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 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 углерод принимает 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]
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 базальтов срединно-океанических хребтов (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]
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]
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, глубоко в нижней 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 подвергаются восстановлению по мере того, как они спускаются 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.
.png/1280px-Carbon_Outgassing_(Dasgupta_2011).png)
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 вызывает переход углеродных связей от гибридных орбиталей sp 2 к sp 3 , что приводит к тетраэдрическому соединению углерода с кислородом. [14] Тригональные группы CO 3 не могут образовывать полимеризуемые сети, в то время как тетраэдрические CO 4 могут, что означает увеличение координационного числа углерода и, следовательно, радикальные изменения в свойствах 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 дегазацией 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]
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] 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.
