Геологический кругооборот углерода
За время существования планеты круговорот углерода менялся. Пузырьки газа в древнейших кварцитах – это следы первичной атмосферы, в которой содержание СО2 достигало 60%. Дегазация мантии приводит к насыщению атмосферы парами воды (до 80% объема) и снижению концентрации СО2. После охлаждения земной поверхности, которое привело к формированию гидросферы, содержание пара уменьшается, а доля СО2 первоначально увеличивается. Позднее она вновь уменьшается, так как СО2 растворяется в воде. В последующие геологические эпохи кругооборот углерода в системе: атмосфера – океан – земная кора, контролируют три цикла: (рис. 11):
А – осадочный, который охватывает выветривание осадочных пород, образование новых осадков и их преобразование в новые осадочные породы;
В – метаморфический, который включает преобразование магматических и осадочных пород, их последующее выветривание и преобразование в новые осадочные породы;
С – магматический, который связан с процессом субдукции океанической коры и появлением новых изверженных пород.
Рис. 11. Упрощенная схема геологического цикла углерода [8 ]
Миграция компонентов: твердых – сплошные, летучих – пунктирные линии.
Основные циклы: А – выветривание; В – метаморфизм; С - субдукция
В истории Земли соотношение осадочных, метаморфических и изверженных пород, вероятно, менялось. На раннем этапе преобладали изверженные породы. Начиная с архея, возрастала доля осадочных пород, разрушавшихся при выветривании, т. е. цикл А постепенно становится основным.
Сток СО2 из атмосферы и гидросферы связан с образованием карбонатов (известняк, мел, доломит) в мелких водоемах, а также захоронением Сорг. Решающую роль играло накопление карбонатов (Скарб). Оно примерно в 7 раз превышало накопление Сорг.
Накопление углерода в осадочных породах и процессы рифтогенеза
Эпохи активизации рифтогенеза сопровождаются, весьма вероятно, выносом больших масс вулканогенных пород и глубинного CO2, а также и повышением уровня Мирового океана. При этом увеличивается площадь мелких морей, и создаются благоприятные условия для накопления карбонатов.
В 50-х годах прошлого века А. Б. Ронов показал, что в течение фанерозоя накопление Сорг изменялось более чем в 3, а Скарб более чем в 2 раза. Повышенное осаждение приурочено к активным фазам вулканических циклов: герцинского с максимумом в ордовик, каледонского, приходящегося на карбон, и альпийского, охватывающего мезозой и кайнозой (рис. 12). Ослаблению вулканической деятельности соответствует уменьшение массы карбонатных осадков и погребенного органического вещества. Количество Сорг в осадочных толщах, по-видимому, соответствует массе организмов, населявших Землю. Следовательно, производительность биосферы, контролировалась процессами рифтогенеза согласно схеме:
рифтогенез→дегазация Земли + увеличение площади морей→рост продуктивности биосферы→накопление Сорг в литосфере.
Рис. 12. Изменение во времени массы углерода [9]
1 – вулканогенные породы; 2 – СО2 в карбонатных породах и карбонатных примесях к другим породам; 3 –органический углерод (Сорг), погребенный в осадочных толщах континентов; - 4 отношение площади внутренних морей к общей площади материков %
Эта закономерность сформулирована А. Б. Роновым так:
Масса карбонатных пород, отлагавшихся в осадочной оболочке Земли, была пропорциональна:
интенсивности вулканической деятельности;
площади внутриконтинентальных морей.
Первая определяла ресурсы карбонатного углерода, а вторая – среду благоприятную для накопления карбонатов.
Закономерность является общей для всех форм углерода, так как изменение масс Сорг, Скарб и эффузивов во времени следуют за циклами тектонических движений. Основываясь на связи между массой органического вещества и рифтогенезом, А. Б. Ронов, пришел к выводу:
«Жизнь на Земле и других планетах возможна до тех пор, пока планеты активны и между их недрами и поверхностью происходит обмен энергией. С энергетической смертью планет прекращается жизнь».