딥 카본 사이클

Deep carbon cycle
심토탄소

깊은 탄소 순환은 지구의 맨틀과 코어를 통과하는 탄소의 지질학적 순환(이동)이다. 그것은 탄소 순환의 일부를 형성하며 지구 표면과 대기에서 탄소의 움직임과 밀접하게 연결되어 있다. 탄소를 깊은 지구로 되돌림으로써 생명이 존재하는데 필요한 지상 조건을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다. 그것이 없다면, 탄소는 대기 중에 축적되어 장기간에 걸쳐 극도로 높은 농도에 도달할 것이다.[1]

깊은 지구는 시추에 접근할 수 없기 때문에, 그 안에 있는 탄소의 역할에 대해 결정적으로 알려진 것은 많지 않다. 그럼에도 불구하고, 심층 지구 조건의 실험실 시뮬레이션에서 나온 많은 증거들은 이 층의 극한 온도와 압력에서 탄소가 차지하는 형태뿐만 아니라, 원소가 하단 맨틀로 내려가기 위한 메커니즘을 나타내었다. 게다가, 지진학 같은 기술들은 지구핵에 탄소가 존재할 가능성에 대한 더 큰 이해를 이끌어냈다. 화산에서 나오는 기저성 마그마의 구성과 이산화탄소의 유동성에 관한 연구는 맨틀의 탄소의 양이 지구 표면의 탄소보다 1,000배 더 크다는 것을 보여준다.[2]

탄소량

다음 시리즈의 일부
탄소 순환
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대기와 해양에는 약 44,000 기가톤의 탄소가 있다. 기가톤은 40만개가 넘는 올림픽 크기의 수영장에 있는 물의 질량과 같은 10억 미터 톤이다.[3] 이 양이 많은 만큼, 지구 탄소의 1%의 극히 일부에 지나지 않는다. 90% 이상이 중심부에 있을 수 있고, 나머지는 대부분 지각과 맨틀에 있을 수 있다.[4]

태양의 광권에서는 탄소가 네 번째로 풍부한 원소다. 지구는 비슷한 비율로 시작했지만, 그 때가 다가옴에 따라 증발하기 위해 많은 것을 잃었을 것이다. 그러나 지구의 지각과 맨틀을 구성하는 규산염은 행성들이 형성되기 전의 태양 성운의 구성을 나타내는 것으로 여겨지는 운석의 한 형태인 CI 콘드라이트보다 5~10배 낮은 탄소 농도를 가지고 있다. 이 탄소의 일부는 결국 핵에 들어갔을지도 모른다. 모델에 따라 탄소는 노심 중량에 따라 0.2~1%의 기여도가 있을 것으로 예측된다. 낮은 농도에서도, 이것은 지구의 탄소의 절반을 차지할 것이다.[5]

상부 맨틀의 탄소 함량 추정치는 중간 산등성이 기저부(MORB)의 화학 측정값에서 나온다. 이것들은 탄소 및 다른 원소의 가스를 제거하기 위해 수정되어야 한다. 지구가 형성된 이후 상부 맨틀은 증발에 의해 탄소의 40~90%를 잃고 철 화합물에서 노심으로 운반된다. 가장 엄격한 추정치는 탄소 함량이 백만분의 30 ppm(ppm)이다. 하단 맨틀은 훨씬 덜 고갈될 것으로 예상된다 – 약 350ppm.[6]

하단 맨틀

탄소는 주로 해양 지각의 지각 판에 탄산이 풍부한 퇴적물의 형태로 맨틀에 들어가는데, 이는 전도 과정을 거치면 탄소를 맨틀 안으로 끌어당긴다. 맨틀의 탄소 순환, 특히 깊은 지구의 탄소 순환에 대해서는 많이 알려져 있지 않지만, 많은 연구들이 원소의 움직임과 해당 지역 내의 형태에 대한 우리의 이해를 증진시키기 위해 시도해왔다. 예를 들어, 2011년 연구는 탄소 순환이 맨틀 아래까지 확장된다는 것을 증명했다. 이 연구는 브라질 주이나의 한 현장에서 희귀하고 초깊이 다이아몬드를 분석하여, 다이아몬드의 일부 포함물의 대량 구성이 낮은 맨틀 온도와 압력 하에서 현무암 용해와 결정화의 예상 결과와 일치한다고 결론지었다.[7] 따라서, 이 조사의 결과는 기저 해양 암석권의 조각들이 탄소를 지구의 깊은 내부로 이동시키는 주요 운송 메커니즘 역할을 한다는 것을 보여준다. 이 보조 탄화수소는 낮은 맨틀 규산염과 금속과 상호작용할 수 있으며, 결국 발견된 것과 같은 초심도의 다이아몬드를 형성한다.[8]

맨틀, 지각 및 표면의 탄소 저장고.[6]
저수지 기가톤 C
표면 위
대륙 지각과 암석권
해양 지각과 암석권
상부 맨틀
하단 맨틀

낮은 맨틀로 내려가는 탄산수들은 다이아몬드 외에 다른 화합물을 형성한다. 2011년, 탄산염은 지구 깊이 1800km의 그것과 유사한 환경의 영향을 받았으며, 낮은 맨틀 안에 있었다. 그렇게 함으로써 마그네사이트, 사이다이트, 그리고 수많은 종류의 흑연이 형성되었다.[9] 다른 실험들 - 애완동물학 관측뿐만 아니라 - 이러한 주장을 뒷받침하는 것은 마그네사이트가 실제로 대부분의 맨틀에서 가장 안정적인 탄산염 단계라는 것을 발견하는 것이다. 이것은 대체로 그것의 높은 녹는 온도의 결과물이다.[10] 결과적으로, 과학자들은 탄산수들이 낮은 산소 도망성 환경에 의해 깊이 안정화되기 전에 맨틀로 내려가면서 감소를 겪는다고 결론지었다. 마그네슘, 철, 그리고 다른 금속 화합물들은 그 과정 내내 완충제 역할을 한다.[11] 흑연과 같은 원소의 감소된 형태의 탄소가 존재한다는 것은 그들이 맨틀로 내려갈 때 탄소 화합물이 감소한다는 것을 나타낼 것이다.

탄소 배출 프로세스[12]

그럼에도 불구하고, 다형성은 지구 내 다른 깊이에서 탄산염의 안정성을 변화시킨다. 예를 들어, 실험실 시뮬레이션과 밀도 기능 이론 계산은 사방으로 조정된 탄산이 노심-망토 경계에 접근하는 깊이에서 가장 안정적이라는 것을 시사한다.[13][9] 2015년 연구에 따르면 맨틀 하단의 고압으로 인해 탄소 결합이 sp에서2 sp3 혼성 궤도로 전환되어 탄소 사면 결합이 산소로 이행되는 것으로 나타났다.[14] CO3 삼각형 그룹은 중합성 네트워크를 형성할 수 없는 반면, 사면 CO는4 탄소의 조정 번호의 증가를 의미하며, 따라서 하단 맨틀에서 탄산염 화합물의 성질이 급격하게 변화한다. 예를 들어, 예비 이론 연구는 고압으로 인해 탄산염 용해 점도가 증가한다는 것을 시사한다; 설명되는 특성 변화로 인해 용해된 유동성이 낮아지는 것은 맨틀 깊숙한 곳에 탄소가 많이 축적된다는 증거다.[15]

따라서 탄소는 낮은 맨틀에 장기간 머물 수 있지만, 많은 양의 탄소는 종종 암석권으로 되돌아가는 길을 발견한다. 탄소 배출이라고 불리는 이 과정은 감압 녹는 탄산 맨틀과 지각 쪽으로 탄소 화합물을 운반하는 맨틀 플럼의 결과물이다.[16] 탄소는 화산지대를 향해 상승하면서 산화되는데, 그 후 이산화탄소로2 방출된다. 이러한 현상은 탄소 원자가 그러한 지역에서 분출하는 기저핵의 산화 상태와 일치하도록 발생한다.[17]

코어

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바이오게화학주기
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록 사이클
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관련 항목
연구단체

비록 지구핵에 탄소가 존재한다는 것이 잘 제한되어 있지만, 최근의 연구는 많은 양의 탄소가 이 지역에 저장될 수 있다는 것을 암시한다. 내부 중심부를 통과하는 전단파(S)는 대부분의 철분이 풍부한 합금에 예상되는 속도의 약 50%로 이동한다.[18] 코어의 구성을 고려할 때 니켈 함량이 적은 결정 철의 합금이라고 널리 믿어지고 있는데, 이 지진학적 이상 현상은 이 지역 내에 다른 물질이 존재함을 가리킨다. 한 이론은 그러한 현상이 중심부에 있는 탄소를 포함한 다양한 빛 원소의 결과라고 가정한다.[18] 사실, 연구들은 다이아몬드 앤빌 세포를 사용하여 지구의 핵에 있는 조건들을 복제했는데, 그 결과는 철 카바이드(FeC73)가 온도와 압력 프로파일을 고려할 때 내부 핵의 음속과 밀도 속도에 일치한다는 것을 보여준다. 따라서, 철 카바이드 모델은 핵이 지구 탄소의 67%를 보유하고 있다는 증거로 작용할 수 있다.[19] 게다가, 또 다른 연구는 탄소가 철에 용해되어 동일한 FeC73 성분으로 안정된 국면을 형성했다는 것을 발견했는데, 이는 이전에 언급했던 것과 다른 구조로 인한 것이 아니다.[20] 따라서 지구핵에 잠재적으로 저장될 수 있는 탄소의 양은 알려져 있지 않지만, 최근의 연구는 철탄화물의 존재가 지구물리학적 관측과 일치할 수 있다는 것을 보여준다.

  • 맨틀을 통해 탄소 화합물을 운반하는 해양 플레이트의 이동

  • 지구 내 탄소 함량의 두 가지 모델

  • 전단파 속도의 분석은 중심부에서 탄소의 존재에 대한 지식의 발달에 필수적인 역할을 했다.

  • 산소에 사차 접합된 탄소 다이어그램

플럭스

지구의 외생성 및 내생성 시스템에 대한 탄소의 주요 유동성
값은 2억년 전 이후 최대와 최소의 유속을 제공한다. 강조된 두 가지 주요 경계는
모호로비치 불연속성(크러스트-망틀 경계, Moho) 및 암석권-아스테르헨스피어 경계(LAB).[21]

참고 항목

참조

  1. ^ "The Deep Carbon Cycle and our Habitable Planet". Deep Carbon Observatory. 3 December 2015. Retrieved 2019-02-19.
  2. ^ Wilson, Mark (2003). "Where do Carbon Atoms Reside within Earth's Mantle?". Physics Today. 56 (10): 21–22. Bibcode:2003PhT....56j..21W. doi:10.1063/1.1628990.
  3. ^ Collins, Terry; Pratt, Katie (1 October 2019). "Scientists Quantify Global Volcanic CO2 Venting; Estimate Total Carbon on Earth". Deep Carbon Observatory. Retrieved 17 December 2019.
  4. ^ Suarez, Celina A.; Edmonds, Marie; Jones, Adrian P. (1 October 2019). "Earth Catastrophes and their Impact on the Carbon Cycle". Elements. 15 (5): 301–306. doi:10.2138/gselements.15.5.301.
  5. ^ Li, Jie; Mokkherjee, Mainak; Morard, Guillaume (2019). "Carbon versus Other Light Elements in Earth's Core". In Orcutt, Beth N.; Daniel, Isabelle; Dasgupta, Rajdeep (eds.). Deep carbon : past to present. Cambridge University Press. pp. 40–65. doi:10.1017/9781108677950.011. ISBN 9781108677950.
  6. ^ a b Lee, C-T. A.; Jiang, H.; Dasgupta, R.; Torres, M. (2019). "A Framework for Understanding Whole-Earth Carbon Cycling". In Orcutt, Beth N.; Daniel, Isabelle; Dasgupta, Rajdeep (eds.). Deep carbon : past to present. Cambridge University Press. pp. 313–357. doi:10.1017/9781108677950.011. ISBN 9781108677950.
  7. ^ American Association for the Advancement of Science (15 September 2011). "Carbon cycle reaches Earth's lower mantle: Evidence of carbon cycle found in 'superdeep' diamonds From Brazil" (Press release). ScienceDaily. Retrieved 2019-02-06.
  8. ^ Stagno, V.; Frost, D. J.; McCammon, C. A.; Mohseni, H.; Fei, Y. (5 February 2015). "The oxygen fugacity at which graphite or diamond forms from carbonate-bearing melts in eclogitic rocks". Contributions to Mineralogy and Petrology. 169 (2): 16. Bibcode:2015CoMP..169...16S. doi:10.1007/s00410-015-1111-1. S2CID 129243867.
  9. ^ a b Fiquet, Guillaume; Guyot, François; Perrillat, Jean-Philippe; Auzende, Anne-Line; Antonangeli, Daniele; Corgne, Alexandre; Gloter, Alexandre; Boulard, Eglantine (2011-03-29). "New host for carbon in the deep Earth". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (13): 5184–5187. Bibcode:2011PNAS..108.5184B. doi:10.1073/pnas.1016934108. PMC 3069163. PMID 21402927.
  10. ^ Dorfman, Susannah M.; Badro, James; Nabiei, Farhang; Prakapenka, Vitali B.; Cantoni, Marco; Gillet, Philippe (2018-05-01). "Carbonate stability in the reduced lower mantle". Earth and Planetary Science Letters. 489: 84–91. Bibcode:2018E&PSL.489...84D. doi:10.1016/j.epsl.2018.02.035. OSTI 1426861.
  11. ^ Kelley, Katherine A.; Cottrell, Elizabeth (2013-06-14). "Redox Heterogeneity in Mid-Ocean Ridge Basalts as a Function of Mantle Source". Science. 340 (6138): 1314–1317. Bibcode:2013Sci...340.1314C. doi:10.1126/science.1233299. PMID 23641060. S2CID 39125834.
  12. ^ Dasgupta, Rajdeep (December 10, 2011). The Influence of Magma Ocean Processes on the Present-day Inventory of Deep Earth Carbon. Post-AGU 2011 CIDER Workshop. Archived from the original on 24 April 2016. Retrieved 20 March 2019.
  13. ^ Litasov, Konstantin D.; Shatskiy, Anton (2018). "Carbon-Bearing Magmas in the Earth's Deep Interior". Magmas Under Pressure. pp. 43–82. doi:10.1016/B978-0-12-811301-1.00002-2. ISBN 978-0-12-811301-1.
  14. ^ Mao, Wendy L.; Liu, Zhenxian; Galli, Giulia; Pan, Ding; Boulard, Eglantine (2015-02-18). "Tetrahedrally coordinated carbonates in Earth's lower mantle". Nature Communications. 6: 6311. arXiv:1503.03538. Bibcode:2015NatCo...6.6311B. doi:10.1038/ncomms7311. PMID 25692448. S2CID 205335268.
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  16. ^ Dasgupta, Rajdeep; Hirschmann, Marc M. (2010-09-15). "The deep carbon cycle and melting in Earth's interior". Earth and Planetary Science Letters. 298 (1): 1–13. Bibcode:2010E&PSL.298....1D. doi:10.1016/j.epsl.2010.06.039.
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  18. ^ a b "Does Earth's Core Host a Deep Carbon Reservoir?". Deep Carbon Observatory. 14 April 2015. Retrieved 2019-03-09.
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  20. ^ Hanfland, M.; Chumakov, A.; Rüffer, R.; Prakapenka, V.; Dubrovinskaia, N.; Cerantola, V.; Sinmyo, R.; Miyajima, N.; Nakajima, Y. (March 2015). "High Poisson's ratio of Earth's inner core explained by carbon alloying". Nature Geoscience. 8 (3): 220–223. Bibcode:2015NatGe...8..220P. doi:10.1038/ngeo2370.
  21. ^ Wong, Kevin; Mason, Emily; Brune, Sascha; East, Madison; Edmonds, Marie; Zahirovic, Sabin (2019). "Deep Carbon Cycling over the Past 200 Million Years: A Review of Fluxes in Different Tectonic Settings". Frontiers in Earth Science. 7: 263. Bibcode:2019FrEaS...7..263W. doi:10.3389/feart.2019.00263. S2CID 204027259.

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