Геохимические циклы: круговороты воды, натрия и углерода

Геохимические циклы представляют собой процессы переноса, круговорота и трансформации химических элементов между основными резервуарами Земли: атмосферой, литосферой, гидросферой и биосферой. Данные циклы протекают в различных временных рамках и поддерживают замкнутый круговорот вещества в пределах единой системы планеты. Ключевым принципом выступает материальный баланс: каждый химический элемент сохраняет неизменным своё общее количество, но перемещается между геосферами посредством последовательных реакций и физических процессов. Классическим примером служит круговорот горных пород, когда расплавленная магма поднимается из глубин, кристаллизуется в магматическую породу, затем разрушается до осадочных пород, погребается, превращается в метаморфическую породу и в итоге переплавляется обратно в магму.

Все геохимические циклы характеризуются определённым временем завершения. Самый продолжительный цикл связан с выносом материала из мантии в зонах срединно-океанических хребтов, формированием океанической коры, её погружением в зонах субдукции и возвращением в глубокие слои мантии. Полный оборот такого цикла, по оценкам, занимает от нескольких сотен миллионов до 4,5 миллиардов лет. Материальный баланс химических элементов усложняется за счёт обмена между геологическими, биологическими, атмосферными и гидросферными системами. Эти циклы служат индикаторами прошлых условий: конфигурации континентов, высоты суши над уровнем моря, распределения растительности, вулканической активности, климата и биологической продуктивности. Принято делить геохимические циклы на два типа: экзогенные (происходящие вблизи поверхности Земли) и эндогенные (протекающие в глубоких недрах).

Круговорот воды. Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл) является основной движущей силой для многих других геохимических циклов. Он описывает все процессы в гидросфере — динамической массе жидкости, непрерывно перемещающейся между сушей, океанами и атмосферой. Гидросфера включает воду океанов, озёр, рек, ледников, атмосферы и подземных горизонтов, причём подавляющая её часть сосредоточена в океанах. Цикл обусловлен солнечным теплом, стимулирующим испарение и транспирацию, и охватывает как долгосрочные, так и краткосрочные изменения. Вода выступает одновременно транспортным средством для других химических компонентов и реагентом, выщелачивающим элементы из континентальных пород и почв с последующим переносом в океан.

Можно представить, что круговорот воды начинается в океане, где солнечная энергия вызывает испарение поверхностных вод, поглощая тепло и передавая его в атмосферу. Ежегодно из океана испаряется около 102 кубических миль (425 км³) воды, оставляя после себя соли. Водяной пар конденсируется в облаках и выпадает в виде осадков: примерно 92 кубических мили (383 км³) возвращаются непосредственно в океан, а 26 кубических миль (108 км³) выпадают на континенты, превращая солёную океанскую воду в пресную. Почти три четверти континентальных осадков (17 кубических миль или 71 км³ в год) испаряются обратно или усваиваются растениями. Оставшиеся 10 кубических миль (42 км³) в год становятся стоком: часть сливается в реки и возвращается в океан, а другая просачивается в грунт (инфильтрация), пополняя запасы подземных вод. В настоящее время человечество забирает примерно половину пресной поверхностной воды для питья, сельского хозяйства и промышленности, что существенно влияет на естественный гидрологический цикл.

Вода в атмосфере является основным парниковым газом, регулирующим глобальную температуру и климат. Изменения содержания атмосферной воды способны влиять на скорость эрозии химических элементов на суше, интенсивность испарения с океана и баланс между многими другими геохимическими циклами.

Круговорот натрия. Круговорот натрия — один из важнейших геохимических циклов. Натрий входит в состав горных пород земной коры, донных отложений и океанской воды, перемещаясь между этими резервуарами в течение длительного геологического времени. Дождевая вода растворяет натрий из коренных пород (например, гранита), а ручьи и реки переносят его в виде раствора в море. Натрий (Na) и хлор (Cl) — два наиболее распространённых растворённых элемента в океанской воде; при испарении они соединяются, образуя минерал галит (NaCl). Этот процесс непрерывно происходит в зонах интенсивного испарения вдоль морских побережий. В геологическом прошлом крупные океанические бассейны (Средиземное море, Красное море, молодой Атлантический океан) полностью испарялись, оставляя мощные толщи соляных отложений. Речные воды размывают часть этих отложений и уносят соли обратно в море, замыкая один из циклов.

Когда соляные отложения оседают на морское дно, соль может смешиваться с океаническими илами; затем натрий удаляется из солей и переходит в глинистые минералы. Восполнение запасов натрия в океане за счёт речного стока с континентов занимает, по оценкам, от 65 до 100 миллионов лет. Если концентрация натрия (или другого элемента) в резервуаре (например, в океанических бассейнах) остаётся постоянной во времени, то существует баланс между поступлением и выведением. Время, необходимое для полного обновления массы элемента в резервуаре, называется временем пребывания; оно рассчитывается делением массы элемента на скорость его поступления. Натрий в осадочных отложениях морского дна может вступать в реакцию с базальтом океанической коры, образуя прожилки и замещая другие элементы. В конечном счёте эти базальты и натрийсодержащие отложения погружаются в мантию, где частично переплавляются, формируя магматические породы, богатые натрием. После подъёма на поверхность такие породы вновь размываются реками, вымывая натрий обратно в океан. Другие атомы натрия уходят глубже в мантию, что соответствует самому длительному времени пребывания в натриевом цикле.

Углеродный цикл. Углеродный цикл объединяет геологические, биологические, океанические и атмосферные системы, храня информацию о многих процессах в истории Земли. В раннем архее летучие вещества, включая воду и углекислый газ, были удалены из глубоких недр планеты, чему способствовали также удары комет и метеоритов. Ранняя атмосфера была богата углекислым газом (СО₂). Начиная с архейского периода, этот СО₂ постепенно удалялся в результате осаждения известняков (по составу близких к CaCO₃) и фотосинтеза, который преобразует СО₂ (наряду с азотом, фосфором и серой) в органическое вещество с выделением свободного кислорода. Развитие жизни способствовало образованию известняков и других карбонатов, поскольку многие организмы выделяют карбонат кальция для построения раковин и скелетных тканей. Неорганические процессы также вели к накоплению известняков.

В течение длительных геологических периодов углекислый газ возвращается в атмосферу при разложении известняков, погружающихся в глубокие недра Земли, где из магм высвобождается СО₂, который затем поднимается на поверхность с вулканическими газами. Тектоника плит и суперконтинентальный цикл играют важную роль в круговороте углерода между атмосферой и горными породами. При столкновении континентов и образовании суперконтинента пассивные окраины с мощными толщами известняков поднимаются над уровнем моря. Тектоническое поднятие подвергает карбонатные породы воздействию атмосферы, где карбонат кальция (CaCO₃) взаимодействует с атмосферным СО₂, осаждая его в океанах. Таким образом, столкновения континентов и формирование суперконтинентов связаны с уменьшением содержания СО₂ в атмосфере, что приводит к глобальному похолоданию и изменению уровня моря.

Масса углерода, заключённого в известняках и органических веществах Земли, огромна — примерно в 2000 раз больше, чем весь углерод, содержащийся в настоящее время в атмосфере и океанах вместе взятых. Живые растения содержат примерно столько же углерода, сколько и атмосфера. Поэтому деятельность человека, например вырубка лесов, изменяющая баланс растительного покрова планеты, способна существенно нарушить равновесие между атмосферным и биологическим резервуарами органического углерода, увеличивая концентрацию СО₂ в атмосфере и меняя глобальный климат. Живые растения удаляют СО₂ из атмосферы и выделяют одну молекулу кислорода на каждую молекулу углекислого газа, использованную для синтеза органических веществ. После отмирания растений большая часть органического вещества окисляется и превращается в СО₂, но некоторая его доля избегает окисления и накапливается в органических отложениях, формируя ещё один резервуар углерода.

Между круговоротом углерода и круговоротом кислорода существует хрупкое равновесие: количество выделяемого кислорода (судя по массе современного резервуара органического углерода) в 30 раз превышает текущий уровень содержания кислорода в атмосфере. Это демонстрирует глубинную рециркуляцию углерода и кислорода в геологических масштабах времени. Аналогичные взаимосвязи между биологическими, геологическими и атмосферными процессами определяют геохимические циклы азота, фосфора и серы. Растения поглощают эти элементы в определённых пропорциях из различных сред, накапливают их в органических почвах, откуда грунтовые воды могут выщелачивать их в гидрологическую систему, переносить в океан, где они становятся строительными блоками для новой жизни.

Дополнительная информация:
Бернер, Элизабет Кей и Роберт Бернер. Глобальная окружающая среда: вода, воздух и геохимические циклы. Аппер-Седл-Ривер, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 1994.
Брэнтли, Сьюзан, Джеймс Д. Кубицки и Арт Уайт. Кинетика глобальных геохимических циклов. Нью-Йорк: Springer, 2008.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.