Cykl krzemionkowy

Cykl krzemowy i równowaga we współczesnym oceanie światowym 

Wejście, wyjście i biologiczne strumienie krzemu, z możliwością równowagi. Całkowity dopływ krzemu = całkowity dopływ krzemu = 15,6 Tmol Si yr ^-1 w rozsądnej zgodzie z indywidualnym zakresem każdego strumienia. Białe strzałki przedstawiają strumienie źródeł netto rozpuszczonego kwasu krzemowego i/lub rozpuszczalnej bezpostaciowej krzemionki oraz topników z odzysku rozpuszczonego kwasu krzemowego. Pomarańczowe strzałki przedstawiają strumienie pochłaniania krzemu, albo jako krzemionka biogenna , albo jako krzemionka autigeniczna . Zielone strzałki odpowiadają przepływom biologicznym (pelagicznym). Wartości strumienia opublikowane przez Tréguer & De La Rocha.

Strumienie w teramolach krzemu na rok (Tmol Si yr ⁻¹ ).

Cykl krzemionkowy to cykl biogeochemiczny , w którym krzemionka biogenna jest transportowana między systemami Ziemi. Krzem jest uważany za pierwiastek bioniezbędny i jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi. Cykl krzemionki w znacznym stopniu pokrywa się z cyklem węgla (patrz cykl węglanowo-krzemianowy ) i odgrywa ważną rolę w sekwestracji węgla poprzez wietrzenie kontynentów , eksport biogeniczny i zakopywanie w postaci wycieków w geologicznych skalach czasowych.

Przegląd

Krzem jest siódmym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie i drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (najbardziej rozpowszechniony jest tlen). Wietrzenie skorupy ziemskiej przez wodę deszczową bogatą w dwutlenek węgla jest kluczowym procesem w kontroli atmosferycznego dwutlenku węgla . Powoduje to powstawanie kwasu krzemowego w środowisku wodnym. Kwas krzemowy, Si(OH) ₄ , jest uwodnioną formą krzemionki występującą tylko w postaci niestabilnego roztworu w wodzie, jednak odgrywa kluczową rolę w obiegu krzemionki.

Krzemiany to organizmy, które wykorzystują kwas krzemowy do wytrącania biogennej krzemionki SiO ₂ . Krzemionka biogenna, zwana także opalem , jest wytrącana przez krzemionki jako struktury wewnętrzne i/lub zewnętrzne. Silicifiers należą do najważniejszych organizmów wodnych. Należą do nich mikroorganizmy, takie jak okrzemki , ryzarianie , wiciowce krzemionkowe i kilka gatunków wiciowców choano , a także makroorganizmy, takie jak gąbki krzemionkowe . Fototroficzny krzemionki, takie jak okrzemki, na całym świecie zużywają ogromne ilości krzemu wraz z azotem (N), fosforem (P) i węglem nieorganicznym (C), łącząc biogeochemię tych pierwiastków i przyczyniając się do sekwestracji atmosferycznego dwutlenku węgla w oceanie. Organizmy heterotroficzne , takie jak ryzarianie , choanoflagellaty i gąbki , wytwarzają krzemionkę biogenną niezależnie od fotoautotroficznego przetwarzania C i N.

Okrzemki dominują w wiązaniu i eksporcie cząstek stałych we współczesnym morskim obiegu krzemionki. Obejmuje to eksport węgla organicznego ze strefy eufotycznej do głębokiego oceanu za pośrednictwem biologicznej pompy węglowej . W rezultacie okrzemki i inne organizmy wydzielające krzemionkę odgrywają kluczową rolę w globalnym obiegu węgla poprzez sekwestrację węgla w oceanie. Związek między krzemionką biogenną i węgla organicznego, wraz ze znacznie wyższym potencjałem konserwatorskim biogennych związków krzemionkowych w porównaniu z węglem organicznym, sprawia, że ​​zapisy akumulacji opalu są przedmiotem zainteresowania paleoceanografii i paleoklimatologii .

Zrozumienie cyklu krzemionki jest ważne dla zrozumienia funkcjonowania morskich sieci pokarmowych , cykli biogeochemicznych i pompy biologicznej. Kwas krzemowy jest dostarczany do oceanu sześcioma ścieżkami, jak pokazano na powyższym schemacie, z których wszystkie ostatecznie pochodzą z wietrzenia skorupy ziemskiej.

Cyrkulacja ziemskiej krzemionki

Krzemionka jest ważnym składnikiem odżywczym wykorzystywanym przez rośliny, drzewa i trawy w biosferze lądowej . Krzemiany są transportowane rzekami i mogą osadzać się w glebie w postaci różnych polimorfów krzemionki . Rośliny mogą łatwo pobierać krzemiany w postaci H ₄ SiO ₄ w celu tworzenia fitolitów . Fitolity to małe sztywne struktury znajdujące się w komórkach roślinnych, które pomagają w strukturalnej integralności rośliny. Fitolity służą również do ochrony roślin przed spożyciem przez roślinożerców którzy nie są w stanie efektywnie spożywać i trawić roślin bogatych w krzemionkę. Szacuje się , że uwalnianie krzemionki w wyniku degradacji lub rozpuszczania fitolitu występuje dwukrotnie szybciej niż globalne wietrzenie minerałów krzemianowych . Biorąc pod uwagę cykl biogeochemiczny w ekosystemach, import i eksport krzemionki do iz ekosystemów lądowych jest niewielki.

Zwietrzenie

Minerały krzemianowe występują obficie w formacjach skalnych na całej planecie, stanowiąc około 90% skorupy ziemskiej. Głównym źródłem krzemianów w biosferze lądowej jest wietrzenie . Proces i tempo wietrzenia jest zmienny i zależy od opadów, odpływu, roślinności, litologii i topografii.

Przy wystarczającej ilości czasu woda deszczowa może rozpuścić nawet bardzo odporny minerał na bazie krzemianu, taki jak kwarc . Woda rozrywa wiązania między atomami w krysztale:

Ogólna reakcja rozpuszczania kwarcu prowadzi do powstania kwasu krzemowego

SiO ₂ + 2H ₂ O → H ₄ SiO ₄

Innym przykładem minerału na bazie krzemianów jest enstatyt (MgSiO ₃ ). Woda deszczowa przekształca to w kwas krzemowy w następujący sposób:

${\ Displaystyle {\ ce {MgSiO3 (s ) + 2CO2(g) + H2O(l) = Mg2+(aq) + 2HCO3- (aq) + SiO2(aq)}}}$

Odwrotne wietrzenie

Zobacz też: Odwrotne wietrzenie

W ostatnich latach wpływ odwrotnego wietrzenia na krzemionkę biogenną był przedmiotem zainteresowania w ilościowym określaniu cyklu krzemionki. Podczas wietrzenia rozpuszczona krzemionka jest dostarczana do oceanów przez spływy lodowcowe i rzeki. Ta rozpuszczona krzemionka jest pobierana przez wiele organizmów morskich, takich jak okrzemki , i służy do tworzenia muszli ochronnych. Kiedy te organizmy umierają, toną w słupie wody. Bez aktywnej produkcji biogennego SiO ₂ minerał rozpoczyna diagenezę . Przekształcenie tej rozpuszczonej krzemionki w autigeniczną iłów silikatowych poprzez proces wietrzenia wstecznego stanowi usunięcie 20-25% wsadu krzemowego.

Odwrotne wietrzenie często występuje w deltach rzek , ponieważ systemy te mają wysokie tempo gromadzenia się osadów i obserwuje się, że przechodzą szybką diagenezę. Tworzenie się glin krzemianowych usuwa reaktywną krzemionkę z wód porowych osadu, zwiększając stężenie krzemionki występującej w skałach tworzących się w tych miejscach.

Wietrzenie krzemianowe wydaje się również dominującym procesem w głębszych osadach metanogennych , podczas gdy wietrzenie wsteczne jest bardziej powszechne w osadach powierzchniowych, ale nadal występuje z mniejszą szybkością.

Umywalki

Głównym pochłaniaczem ziemskiego cyklu krzemionki jest eksport do oceanu przez rzeki. Krzemionka, która jest przechowywana w materii roślinnej lub rozpuszczona, może być eksportowana do oceanu rzekami. Szybkość tego transportu wynosi około 6 Tmol Si yr ^-1 . Jest to główny pochłaniacz ziemskiego cyklu krzemionkowego, a także największe źródło morskiego cyklu krzemionkowego. Pomniejszym pochłaniaczem ziemskiej krzemionki jest krzemian, który osadza się w osadach lądowych i ostatecznie jest eksportowany do skorupy ziemskiej .

Wejścia morskie

• 

  
  Dane wejściowe do morskiego cyklu krzemionkowego zaadaptowane z Treguer et al., 1995

Rzeczny

Według stanu na 2021 r. najlepsze oszacowanie całkowitego rzecznego dopływu kwasu krzemowego wynosi 6,2 (± 1,8) Tmol Si yr ^-1 . Opiera się to na danych reprezentujących 60% światowego przepływu rzecznego i średnim ważonym zrzutem stężeniu kwasu krzemowego w rzece wynoszącym 158 µM-Si. Jednak kwas krzemowy nie jest jedynym sposobem przenoszenia krzemu z systemów lądowych do rzecznych, ponieważ krzem w postaci cząstek może być również mobilizowany w postaci skrystalizowanej lub amorficznej. Według Saccone i in. w 2007 r. termin „krzemionka amorficzna” obejmuje krzemionkę biogenną (z fitolitów , okrzemek słodkowodnych , drzazg gąbczastych ), zmieniona biogenna krzemionka i pedogeniczne krzemiany, z których trzy mogą mieć podobne wysokie rozpuszczalności i reaktywności. Dostarczanie amorficznej krzemionki do systemu rzecznego zostało zweryfikowane przez Fringsa i innych w 2016 r., Którzy zasugerowali wartość 1,9 (± 1,0) Tmol Si yr ^-1 . Dlatego całkowity dopływ rzeki wynosi 8,1 (± 2,0) Tmol Si yr ⁻¹ .

eoliczny

rozpuszczalnej krzemionki w postaci cząstek stałych i mokre osadzanie kwasu krzemowego w wyniku opadów, nie poczyniono żadnych postępów w zakresie osadzania się pyłu eolicznego w oceanie i późniejszego uwalniania kwasu krzemowego poprzez rozpuszczanie pyłu w wodzie morskiej . Tak więc najlepsze oszacowanie eolicznego strumienia kwasu krzemowego, FA, pozostaje na poziomie 0,5(±0,5) Tmol Si yr ^-1 .

piaszczyste plaże

Badanie z 2019 roku wykazało, że w strefie surfowania na plażach działanie fal zakłóciło abiotyczne ziarna piasku i z czasem je rozpuściło. Aby to sprawdzić, naukowcy umieścili próbki piasku w zamkniętych pojemnikach z różnymi rodzajami wody i obrócili pojemniki, aby zasymulować działanie fal. Odkryli, że im wyższy stosunek kamienia do wody w pojemniku i im szybciej pojemnik się obraca, tym więcej krzemionki rozpuszcza się w roztworze. Po przeanalizowaniu i powiększeniu wyników oszacowali, że od 3,2 ± 1,0 do 5,0 ± 2,0 Tmol Si yr ^-1 litogenicznego DSi może przedostać się do oceanu z piaszczystych plaż, co stanowi ogromny wzrost w porównaniu z poprzednimi szacunkami 0,3 Tmol Si yr ^-1 . Jeśli zostanie to potwierdzone, oznacza to znaczący wkład rozpuszczonego LSi, który wcześniej był ignorowany.

Obieg morskiej krzemionki

Pokazano wkłady morskie i lądowe w cykl krzemionki, z względnym ruchem (przepływem) podanym w jednostkach Tmol Si/rok. Morska produkcja biologiczna pochodzi głównie z okrzemek . Produkcja biologiczna ujścia rzeki jest spowodowana gąbkami . Wartości strumienia opublikowane przez Tréguer & De La Rocha. Rozmiar zbiornika skał krzemianowych, jak omówiono w sekcji źródeł, wynosi 1,5x10 ²¹ Tmol.

Procesy niskotemperaturowe kontrolujące rozpuszczanie krzemu w wodzie morskiej 

Organizmy krzemionkowe w oceanie, takie jak okrzemki i radiolarie , są głównym źródłem rozpuszczonego kwasu krzemowego w opalowej krzemionce. Tylko 3% cząsteczek Si rozpuszczonych w oceanach jest eksportowanych i trwale osadzanych w osadach morskich na dnie morskim każdego roku, co pokazuje, że recykling krzemu jest dominującym procesem w oceanach. Ten szybki recykling jest zależny od rozpuszczenia krzemionki w materii organicznej w słupie wody, a następnie biologicznego wychwytu w strefie foticznej . Szacunkowy czas przebywania biologicznego rezerwuaru krzemionki to około 400 lat. Opalowa krzemionka jest przeważnie niedosycona w oceanach świata. To nienasycenie sprzyja szybkiemu rozpuszczaniu w wyniku ciągłego recyklingu i długich czasów przebywania. Szacunkowy czas obrotu Si to 1,5x10 ⁴ lata. Całkowite dopływy i odpływy netto krzemionki do oceanu wynoszą odpowiednio 9,4 ± 4,7 Tmol Si rok- ¹ i 9,9 ± 7,3 Tmol Si rok- ^{1 .}

Produkcja krzemionki biogenicznej w strefie foticznej szacowana jest na 240 ± 40 Tmol Si rok ⁻¹ . Rozpuszczanie na powierzchni usuwa około 135 Tmol Si rok ^-1 , podczas gdy pozostały Si jest eksportowany do głębi oceanu w postaci tonących cząstek. W głębokim oceanie kolejne 26,2 Tmol Si rok ^-1 rozpuszcza się, zanim zostanie osadzone w osadach w postaci opalowego deszczu. Ponad 90% krzemionki tutaj jest rozpuszczane, poddawane recyklingowi i ostatecznie wypuszczane w górę do ponownego użycia w strefie eufotycznej.

Źródła

Głównymi źródłami morskiej krzemionki są rzeki, przepływy wód gruntowych, wpływy wietrzenia dna morskiego, kominy hydrotermalne i depozycja atmosferyczna ( przepływ eoliczny ). Rzeki są zdecydowanie największym źródłem krzemionki w środowisku morskim, stanowiąc do 90% całej krzemionki dostarczanej do oceanu. Źródłem krzemionki w morskim biologicznym cyklu krzemionki jest krzemionka, która została poddana recyklingowi przez upwelling z głębi oceanu i dna morskiego.

Schemat procesów niskotemperaturowych pokazuje, w jaki sposób mogą one kontrolować rozpuszczanie (bezpostaciowych lub skrystalizowanych) minerałów krzemionkowych w wodzie morskiej w strefie przybrzeżnej i w głębokim oceanie, zasilając podmorskie wody gruntowe (F GW ) i rozpuszczony krzem w wodzie _morskiej i osady (F _W ). Procesy te odpowiadają zarówno strumieniowi niskiej, jak i średniej energii rozpraszanej na objętość danej cząsteczki krzemionki w strefie przybrzeżnej, na obrzeżach kontynentów iw otchłaniach oraz strumieniowi o wysokiej energii rozpraszanemu w strefie przyboju .

Umywalki

Szybkie rozpuszczanie na powierzchni usuwa około 135 Tmol opalu Si rok ^-1 , przekształcając go z powrotem w rozpuszczalny kwas krzemowy, który można ponownie wykorzystać do biomineralizacji. Pozostała opalowa krzemionka jest eksportowana do głębin oceanu w postaci tonących cząstek. W głębokim oceanie kolejne 26,2 Tmol Si rok ^-1 rozpuszcza się, zanim zostanie osadzone w osadach jako opalizująca krzemionka. Na styku wody z osadem ponad 90% krzemionki jest poddawane recyklingowi i poddawane upwellingowi do ponownego wykorzystania w strefie foticznej. Produkcja biogenicznej krzemionki w strefie foticznej szacowana jest na 240 ± 40 Tmol si rok ⁻¹ . Czas przebywania w biologicznej skali czasu szacuje się na około 400 lat, przy czym każda cząsteczka krzemionki jest poddawana recyklingowi 25 razy przed zakopaniem osadu.

Głębokie osadzanie dna morskiego jest największym długoterminowym pochłanianiem morskiego cyklu krzemionki (6,3 ± 3,6 Tmol Si rok ^-1 ) i jest z grubsza równoważone przez źródła krzemionki do oceanu. Krzemionka osadzająca się w głębokim oceanie ma głównie postać krzemionkowego szlamu . Kiedy opalizująca krzemionka gromadzi się szybciej niż rozpuszcza się, jest zakopywana i może zapewnić diagenetyczne środowisko do formowania się czertów morskich . Procesy prowadzące do powstawania czertów zaobserwowano w Oceanie Południowym, gdzie akumulacja szlamu krzemionkowego zachodzi najszybciej. Formacja Chert może jednak zająć dziesiątki milionów lat. Fragmenty szkieletów organizmów krzemionkowych podlegają rekrystalizacji i cementacji. Chert jest głównym przeznaczeniem zakopanego szlamu krzemionkowego i trwale usuwa krzemionkę z oceanicznego cyklu krzemionkowego.

Krzemionkowy szlam jest ostatecznie subdukowany pod skorupą i przekształcany w górnym płaszczu . Pod płaszczem minerały krzemianowe tworzą się w śluzach i ostatecznie są wynoszone na powierzchnię. Na powierzchni krzemionka może ponownie wejść w cykl poprzez wietrzenie. Proces ten może trwać dziesiątki milionów lat. Jedynym innym głównym pochłaniaczem krzemionki w oceanie jest zakopywanie wzdłuż brzegów kontynentów (3,6 ± 3,7 Tmol Si rok ^-1 ), głównie w postaci gąbek krzemionkowych . Ze względu na wysoki stopień niepewności oszacowań źródeł i pochłaniaczy trudno stwierdzić, czy cykl krzemionki morskiej jest w równowadze. Czas przebywania krzemionki w oceanach szacuje się na około 10 000 lat. Krzemionkę można również usunąć z cyklu, stając się chertem i trwale zakopując.

Wpływy antropogeniczne

Rozwój rolnictwa w ciągu ostatnich 400 lat zwiększył ekspozycję skał i gleb, co spowodowało zwiększone tempo wietrzenia krzemianów. Z kolei wzrosło również wypłukiwanie zasobów krzemionki amorficznej z gleb, co skutkuje wyższymi stężeniami rozpuszczonej krzemionki w rzekach. I odwrotnie, zwiększone spiętrzenie doprowadziło do zmniejszenia dostaw krzemionki do oceanu z powodu wchłaniania przez okrzemki słodkowodne za tamami. Dominacja niekrzemionkowego fitoplanktonu spowodowana antropogenicznym ładunkiem azotu i fosforu oraz zwiększonym rozpuszczaniem krzemionki w cieplejszych wodach może potencjalnie ograniczyć krzem osadów oceanicznych w przyszłości.

W 2019 roku grupa naukowców zasugerowała, że ​​zakwaszenie zmniejsza produkcję krzemionki okrzemkowej w Oceanie Południowym .

Okrzemka

Radiolataria

Zmiany w oceanicznym kwasie krzemowym mogą utrudniać życie mikroorganizmom morskim , które budują muszle krzemionkowe

• 

  Stężenie kwasu krzemowego w górnej strefie pelagicznej , wykazujące wysoki poziom w Oceanie Południowym

Rola w regulacji klimatu

Cykl krzemionkowy odgrywa ważną rolę w długoterminowej globalnej regulacji klimatu. Globalny cykl krzemionki ma również duży wpływ na globalny obieg węgla poprzez cykl węglanowo-krzemianowy . Proces wietrzenia minerałów krzemianowych przenosi atmosferyczny CO ₂ do cyklu hydrologicznego poprzez reakcję chemiczną pokazaną powyżej. W geologicznych skalach czasowych tempo wietrzenia zmienia się z powodu aktywności tektonicznej. W okresie wysokiego tempa wypiętrzenia zwiększa się wietrzenie krzemianów, co skutkuje wysokimi wskaźnikami pochłaniania CO _{2 , równoważącymi zwiększone wulkaniczne CO 2} emisje związane z działalnością geologiczną. Ta równowaga wietrzenia i wulkanów jest częścią tego, co kontroluje efekt cieplarniany i pH oceanu w geologicznych skalach czasu.

Akumulacja biogennej krzemionki na dnie morskim zawiera wiele informacji o tym, gdzie w oceanie odbywała się produkcja eksportowa w skalach czasowych od setek do milionów lat. Z tego powodu zapisy osadzania opalu dostarczają cennych informacji dotyczących reorganizacji oceanograficznych na dużą skalę w przeszłości geologicznej, a także paleoproduktywności. Średni czas przebywania krzemianów w oceanach wynosi około 10 000–15 000 lat. Ten stosunkowo krótki czas przebywania sprawia, że ​​stężenia i przepływy krzemianów oceanicznych są wrażliwe na działanie glacjałów / interglacjałów perturbacji, a tym samym doskonałe przybliżenie do oceny zmian klimatycznych.

Stosunki izotopów tlenu (O ¹⁸ : O ¹⁶ ) i krzemu (Si ³⁰ : Si ²⁸ ) są analizowane z krzemionki biogennej zachowanej w osadach jeziornych i morskich w celu uzyskania zapisów zmian klimatu i obiegu składników odżywczych w przeszłości (De La Rocha, 2006; Leng i Barkera, 2006). Jest to szczególnie cenne podejście, biorąc pod uwagę rolę okrzemek w globalnym obiegu węgla. Ponadto analizy izotopowe z BSi są przydatne do śledzenia zmian klimatu w przeszłości w regionach takich jak Ocean Południowy , gdzie niewiele biogenów węglany są zachowane.

izotopów krzemu w kopalnych drzazgach gąbek (δ30Si) są coraz częściej wykorzystywane do szacowania poziomu kwasu krzemowego w środowiskach morskich w całej historii geologicznej, co umożliwia rekonstrukcję przeszłych cykli krzemionkowych.

Zobacz też

• Obieg węgla
• Krzemionka litogeniczna
• Cykl tlenowy
• Silifikacja
• Biogeochemia izotopów krzemu