Биогенный кремнезем (bSi), также называемый опалом , биогенным опалом или аморфным опалиновым кремнеземом , образует один из наиболее распространенных биогенных минералов . Например, микроскопические частицы кремнезема, называемые фитолитами , можно найти в травах и других растениях.
Кремний — это аморфный оксид металлоида, образованный сложными процессами неорганической полимеризации . Это отличается от других основных биогенных минералов, включая карбонат и фосфат , которые встречаются в природе в виде кристаллических ионно-ковалентных твердых веществ (например, солей ), осаждение которых обусловлено равновесием растворимости . [1] С химической точки зрения bSi — это гидратированный кремний (SiO 2 · n H 2 O), который необходим многим растениям и животным.
Диатомовые водоросли как в пресной, так и в соленой воде извлекают растворенный кремний из воды для использования в качестве компонента своих клеточных стенок. Аналогично, некоторые голопланктонные простейшие ( радиолярии ), некоторые губки и некоторые растения ( фитолиты листьев ) используют кремний в качестве структурного материала. Известно, что кремний необходим цыплятам и крысам для роста и развития скелета. Кремний содержится в соединительных тканях человека , костях , зубах , коже , глазах , железах и органах .
Силикат , или кремниевая кислота (H 4 SiO 4 ), является важным питательным веществом в океане. В отличие от других основных питательных веществ, таких как фосфат , нитрат или аммоний , которые необходимы почти всему морскому планктону , силикат является необходимым химическим требованием для очень специфической биоты , включая диатомовые водоросли , радиолярии , силикофлагелляты и кремниевые губки . Эти организмы извлекают растворенный силикат из открытых поверхностных вод океана для накопления своего дисперсного кремнезема (SiO 2 ), или опаловых, скелетных структур (т. е. твердых частей биоты). [2] [3] Некоторые из наиболее распространенных кремниевых структур, наблюдаемых на поверхности клеток организмов, выделяющих кремнезем, включают: спикулы, чешуйки, твердые пластины, гранулы, панцири и другие сложные геометрические формы, в зависимости от рассматриваемого вида. [4]
Можно выделить пять основных источников растворенного кремния в морской среде: [3]
После того, как организм погиб, часть кремнистого скелетного материала растворяется , оседая в толще воды , обогащая глубокие воды растворенным кремнием. [3] Некоторые из кремнистых чешуек также могут сохраняться с течением времени в виде микроископаемых в глубоководных отложениях , открывая окно в современные и древние сообщества планктона / протистов . Этот биологический процесс действовал, по крайней мере, с раннего палеозоя , регулируя баланс кремния в океане. [4]
Радиолярии ( кембрий / ордовик - голоцен ), диатомовые водоросли ( мел - голоцен ) и силикофлагелляты ( мел - голоцен ) являются основными источниками биогенного цикла кремния в океане на протяжении геологического времени . Диатомовые водоросли составляют 43% первичной продукции океана и отвечают за большую часть извлечения кремния из океанских вод в современном океане и в течение большей части последних пятидесяти миллионов лет. Напротив, океаны юрского и более древних возрастов характеризовались радиоляриями как основными типами, использующими кремний. [2] В настоящее время радиолярии являются вторыми (после диатомовых водорослей) основными производителями взвешенного аморфного кремния в океанских водах. Их распространение простирается от Арктики до Антарктики , будучи наиболее многочисленными в экваториальной зоне. Например, в экваториальных водах Тихого океана можно наблюдать около 16 000 экземпляров на кубический метр. [4]
За последнее десятилетие кремниевый цикл привлек все большее внимание ученых по нескольким причинам:
Во-первых , широко распространено мнение, что современный морской цикл кремния доминирует над диатомовыми водорослями, которые фиксируют и экспортируют твердые частицы (включая органический углерод ) из эвфотической зоны в глубины океана посредством процесса, известного как биологический насос . В результате диатомовые водоросли и другие организмы, выделяющие кремний, играют решающую роль в глобальном цикле углерода и обладают способностью влиять на концентрацию CO2 в атмосфере в различных временных масштабах, секвестируя CO2 в океане. Эта связь между биогенным кремнием и органическим углеродом, а также значительно более высокий потенциал сохранения биогенных кремнистых соединений по сравнению с органическим углеродом, делает записи о накоплении опала очень интересными для палеоокеанографии и палеоклиматологии .
Во-вторых , биогенное накопление кремния на морском дне содержит много информации о том, где в океане экспортное производство происходило в масштабах времени от сотен до миллионов лет. По этой причине записи о отложении опала предоставляют ценную информацию о крупномасштабных океанографических перестройках в геологическом прошлом, а также о палеопродуктивности.
В-третьих , среднее время пребывания в океане для силиката составляет приблизительно 10 000–15 000 лет. Это относительно короткое время пребывания делает концентрации и потоки океанического силиката чувствительными к ледниковым / межледниковым возмущениям, и, таким образом, отличным показателем для оценки изменений климата. [3] [5]
Все чаще изотопные соотношения кислорода (O 18 :O 16 ) и кремния (Si 30 :Si 28 ) анализируются из биогенного кремния, сохранившегося в озерных и морских отложениях, чтобы получить записи прошлых изменений климата и круговорота питательных веществ (De La Rocha, 2006; Leng and Barker, 2006). Это особенно ценный подход, учитывая роль диатомовых водорослей в глобальном круговороте углерода. Кроме того, изотопные анализы из BSi полезны для отслеживания прошлых изменений климата в таких регионах, как Южный океан , где сохранилось мало биогенных карбонатов .
Остатки диатомовых водорослей и других организмов, использующих кремний, обнаруживаются в виде опаловых осадков в пелагических глубоководных отложениях. Пелагические отложения , содержащие значительные количества кремнистых биогенных остатков, обычно называют кремнистым илом . Кремнистые илы особенно распространены в современном океане в высоких широтах в северном и южном полушариях. Яркой особенностью распределения кремнистых илов является пояс шириной около 200 км, протянувшийся через Южный океан . Некоторые экваториальные регионы апвеллинга , где питательные вещества в изобилии, а производительность высока, также характеризуются местным кремнистым илом. [2]
Кремнистый ил в основном состоит из остатков диатомовых водорослей и радиолярий, но может также включать другие кремнистый организмы, такие как силикофлагелляты и спикулы губок . Диатомовый ил встречается в основном в высокоширотных районах и вдоль некоторых континентальных окраин, тогда как радиоляриевый ил более характерен для экваториальных областей. Кремнистый ил изменяется и трансформируется во время захоронения в слоистые кремни . [2]
Осадки Южного океана являются основным поглотителем биогенного кремния (50-75% от общего количества в океане 4,5 × 10 14 г SiO 2 год −1 ; DeMaster, 1981), но лишь незначительным поглотителем органического углерода (<1% от океанических 2 × 10 14 г органического C год −1 ). Эти относительно высокие темпы накопления биогенного кремния в осадках Южного океана (преимущественно под Полярным фронтом) по отношению к органическому углероду (60:1 по весу) являются результатом преимущественного сохранения биогенного кремния в водной толще Антарктики.
В отличие от того, что считалось ранее, эти высокие темпы накопления биогенного кремния не являются результатом высоких темпов первичной продукции . Биологическая продукция в Южном океане сильно ограничена из-за низкого уровня освещенности в сочетании с глубокими смешанными слоями и/или ограниченным количеством микроэлементов , таких как железо . [6]
Это преимущественное сохранение биогенного кремния по сравнению с органическим углеродом очевидно в постоянно увеличивающемся соотношении кремния/органического углерода в зависимости от глубины в водной толще. Около тридцати пяти процентов биогенного кремния, произведенного в эвфотической зоне, выживает после растворения в поверхностном слое; тогда как только 4% органического углерода избегают микробной деградации в этих приповерхностных водах.
Следовательно, во время осаждения через толщу воды происходит значительное разделение органического углерода и кремния. Накопление биогенного кремния на морском дне составляет 12% поверхностного производства, тогда как скорость накопления органического углерода на морском дне составляет всего <0,5% поверхностного производства. В результате полярные отложения составляют большую часть биогенного накопления кремния в океане, но только небольшое количество осадочного органического потока углерода. [6]
Крупномасштабная океаническая циркуляция оказывает прямое влияние на отложение опала . Циркуляции Тихого океана (характеризующиеся бедными питательными веществами поверхностными водами и богатыми питательными веществами глубинными водами) и Атлантического океана благоприятствуют производству / сохранению кремнезема и карбоната соответственно. Например, отношения Si/N и Si/P увеличиваются от Атлантики к Тихому океану и Южному океану, благоприятствуя производителям опала по сравнению с производителями карбоната . Следовательно, современная конфигурация крупномасштабной океанической циркуляции привела к локализации основных зон захоронения опала в экваториальной части Тихого океана, в восточных пограничных системах апвеллинга течения и, безусловно, в самом важном, в Южном океане. [5]
В водах современного Тихого и Южного океанов обычно наблюдается увеличение соотношения Si/N на промежуточной глубине, что приводит к увеличению экспорта опала (~ увеличению производства опала). В Южном океане и северной части Тихого океана эта связь между экспортом опала и соотношением Si/N переключается с линейной на экспоненциальную для соотношений Si/N больше 2. Это постепенное увеличение важности силиката (Si) по отношению к азоту (N) имеет огромные последствия для биологической продукции океана. Изменение соотношений питательных веществ способствует выбору диатомовых водорослей в качестве основных производителей по сравнению с другими (например, кальцифицирующими) организмами. Например, эксперименты в микрокосме продемонстрировали, что диатомовые водоросли являются суперконкурентами DSi и доминируют над другими производителями выше 2 мкМ DSi. Следовательно, экспорт опала по сравнению с экспортом карбоната будет предпочтительным, что приведет к увеличению производства опала. Южный океан и северная часть Тихого океана также демонстрируют максимальные соотношения биогенного силиката/ органического потока C и, таким образом, заключаются в обогащении биогенного силиката по сравнению с потоком органического экспорта C. Благодаря этому совокупному росту сохранности и экспорта опала Южный океан сегодня становится самым важным местом поглотителя DSi. [5]
В Атлантическом океане промежуточные и глубокие воды характеризуются более низким содержанием DSi по сравнению с современными Тихим и Южным океанами. Эта более низкая разница между бассейнами в DSi имеет эффект снижения потенциала сохранения опала в Атлантике по сравнению с его аналогами в Тихом и Южном океанах. Атлантические воды с обедненным DSi имеют тенденцию производить относительно меньше окремненных организмов, что оказывает сильное влияние на сохранение их панцирей . Этот механизм лучше всего иллюстрируется при сравнении систем апвеллинга Перу и северо-западной Африки. Соотношение растворение /производство намного выше в атлантическом апвеллинге, чем в тихоокеанском апвеллинге. Это связано с тем, что прибрежные воды источника апвеллинга намного богаче DSi у берегов Перу, чем у берегов северо-западной Африки. [5]
Реки и подводные гидротермальные эманации поставляют 6,1 × 10 14 г SiO 2 год −1 в морскую среду. Примерно две трети этого поступления кремния хранится в континентальной окраине и глубоководных отложениях. Кремнистые глубоководные отложения, расположенные под Антарктической конвергенцией ( зоной конвергенции ), содержат около 25% кремния, поставляемого в океаны (т. е. 1,6 × 10 14 г SiO 2 год −1 ), и, следовательно, образуют один из основных стоков кремния на Земле. Самые высокие скорости биогенного накопления кремния в этой области наблюдаются в Южной Атлантике, со значениями до 53 см.тыс. лет −1 за последние 18 000 лет. Кроме того, обширное биогенное накопление кремния было зафиксировано в глубоководных отложениях Берингова моря , Охотского моря и субарктической северной части Тихого океана . Суммарные скорости накопления биогенного кремнезема в этих регионах составляют около 0,6 × 10 14 г SiO 2 год −1 , что эквивалентно 10 % от поступающего в океаны растворенного кремнезема.
Области апвеллинга на континентальной окраине, такие как Калифорнийский залив , побережье Перу и Чили, характеризуются одними из самых высоких скоростей накопления биогенного кремния в мире. Например, для Калифорнийского залива были зарегистрированы скорости накопления биогенного кремния в размере 69 г SiO 2 /см 2 /тыс. лет. Из-за латерально ограниченного характера этих зон быстрого накопления биогенного кремния, области апвеллинга составляют только около 5% растворенного кремния, поставляемого в океаны. Наконец, чрезвычайно низкие скорости накопления биогенного кремния наблюдались в обширных глубоководных отложениях Атлантического, Индийского и Тихого океанов, что делает эти океаны незначительными для глобального морского бюджета кремния. [7]
Средний дневной показатель BSi сильно зависит от региона:
Аналогично, интегрированное годовое производство BSi сильно зависит от региона:
Производство BSi контролируется:
Растворение BSi контролируется:
Сохранность BSi измеряется:
Сохранение BSi контролируется:
В кратере Гусева на Марсе марсоход Mars Exploration Rover Spirit непреднамеренно обнаружил опаловый кремнезем. Одно из его колес ранее стало неподвижным и, таким образом, эффективно прорывало марсианский реголит , пока тащилось за проходящим марсоходом. Более поздний анализ показал, что кремнезем был свидетельством гидротермальных условий. [8]