Лекция 2 Памяти Г.А.Заварзина. Геохимические циклы и

Лекция 2. Lect_02_Carbon_I
Памяти Г.А.Заварзина. Геохимические циклы и
встраивание в них организмов. Цикл углерода (начало).
Углерод в литосфере, гидросфере, атмосфере и биоте.
Соотношение запасов. Карбонаты и кероген.
Химическое выветривание карбонатов и силикатов.
Жизнь на потоке восстановленных веществ. Атмосфера
– одеяло и зеркало биосферы. Сезонные колебания
СО2 на разных широтах. Различия между северным и
южным полушарием.
Георгий Александрович Заварзин
(28.01.1933 - 6.09.2011)
CHNOPS
1.Все, кроме фосфора, образуют
летучие соединения
2.Все, кроме фосфора, представлены
несколькими стабильными изотопами
3.Биосферный круговорот всех, кроме
фосфора, может осуществляться за счет
жизнедеятельности организмов
Falkowski et al., 2008. Science. V. 320 (5879), pp. 1034-1039
Геохимические циклы на Земле создаются
тектоникой и фотохимическими процессами,
происходящими в атмосфере …
Подавляющее большинство абиотических
геохимических процессов происходит на
основе реакций кислот и оснований, т.е.
переносом протонов…
Химия жизни основана на окислительновосстановительных потенциалах, на переносе
электронов и протонов довольного
ограниченного круга элементов…
Геохимические циклы
– тысячелетия, миллионы лет
Циклы, движимые активностью
организмов (биогеохимические)
– годы, десятилетия
Циклы, движимые
активностью
организмов,
формируются в рамках
геохимических циклов
C
углерод
Углерод биосферы
(в гигатоннах, 109т 1015г )


Вся гидросфера (океаны)
Атмосфера ( СО2 )
Масса живых организмов
> 75 000 000
38 400
720
600 – 1 000
Углерод литосферы
(в гигатоннах, 1015 г )
Всего > 75 000 000
Карбонаты кальция и магния > 60 000 000
(осадочные породы)
Кероген (осадочное органическое вещество)
15 000 000
Ископаемое топливо (уголь,
торф, нефть, газ)
4 130
Углерод атмосферы и органического вещества
на поверхности суши (в Гт, 109 т, 1015 г)
Атмосфера (СО2 )
720
Наземная биота (в целом)
1 800 - 2 200
Масса живых организмов
600 – 1 000
Масса отмерших организмов на поверхности земли
1 200
1. Большая часть углерода биосферы
выведена из активного круговорота и
находится в осадочных породах карбонатах и керогене
2. Формирование этих пород происходило
при самом активном участии организмов
3. Углерод осадочных пород так же
вовлечен в круговорот, но он совершается
очень медленно – примерно за 500
миллионов лет
Кристаллы доломита,
CaMg(CO3)2
франц. геолог Déodat Gratet de Dolomieu (1750-1801)
Фамилия от названия селения Доломьё
Карбонаты, т.е. известняки (CaCO3) и
доломиты (CaCO3·MgCO3), образовались
в результате перекристаллизации
остатков скелетов морских организмов. В
открытом океане – это планктонные
кокколитофориды и фораминиферы
Кероген – органическое вещество,
содержащееся в осадочных породах в
рассеянной форме. Кероген
образовывался на суше и в мелководных
морях
Скопления керогена – это то
органическое вещество,
вывод которого из
круговорота обеспечил
сохранение в атмосфере
свободного кислорода
Химическое выветривание карбонатов (I)
1. В почве при взаимодействии диоксида
углерода CO2 и воды образуется угольная
кислота H2CO3
2. Угольная кислота растворяет карбонаты:
кальций и магний оказываются в виде
ионов Ca2+ и Mg2+ в растворе
3. На каждый ион металла образуется по
два иона бикарбоната (HCO3- ): один за
счет карбоната, другой за счет угольной
кислоты
Химическое выветривание карбонатов (II)
4. Речными водами все компоненты
выветривания выносятся в океан
5. Ионы кальция, магния и бикарбоната
используются организмами, строящими
известковые скелеты (кокколитофоридами, фораминиферами и др.)
Когда организмы отмирают, их скелеты
опускаются на дно и образуют отложения
карбонатных пород
Химическое выветривание карбонатов (III)
6. Из круговорота выводится только
половина ионов бикарбоната (для которых
находятся катионы кальция и магния),
другая половина в конце концов
превращается в диоксид углерода
7. Весь атмосферный CO2, связанный в
ходе химического выветривания
карбонатов, при повторном их
образовании возвращается во внешнюю
среду (в океан, потом в атмосферу)
Химическое выветривание силикатов (I)
1. В силикатах (CaSiO3 или MgSiO3) нет
углерода
2. Однако процесс их выветривания связан
с образованием карбонатов (CaCO3, и
MgCO3)
3. На это расходуются ионы бикарбоната
угольной кислоты (которая образуется в
почве при взаимодействии CO2 с водой)
Химическое выветривание силикатов (II)
4. Эти процессы могут быть записаны в
виде уравнений:
CO2 + CaSiO3 → CaCO3 + SiO2
CO2 + MgSiO3 → MgCO3 + SiO2
5. Соответственно, выветривание
силикатов (в отличие от карбонатов)
приводит к изъятию CO2 из атмосферы
6. За полмиллиона лет, а по некоторым
расчетам даже за 300 000 лет, весь
атмосферный углерод может оказаться
связанным в осадочных породах
Возвращение диоксида углерода
из осадочных пород (I)
1. Карбонаты и кремнезем должны
погрузиться на большую глубину
2. При расширении дна океана
сдвинуться под материки, где в
условиях огромного давления
испытать разогрев,
перекристаллизацию, а иногда и
расплавление
Возвращение диоксида углерода из осадочных пород (II)
3. В ходе этих преобразований идут
реакции, по направлению своему
противоположные приведенным
выше:
CaCO3 + SiO2 → CO2 + CaSiO3
MgCO3 + SiO2 → CO2 + MgSiO3
Окись кремния взаимодействует с карбонатами
кальция и магния, образуя силикаты и CO2,
выбрасываемый через жерла вулканов или
высачивающийся в источниках
Озеро Nyos (Камерун). 21 авг. 1986. СО2 вышедший из озера
погубил более 1700 человек и более 3500 голов скота
Coordinates
6.44° N 10.30° E
Lake type
Meromictc
Length 2.0 km
Max width 1.2 km
Surface area
1.58 km²
Average depth
208 m
Возможна ли жизнь на
потоке восстановленных
соединений из глубин
литосферы? Без света?
И без круговорота?
Thomas Gold (1920 – 2004)
Thomas Gold
The total pore space available in the land areas of the Earth down to 5 km
depth can be estimated as 2 x 1022 cm3 (taking 3% porosity as an average
value).
If material of the density of water fills these pore spaces, then this would
represent a mass of 2 x 1016 tons. What fraction of this might be bacterial
mass?
If it were 1% or 2 x 1014 tons, it would still be equivalent to a layer of the
order of 1.5 m thick of living material if spread out over all of the land
surface…
По современным оценкам подземная
биомасса прокариот может составлять
от 55 до 85% биомассы всех прокариот
на Земле или 30% всей живой массы
(биомассы всех организмов)
JOIDES Resolution (Joint Oceanographic Institutions for Deep
Earth Sampling) is a scientific drilling ship
Fresh material from the deep subsurface. A fresh sediment core has just been retrieved
from the deep subseafloor in the eastern tropical Pacific Ocean at a water depth of 5000
m during Leg 201 of the Ocean Drilling Program. The 10-m-long core is carried down
from the drill deck for microbiological and geochemical sampling on board the drilling
vessel JOIDES Resolution. The staff wear gas masks to avoid inhaling toxic hydrogen
sulfide and explosive gas hydrate; both are metabolic products of the deep biosphere.
CREDIT: PHOTOGRAPH BY ODP LEG 201 ONBOARD SCIENTIFIC PARTY
Атмосфера –
одеяло и
зеркало
биосферы
Состав воздуха:
1. Молекулярный азот - 78%
2. Молекулярный кислород - 21%
3. Аргон - 1%
4. Вода (пар): от 0.5 до 4%
5. Примеси – содержание оценивают в частях
на миллион (ppm):
Диоксид углерода (углекислый газ)
CO2, - 390 ppm (в середине XVIII века - 280 ppm)
Неон - 18.8 ppm
Гелий - 5.5 ppm
Метан - 1.7 ppm
Благодаря парниковому эффекту
средняя для всего земного шара
температура
о
у поверхности земли +15 ,
тогда как в его отсутствие
она была бы
о
-23
май
октябр
ь
Сезонные колебания
содержания СО2 в
атмосфере, наложенные на
линию многолетнего
тренда. За последнее
десятилетие вся кривая
сместилась влево:
фотосинтез начинает всё
раньше преобладать над
дыханием (сдвиг даты «весеннее пересечение
нулевой отметки» — Spring
zero crossing date).
Но дата «осеннего
пересечения нулевой
отметки» (Autumn zero
crossing date), также
сместилась на более
ранние сроки. В теплые
осени дыхание возрастает
особенно интенсивно и это
сводит на нет результаты
активного фотосинтеза
весной. Рис. из: Miller J.B.
Carbon cycle: Sources, sinks
and seasons // Nature. 2008.
V. 451. P. 26–27