allègre, C.J. (декабрь 1999 г.). «Геохимия взвешенных отложений крупных рек: силикатное выветривание или индикатор рециклинга?». Geochimica et Cosmochimica Acta. 63 (23–24): 4037–4051. Дои:10.1016 / с0016-7037 (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. Дои:10.1016/0016-7037(92)90300-8.