.jpg/1280px-Centric_diatom_(3075277530).jpg)
Кремнистый ил — разновидность биогенных пелагических отложений , расположенных на глубоком дне океана . Кремнистые илы являются наименее распространенными из глубоководных отложений и составляют примерно 15% дна океана. [1] Тины определяются как отложения, которые содержат не менее 30% скелетных остатков пелагических микроорганизмов. [2] Кремнистые илы в основном состоят из кремнеземных скелетов микроскопических морских организмов, таких как диатомовые водоросли и радиолярии . Другие компоненты кремнистых илов вблизи окраин континентов могут включать частицы кремнезема земного происхождения и спикулы губок. Кремнистые илы состоят из скелетов опалового кремнезема SiO 2 · n H 2 O, в отличие от известковых илов , которые состоят из скелетов карбонатных кальция ( CaCO 3 · n H 2 O) организмов (т.е. кокколитофоров ). Кремнезем (Si) является биоэссенциальным элементом и эффективно перерабатывается в морской среде посредством кремнеземного цикла . [3] Расстояние от суши, глубина воды и плодородие океана — все это факторы, влияющие на содержание опалового кремнезема в морской воде и наличие кремнистых илов.
.jpg/1280px-Radiolarian_-_Podocyrtis_ampla_(29391267424).jpg)
Кремнистые морские организмы, такие как диатомовые водоросли и радиолярии, используют кремнезем для формирования скелетов посредством процесса, известного как биоминерализация . Диатомеи и радиолярии в ходе эволюции научились поглощать кремнезем в форме кремниевой кислоты Si(OH) 4 . Как только организм изолирует молекулы Si(OH) 4 в своей цитоплазме , эти молекулы транспортируются в везикулы отложения кремнезема, где они трансформируются в опаловый кремнезем (B-SiO 2 ). Диатомеи и радиолярии имеют специализированные белки, называемые переносчиками кремния, которые предотвращают минерализацию во время секвестрации и транспортировки кремниевой кислоты внутри организма. [4]
Химическая формула биологического поглощения кремниевой кислоты:
Состояние насыщения опалового кремнезема увеличивается с глубиной океана из-за растворения тонущих частиц опала, образующихся в поверхностных океанских водах, но все же остается достаточно низким, чтобы реакция с образованием биогенного опалового кремнезема оставалась термодинамически неблагоприятной. Несмотря на неблагоприятные условия, организмы могут использовать растворенную кремниевую кислоту для изготовления опаловых кремнеземных оболочек посредством биологически контролируемой биоминерализации. [4] Количество опалового кремнезема, попадающего на морское дно, определяется скоростью погружения, растворения и глубиной водного столба. [5]
Скорость растворения тонущего опалового кремнезема (B-SiO 2 ) в толще воды влияет на образование кремнистого ила на дне океана. Скорость растворения кремнезема зависит от состояния насыщения опалового кремнезема в толще воды и от переупаковки частиц опалового кремнезема в более крупные частицы с поверхности океана. [3] Переупаковка — это образование (а иногда и повторное образование) твердого органического вещества (обычно фекальных гранул) вокруг опалового кремнезема. Органическое вещество защищает от немедленного растворения опалового кремнезема в кремниевую кислоту, что приводит к увеличению осаждения морского дна. Глубина компенсации опала, аналогичная глубине компенсации карбоната , находится на глубине около 6000 метров. Ниже этой глубины происходит большее растворение опалового кремнезема в кремниевой кислоте, чем образование опалового кремнезема из кремниевой кислоты. В среднем только четыре процента опалового кремнезема, произведенного на поверхности океана, оседают на морском дне, а остальные 96% перерабатываются в толще воды. [3]
Кремнистые илы накапливаются в течение длительного времени. В открытом океане кремнистый ил накапливается со скоростью около 0,01 моль Si м -2 год -1 . [6] Самые быстрые темпы накопления кремнистого ила наблюдаются в глубоких водах Южного океана (0,1 моль Si · м -2 · год -1 ), где производство и экспорт биогенного кремнезема являются наибольшими. [7] Скелетам диатомей и радиолярий, составляющих илы Южного океана, может потребоваться от 20 до 50 лет, чтобы опуститься на морское дно. [6] Кремнеземистые частицы могут тонуть быстрее, если они заключены в фекальные гранулы более крупных организмов. [6] После осаждения кремнезем продолжает растворяться и циклически вращаться, задерживая долгосрочное захоронение частиц до тех пор, пока глубина слоя осадка не достигнет 10–20 см. [6]
Когда опаловый кремнезем накапливается быстрее, чем растворяется, он захоранивается и может обеспечить диагенетическую среду для формирования морских кремней . [8] Процессы, приводящие к кремнистому образованию, наблюдаются в Южном океане, где накопление кремнистого ила происходит наиболее быстро. [8] Однако формирование кремня может занять десятки миллионов лет. [7] Фрагменты скелета кремнистых организмов подвержены рекристаллизации и цементации. [8] Черт является основной судьбой погребенного кремниевого ила и навсегда удаляет кремнезем из океанического круговорота кремнезема .
Кремнистые илы образуются в районах апвеллинга , которые обеспечивают ценные питательные вещества для роста кремнистых организмов, обитающих в поверхностных водах океана. [9] Ярким примером является Южный океан, где последовательный апвеллинг циркумполярных глубоких вод Индии, Тихого океана и Антарктики привел к образованию непрерывной кремнистой илы, которая простирается по всему земному шару. [7] Существует полоса кремнистого ила, которая является результатом усиленного экваториального апвеллинга в отложениях Тихого океана ниже Северного экваториального течения . В приполярной северной части Тихого океана апвеллинг происходит вдоль восточного и западного бортов бассейна от течения Аляски и течения Оясио . Кремнистый ил присутствует на морском дне в этих приполярных регионах. Пограничные течения океанского бассейна, такие как течение Гумбольдта и Сомалийское течение, являются примерами других восходящих течений, которые способствуют образованию кремнистого ила. [8]
Кремнистый ил часто классифицируют в зависимости от его состава. Диатомовые илы преимущественно состоят из скелетов диатомей и обычно встречаются вдоль окраин континентов в более высоких широтах. [9] Диатомовые илы присутствуют в Южном океане и северной части Тихого океана. [9] [10] Илы радиолярий состоят в основном из скелетов радиолярий и расположены в основном в тропических, экваториальных и субтропических регионах. [10] Примерами радиолярийных илов являются илы экваториальной области, субтропической части Тихого океана и субтропического бассейна Индийского океана. В экваториальном восточно-атлантическом бассейне небольшая поверхность глубоководных отложений покрыта илом радиолярий. [10]
Глубоководные отложения на морском дне в виде ила являются крупнейшим долговременным стоком океанического кремнеземного цикла (6,3 ± 3,6 тмоль Si в год -1 ). [11] Как отмечалось выше, этот ил диагенетически трансформируется в литосферный морской кремень. Этот сток примерно уравновешивается силикатным выветриванием и речным поступлением кремниевой кислоты в океан. [11] Производство биогенного кремнезема в фотической зоне оценивается в 240 ± 40 Тмоль/с / год . [10] Быстрое растворение на поверхности удаляет примерно 135 тмоль опала Si год -1 , превращая его обратно в растворимую кремниевую кислоту, которую можно снова использовать для биоминерализации. [11] Оставшийся опаловый кремнезем экспортируется в глубокие океаны в виде тонущих частиц. [11] В глубоком океане еще 26,2 Тмоль Si в год растворяется , а затем откладывается в осадках в виде опалового кремнезема. [11] На границе раздела осадочных вод более 90% кремнезема перерабатывается и поднимается вверх для повторного использования в фотической зоне. [11] Время пребывания в биологическом масштабе оценивается примерно в 400 лет, при этом каждая молекула кремнезема перерабатывается 25 раз перед захоронением отложений. [11]
Диатомовые водоросли являются первичными производителями, которые преобразуют углекислый газ в органический углерод посредством фотосинтеза и экспортируют органический углерод с поверхности океана в глубокое море с помощью биологического насоса . [12] Таким образом, диатомовые водоросли могут быть значительным поглотителем углекислого газа в поверхностных водах. Из-за относительно большого размера диатомей (по сравнению с другим фитопланктоном) они способны поглощать больше углекислого газа. Кроме того, диатомовые водоросли не выделяют углекислый газ в окружающую среду во время формирования опал-силикатных оболочек. [12] Фитопланктон, который строит раковины из карбоната кальция (т.е. кокколитофоры), выделяет углекислый газ в качестве побочного продукта во время формирования раковины, что делает их менее эффективным поглотителем углекислого газа. [13] Опаловые силикатные скелеты увеличивают скорость погружения диатомовых частиц (т.е. углерода) с поверхности океана на морское дно. [14]
Уровни углекислого газа в атмосфере росли экспоненциально после промышленной революции [13], и исследователи изучают способы снижения уровня углекислого газа в атмосфере за счет увеличения поглощения углекислого газа на поверхности океана посредством фотосинтеза. [14] Увеличение поглощения углекислого газа в поверхностных водах может привести к большей секвестрации углерода в глубоководных районах через биологический насос. Динамика цветения диатомей, их балластировка опаловым кремнеземом и различные потребности в питательных веществах сделали диатомовые водоросли объектом экспериментов по секвестрации углерода.
В рамках проектов по обогащению железом, таких как эксперименты по обогащению железом SERIES, железо было введено в океанские бассейны, чтобы проверить, увеличивает ли это скорость поглощения углекислого газа диатомовыми водорослями и, в конечном итоге, опускает его в глубины океана. [13] Железо является ограничивающим питательным веществом для фотосинтеза диатомовых водорослей в районах океана с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла , поэтому увеличение количества доступного железа может привести к последующему усилению фотосинтеза, что иногда приводит к цветению диатомовых водорослей. Это увеличение удаляет больше углекислого газа из атмосферы. Хотя поглощается больше углекислого газа, уровень секвестрации углерода в глубоководных отложениях, как правило, низок. Большая часть углекислого газа, поглощенного в процессе фотосинтеза, несколько раз перерабатывается в поверхностном слое, прежде чем попасть в глубины океана для изоляции. [13]
В докембрии концентрации океанического кремнезема были на порядок выше, чем в современных океанах. Считается, что в этот период времени произошла эволюция биосилицификации. [15] Кремнистые илы образовались после того, как в поверхностных водах начали процветать организмы, связывающие кремнезем, такие как радиолярии и диатомовые водоросли. [15]
Ископаемые данные свидетельствуют о том, что радиолярии впервые появились в позднем кембрии как свободно плавающие мелководные организмы. [16] Они не стали заметными в летописи окаменелостей до ордовика . [16] Радиоляриты развивались в регионах апвеллинга в районах высокой первичной продуктивности и являются старейшими известными организмами, способными к секреции раковин. [17] Остатки радиолярий сохранились в кремнях; побочный продукт преобразования кремнистого ила. [18] Основные события видообразования радиолярий произошли в мезозое . [19] Многие из этих видов в настоящее время вымерли в современном океане. [16] Ученые предполагают, что конкуренция с диатомовыми водорослями за растворенный кремнезем в кайнозое является вероятной причиной массового вымирания большинства видов радиолярий.
Самые старые хорошо сохранившиеся окаменелости диатомей датируются началом юрского периода . Однако молекулярная летопись предполагает, что диатомовые водоросли возникли по крайней мере 250 миллионов лет назад в триасовый период . [20] По мере появления и распространения новых видов диатомей уровень кремнезема в океане начал снижаться. [19] Сегодня существует около 100 000 видов диатомовых водорослей, большинство из которых микроскопические (2-200 мкм). [19] Некоторые ранние диатомовые водоросли были крупнее и могли достигать диаметра от 0,2 до 22 мм. [17]
Самые ранние диатомеи были радиальноцентрическими и жили на мелководье недалеко от берега. [19] Эти ранние диатомеи были приспособлены к жизни на бентосе, поскольку их внешние оболочки были тяжелыми и не позволяли им свободно плавать. [19] Свободно плавающие диатомовые водоросли, известные как биполярные и мультиполярные центрики, начали развиваться примерно 100 миллионов лет назад, в меловой период . [19] Ископаемые диатомовые водоросли сохранились в диатомите (также известном как диатомит ), который является одним из побочных продуктов преобразования ила в горную породу. [19] Когда диатомовые частицы начали опускаться на дно океана, углерод и кремнезем были изолированы вдоль континентальных окраин. Углерод, поглощенный континентальными окраинами, стал сегодня главными запасами нефти. [12] Эволюция диатомовых водорослей знаменует собой период в геологической истории Земли, когда произошло значительное удаление углекислого газа из атмосферы при одновременном повышении уровня кислорода в атмосфере. [12]
Палеоокеанографы изучают доисторические илы, чтобы узнать об изменениях в океанах с течением времени. [9] Распределение отложений и характер отложения илов информируют ученых о доисторических районах океанов, в которых были идеальные условия для роста кремнистых организмов. [9]
Ученые исследуют палеоил, взяв керны глубоководных отложений. [9] Слои отложений в этих кернах показывают характер отложений океана с течением времени. Ученые используют палеоилы в качестве инструментов, позволяющих лучше определить условия палеоокеанов. [9] Скорость нарастания палеоил может быть использована для определения глубоководной морской циркуляции, тектонической активности и климата в конкретный момент времени. Тины также полезны для определения исторической численности кремнистых организмов. [21]
Бурубатская свита, расположенная в Западном Прибалхашье Казахстана, является старейшим из известных глубинных биогенных месторождений. [20] Формация Бурубайтал в основном состоит из кремня, который формировался в течение 15 миллионов лет (поздний кембрий - средний ордовик ). [20] Вероятно, эти отложения образовались в зоне апвеллинга в субэкваториальных широтах. [20] Формация Бурубайтал в основном состоит из радиоляритов, поскольку на момент ее формирования диатомеи еще не развились. Отложения Бурубайтала заставили исследователей поверить в то, что радиолярии сыграли значительную роль в позднекембрийском цикле кремнезема. [20] Поздний кембрий (497-485,4 млн лет назад) знаменует собой переходное время для морского биоразнообразия и начало накопления ила на морском дне. [20]
В миоцене произошел сдвиг в географическом распространении кремнистых илов . [9] Шестнадцать миллионов лет назад наблюдалось постепенное сокращение отложений кремнистого ила в Северной Атлантике и одновременное увеличение отложений кремнистого ила в северной части Тихого океана. [9] Ученые предполагают, что этот сдвиг режима мог быть вызван появлением переливной воды Северного моря, которая способствовала образованию глубоководных вод Северной Атлантики (NADW). Формирование придонных вод Антарктики (ААДВ) произошло примерно в то же время, что и формирование НАДВ. [9] Образование NADW и AABW кардинально изменило океан и привело к пространственному сдвигу популяций кремнистых организмов. [9]
Граница мелового и третичного периодов была временем глобального массового вымирания, обычно называемого массовым вымиранием КТ . В то время как большинство организмов исчезало, морские кремнистые организмы процветали в морях раннего палеоцена. Один из таких примеров произошел в водах недалеко от Мальборо, Новая Зеландия. [22] Палеоиловые отложения указывают на то, что в это время наблюдался быстрый рост как диатомей, так и радиолярий. Ученые полагают, что этот период высокой продуктивности биокремния связан с глобальными климатическими изменениями. Этот бум кремнистого планктона был наибольшим в течение первого миллиона лет третичного периода и, как полагают, был вызван усиленным апвеллингом в ответ на похолодание климата и увеличением круговорота питательных веществ из-за изменения уровня моря. [22]
{{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )