Круговорот углерода в биосфере и глубинная дегазация Земли

Биосферный биогеохимический круговорот углерода – непрекращающийся процесс миграции, распределения, рассеяния и концентрации углерода в системе "верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы", соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов: наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО₂, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО₂ на 0,7 %, т.е. к 320 млн.^–1 (современное содержание СО₂) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.^–4. На деле же за год концентрация СО₂ в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).

Распределение СО₂ между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО₂ из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата.

Годовой уровень обмена углерода между поверхностью Земли и атмосферой составляет 225 ГтС/год, что примерно в 30 раз превышает количество СО₂, связанного с антропогенными выбросами. Около 80 % (или 60 % СО₂ суши) пула углерода сосредоточено в северной циркумполярной области (тундра, тайга, леса, луга), тропических и субтропических лесах. В бореальных лесах, 2/3 которых сосредоточены в России, содержится более 40 % СО₂ суши. Три четверти запасов углерода циркумполярного Севера сосредоточены в лесных регионах, составляющих более 1500 млн. га суши (10 % поверхности Земли). Основная часть этого пула находится в виде отмершего органического вещества в поверхностном слое торфяных и лесных почв. По отношению к массе углерода коэффициенты фоссилизации органического углерода составляют: в глубоководных частях океана – 0,06 %, на шельфе – около 1%, в озерах на континентах (в виде сапропеля) – 3,5%, в болотах – 8,6 %. Содержание органического углерода в детрите и гумусе педосферы достигает 2104* 10¹² кгС, что в 2,9 раза превышает его массу в атмосфере (728 *10¹² кгС) и в 3,8 раза выше, чем в биомассе наземной растительности (560* 10¹² кгС). Океан поглощает более 4 ГтС/год, из них более 2 ГтС/год приходится на долю биосферы океана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Глубинная дегазация Земли

Дегазация Земли, сопровождающаяся вертикальной миграцией, установлена во многих нефтегазовых бассейнах. Исландия - пример горячей дегазации Земли, на 90 % сложена базальтами, в разной степени измененными гидротермами.

Это явление  обычно рассматривается как метановая  дегазация Земли и свидетельствует  о возможности образования углеводородных газов в глубинах Земли в результате воздействия очень высоких температур и громадных давлений на углерод, по-видимому, как органического, так и неорганического происхождения.

Между тем  за счет процессов дегазации Земли (вулканической деятельности, фильтрации из мантии) систематически выбрасывается  в биосферу неорганический углерод (диоксид углерода), часть которого в виде неорганических карбонатов откладывается  в осадочных породах и выводится  из биосферы. Таким образом, за время порядка миллиарда лет запас неорганического углерода в биосфере должен был возрасти в десятки тысяч раз, чего не произошло. С помощью изменения концентрации углерода в пузырьках воздуха ледовых кернов Антарктиды и Гренландии различного возраста установлено, что в пределах погрешности измерений концентрация углерода в атмосфере сохранялась постоянно в течение последних нескольких тысяч лет.

 Возникновение жизни связано с началом дегазации Земли. Теория основана на регистрируемых широких процессах дегазации Земли и возможности синтеза углеводорода в лабораторных условиях путем катализа при различных давлениях, температурах и катализаторах - химическая основа минеральной гипотезы. Эта теория (гипотеза) впервые возникла в России в результате работ Д.И.Менделеева (карбидная гипотеза), впервые синтезировавшего нефть в лаборатории, и многочисленных работ П.Н.Кропоткина и его последователей.

С позиций  как биогенного, так и абиогенного  происхождения углеводорода на больших глубинах следует ожидать открытий преимущественно высоко- напористых газовых и газоконденсатных залежей. Для формирования и сохранения таких залежей необходимы надежные покрышки, к которым можно отнести сульфатно-галогенные породы. Что касается других типов газоупоров (аргиллитов, глинистых известняков), то на больших глубинах они в значительной мере утрачивают свои свойства.

Осадочные отложения играют главенствующую роль лишь в накоплении и сохранении месторождений  углеводорода, сформировавшихся за счет глубинной дегазации Земли, из-за наличия в их составе покрышек различного происхождения. Кроме того, внедряющаяся в осадочный чехол газоводяная смесь несет собой широкий спектр углеводорода мантийного происхождения, которые смешиваются с имеющейся в осадочных отложениях микронефтью формируют различные по объему залежи углеводорода, в том числе и гигантские. По результатам изучения флюидных включений в минералах жильных, метаморфических и магматических пород установлено, что эти включения не могли образоваться без поступления флюидов мантийного происхождения. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Влияние круговорота углерода на глобальный климат

4.1 Концентрация углерода в системе «литосфера-гидросфера атмосфера»

Больше всего углерода сконцентрировано в карбонатных горных породах - известняке CaCO₃ и доломите СаСО₃*MgCO₃ . Однако, содержащийся в них углерод практически выводится из круговорота.

Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода IV.

Поскольку оксид углерода растворим в воде, атмосфера может обмениваться с океаном. По запасам углерода океан значительно превосходит воздушную оболочку. Однако углерод не превращается в биомассу из-за нехватки там других жизненно важных элементов - азота и фосфора. Тем не менее океан поддерживает концентрацию СО₂ в атмосфере более или менее постоянной, забирая СО₂ , если его становиться больше, и отдавая - если его количество уменьшается. Согласно имеющимся данным наблюдений, в настоящее время как Мировой океан, так и суша являются глобальными стоками СО₂ , причем в океане это обусловлено химическими и биологическими процессами, тогда как на суше связано с усилением «фертилизации» растительности за счет возрастающей концентрации СО₂ и азота, а также с изменениями землепользования.

СО₂ не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплению углекислого газа в атмосфере, вследствие вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда) в начале и конце протерозоя.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают, прежде всего, с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.

Большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) – атмосфера, и наземная биосфера – атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу. Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода. Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.). Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов, при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО₂ составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа океаном уже в ближайшем будущем может уменьшиться, и даже возможен обратный процесс – выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды – так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.

Итак, поток углекислого газа в атмосферу, вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественными потоками, однако его нескомпенсированность приводит к постепенному накоплению СО₂ в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО₂, складывавшийся за миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней.

За период с 1750 г. по настоящее время концентрация СО₂ в атмосфере возросла примерно на одну треть, достигнув самого высокого уровня за последние 420 тыс. лет, о чем свидетельствуют данные ледяных кернов.

Примерно на две трети рост концентрации СО₂ за последние 20 лет обусловлен выбросами в атмосферу за счет сжигания ископаемых топлив (остальное приходится на долю вкладов от сведения лесов и в меньшей степени цементной промышленности). На рис. 2 показан рост концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее тысячелетие. В процессе сжигания топлива в топках электростанций и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается огромное количество СО₂ – в пересчете на углерод 6 гигатонн в год, что составляет вполне значимую величину по сравнению с естественным кругооборотом углерода (160 Гт/год), обусловленным массообменом атмосферы с океаном и биосферой.

Приведенные на рис.2 данные неопровержимо свидетельствуют о том, что за последние 200 лет концентрация СО₂ выросла на 30% по сравнению с доиндустриальным уровнем. В соответствии с многочисленными прогнозами если не принимать никаких мер, то к середине ХХI века вследствие дальнейшего развития энергетики, транспорта и промышленности произойдет удвоение концентрации СО₂ в атмосфере по сравнению с 1800 годом.

Рис.2 Изменение концентрации СО₂ в атмосфере Земли в течение последних 1000 лет. По Ершов Ю.И. (2004)

Еще одним компонентом углеродного цикла является метан, содержание которого в атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). Основные места образования метана — это сильно увлажненные территории, залежи углеводородов, включая газогидраты.

Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Однако некоторые современные оценки поступления метана от дегазации недр, основанные на анализе содержания различных изотопов углерода, входящего в состав метана, дают уже весьма значимые цифры около 0,2 Гт в год, и даже более.

Поток метана в атмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана. Метангидраты – это фактически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действия вандерваальсовских сил присутствуют еще молекулы метана (химическое взаимодействие отсутствует). Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии и подвергается опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядка одного-нескольких градусов).

Кроме того, метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов.

Судя по анализу пузырьков воздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тысяч лет демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа (СО₂) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же как механизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа — только на четверть. В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнее десятилетие ХХ века он, по не очень понятным причинам, резко замедлился. Основная причина межгодовых различий в поступлении метана — это изменение состояния болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильная жара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.

 

 

 

 

4.2 Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды

В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х10² Гт углерода. Небольшим содержание СО₂ в атмосфере было далеко не всегда – так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре.

Благодаря выделению радиогенного тепла, которое было в архее мощнее нынешнего (а также тепла из других источников), и низкой теплопроводности пород, что позволяло накапливаться тепловой энергии, постепенно разогревались недра, и около 4 млрд. лет назад началось частичное плавление пород в них. Начала происходить сильная дегазация пород и формирование мощной атмосферы, состоящей из азота, углекислого газа, паров воды, метана, водорода, аммиака и других газов. Эта атмосфера обладала уже очень мощным парниковым эффектом, однако, к счастью, получилось так, что он был все же недостаточным, чтобы оказаться необратимым.

Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х10⁷ Гт углерода). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых.

Более прохладный климат протерозоя по сравнению с архейским, вероятно, обуславливался значительно меньшим содержанием углекислого газа в атмосфере на протяжении этого времени. В протерозое еще практически отсутствовала кислородная атмосфера и не работали процессы окисления углерода, возвращающие обратно в атмосферу углекислый газ, поглощенный биотой. Его содержание в атмосфере определялось балансом как поступления в атмосферу благодаря вулканической деятельности, так и вывода из атмосферы процессами продолжающейся гидратации силикатов (хотя и вновь сильно замедлившимися к середине протерозоя, после формирования серпентинитового слоя), и процессами захоронения органики в бескислородных условиях.