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地球科学原理之27 碳平衡系统对地球的作用

已有 4057 次阅读 2009-4-15 21:56 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 碳酸盐岩, 二氧化碳, 对地球的作用

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

上一回我们讨论了地球去气作用通过增强温室效应,解决了地球继续降温的问题。但同时,它又带来了另一个地表会因CO2等温室气体过多而增温的问题。现在,我们讨论碳系统的平衡,如何解决这个CO2等温室气体过多而引起地球增温的问题。

1 碳系统的平衡原理

假设地球的pH值在pHCO2<pH<pHCO32- (pHCO2为水体中所有的HCO3-H+中和时的pH值;pHCO32-为水体中所有的HCO3-OH-中和时的pH)范围内,则水体的pHCO2系统的缓冲范围内,碳将在地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间,不断地流动。最终,植物的光合作用合成的有机物、大气中的CO2、水体(主要是海洋)里的CO2HCO3-CO32-,和沉积岩里碳酸盐能建立如图1所示的平衡郭锦宝,1997

 

1CO2系统的化学平衡示意图

因为碳酸为二元羧酸,分两级电离,则有郭锦宝,1997

K1=αH+×αHCO3-(T)/αH2co3(T)                                1

K2=αH+×αCO32-(T)/αHco3-(T)                                 2

式中K1 K2为热力学常数。若采用表观电离常数K/则可表示为:

K1/=αH+×CHCO3-(T)/CH2co3(T)                                   3

K2/=αH+×CCO32-(T)/CHco3-(T)                                   4

将(3)、(4)两式取对数得:

pH=pK1/+logCHco3-(T)/CH2co3(T)                                 5

pH=pK2/+logCco32-(T)/CHco3-(T)                                 6

所以,pH值除与温度、压力和盐度有关外,主要与CO2系统各分量的相对比值有关(郭锦宝,1997

pH值与Cco2(T)/Cco32-(T)比值的关系,还可以表示为:

pH=1/2(pK1+pK2-logCco2(T)/Cco32-(T))                            (7)

pH也可以理解为由水体里CO2CO32-浓度的比值决定。

以上的公式,可以解释如下:水体的pH值不影响水体里CO2HCO3-CO32-三者的总量变化;但当总量一定时,它影响三者的浓度比值。当pHCO2<pH< pHHCO3-时(pHHCO2-为水体中所有的CO32-H+中和时的pH值)(王凯雄,2001,水体里几乎没有CO32-pH值主要由5)式控制:pH值越低,CO2的浓度比值越大,HCO3-的浓度比值越小;pH值越高,CO2的浓度比值越小,HCO3-的浓度比值越大。当pHHCO3-<pH< pHCO32-时(pHHCO3-为水体中所有的H2CO3OH-中和时的pH值),水体里几乎没有CO2pH值主要由6)式控制:pH值越低,HCO3-的浓度比值越大,CO32-的浓度比值越小;pH值越高,HCO3-的浓度比值越小,CO32-的浓度比值越大。

假设没有酸性和碱性物质溶入的海洋,pH=7,呈中性。在图1所示的平衡系统中,由于强烈的火山喷发和地震,造成地球强烈的集中排气。大量的CO2排至大气中。

由于大气CO2增加,大气的CO2分压相对海洋增加。在这个分压的作用下,大气中的CO2将溶于海洋中。海洋中的CO2浓度增加,如图1所示的CO2HCO3-之间平衡将打破,CO2和水结合,电离成HCO3-H+。这样,海洋里的HCO3-浓度将增加;大量的H+补充到海洋里,海洋的pH值将下降。

若海洋里有大量的HCO3-库存。当植物强烈地进行光合作用,并将合成的有机物大量沉积到沉积岩里封存起来,大气中的CO2将急剧地减少。大气中的CO2减少,导致大气CO2分压下降,小于水体里的CO2分压,水体中的CO2将被释放入大气中,从而使水体的CO2浓度降低。若进行光合作用的植物是水生植物,它将直接导致水体中CO2的急剧减少。

水体里CO2的减少,浓度下降,打破CO2电离成H++ HCO3-之间的平衡,平衡将向左移动,也就是,H+HCO3-结合,形成CO2。形成1摩尔CO2,将消耗1摩尔H+,大量CO2的形成,将消耗大量的H+。这样,将导致水体的pH值上升。或者简单地说,植物进行光合作用,消耗CO2,将引起水体的pH上升。pH值升高多少,将与水体的酸度(是水接受羟基离子能力的量度,或者说是中和强碱能力的量度)有关(王凯雄,2001。水体的酸度越大,升高得越慢,酸度越小,升高得越快。

pHCO2<pH< pHHCO3-时,光合作用导致大气或水体中的CO2减少,使pH值上升。由于pH值上升,水体里CO2HCO3-的浓度比例将发生变化:CO2的比值下降,HCO3-比值上升。

虽然大量的HCO3-H+结合成CO2,但CO2的光合作用补偿点为0.005~0.01%(不同的植物,补偿点有区别,现大气的CO2浓度为0.035%)(曹宗巽和吴相钰,1979,也就是说,只有当大气CO2的浓度低于0.005~0.01%(体积比)时,绿色植物才不会再利用大气中的CO2进行光合作用。所以,光合作用会使CO2在水体里的分量比值,远小于HCO3-;或者说,通过降低CO2的浓度比值来提高HCO3-的浓度比值。由于光合作用的不断进行,pH将不断升高,直至pH HCO3-<pH

由(7)式可知,pHCO2CO32-浓度比值决定。pH HCO3-<pH< pHCO32-,光合作用导致大气或水体中的CO2减少,会使pH值继续上升。由于pH值上升,HCO3-CO32-的浓度比例将发生变化:HCO3-进一步电离成CO32-HCO3-在水体里浓度比值下降,CO32-浓度比值上升。随着水体CO32-浓度比值的上升,水体CO32-的浓度增大。

因为海水中Ca(或MgCO3的溶度积公式为郭锦宝,1997

Ksp=αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T)                              8

随着pH值的升高,当CO32-的浓度和钙、镁等能形成碳酸盐的阳离子的溶度积大于Ksp时,将造成碳酸盐的沉淀。

随着光合作用的不断进行,大量的HCO3-电离成CO32-,形成碳酸盐沉淀。当HCO3-在碳平衡系统中的分量比值较小,不足以产生大量的CO32-形成沉淀时,pH值又将继续升高,降低HCO3-在碳平衡系统中分量的比值,提高CO32-在碳平衡系统中的分量的比值,以提高CO32-的浓度,以保证碳酸盐能继续沉淀。这时,CO32-的绝对浓度没有变,但CO32-相对HCO3-的浓度比值却在不断增大。

光合作用大量吸收CO2而持续形成的碳酸盐沉淀,是以不断提高pH值,不断提高CO32-浓度相对HCO3-的浓度比例来完成的。若不计用来提高pH值所消耗的那部分CO2,若水体里保证有足够的HCO3-供给,光合作用吸收CO2而造成碳酸盐沉淀,也可以用以下公式表示:

 

简单地理解就是:光合作用消耗1摩尔CO2,形成1摩尔CaCO3MgCO3

若冰川期后,火山喷发和地震等去气作用加强MeGuire, 1992; Zielinski, et. al.1996,大气CO2浓度增高,当pHHCO3-<pH<pHCO32-时,由于pH的下降,CO32-相对HCO3-分量的比值将下降,HCO3-相对CO32-分量的比值将上升。HCO3-浓度的增加,通过CO2电离成HCO3-CO32-H+结合形成HCO3-而共同完成。当CO32-相对其它分量的比值下降,其浓度和海洋里钙、镁等形成碳酸盐的阳离子乘积小于Ksp时,碳酸盐的沉淀停止;并且,已形成的碳酸盐沉淀开始溶解。

若所有能溶的碳酸盐完全溶解仍不能抵消CO2溶解于水造成的pH值下降,海洋水体的pH值将下降,直至最终大气中的CO2浓度、海洋水体里的HCO3-浓度和CO3-浓度之间达到平衡为止。

2 碳平衡系统对地球的作用

由于地球的不断去气作用,大气中的CO2,将不断增多,温室效应也将不断增强。随着地球的不断演化,太阳的光能也越来越强Canuto et. al., 1983,当大气中的CO2等温室气体达到一定程度,产生足够强的温室效应,和增强的太阳光的共同作用,地表的温度就有可能达到或超过水的沸点。这时,海洋里所有的水,将变成水蒸气,海洋将消失。地球就将和金星一样,继续升温达到几百度的高温Phillips, et. al., 2001

所以,为了防止地球的温度不超过水的沸点,就必须把CO2等温室气体的浓度控制在一定的范围内。也就是说,就必须有一个降低CO2等温室气体的机制,来抵消或降低地球去气作用产生的过多的CO2等温室气体

地球的CO2平衡系统,就能完成这个任务。它将大气中大量的CO2通过转化为HCO3-CO32-,最终转化为碳酸钙或碳酸镁等碳酸盐岩,重新埋入地壳。这样,使大气中的CO2浓度不太高,不至于产生水气化点以上的地球表面温度。

所以,我们可以说,碳平衡系统,通过将过多的CO2溶入水体,最后将其转化为碳酸盐岩而埋入地壳,是碳平衡系统对地球的最大贡献。

但是,这也同时带来又一个大问题。每1摩尔CO2溶于水,形成1摩尔HCO3-的同时,也形成1摩尔H+1摩尔HCO3-形成1摩尔CO32-的同时,再形成1摩尔H+。每1摩尔CO2,最后变成1摩尔埋入地壳的碳酸盐,同时产生2摩尔H+。所以 ,要将大量的CO2转化为碳酸盐岩埋入地壳,必然会产生大量的H+。若这大量的H+没有其它的机制处理掉,不仅碳系统将CO2转化为碳酸盐岩的过程将不可能进行,而且会使地球的海洋成为一个pH接近pHCO2(由于碳平衡系统的调节)的海洋。

同时,因为地球地去气作用时,不仅排出大量的CO2,还会排出大量的HClHFH2SSO2等酸性气体Chester, 1993; Wignall, 2001; Sigurdsson, 2000; Tabazadeh and Turco, 1993; 陈福等,1997;陈福,2000; Allard, 1983。这些酸性气体,溶于水形成各种酸根,与金属离子结合,最终转化为卤化盐类或硫酸盐类化合物。每1摩尔HClHF气体,形成1摩尔卤化物盐类(如NaClKCl),将释放出1摩尔H+;每1摩尔H2SSO2气体,最终形成1摩尔硫酸盐(如Na2SO4),将释放2摩尔H+。所以,当这些酸性气体,溶于海洋,最终形成卤化物盐类或硫酸盐类时,也会产生大量的H+。特别是HClHF气体,它们产生H+的能力相当强,即使在pH值接近0时,也还能产生H+。资料显示,火山喷发造成的地球去气作用形成的火山气体冷却后,pH值接近于0(陈福等,1997Krauskopf and Bird, 1995; White and Waring, 1963。因为目前认为,原始大气中的气体,都是由于地球去气作用形成的Ozima and Podosek, 1983; Berner, et. al., 1983,所以,原始海洋形成时,其pH值应很低,接近于0

也就是说,碳平衡系统解决了地球去气作用使大气CO2浓度继续增高的问题,但同时又和地球去气造成的其它酸性气体一道,产生了一个H+增多,使水圈变酸(pH值下降)的问题。若真pH值无限下降,最终接近于0,那生命也肯定不可能生存于地球上,那地球靠什么控制演化过程中的pH值?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之28  硅系统平衡对地球的作用

参考文献:

陈福. 酸性含矿热液的成因及成矿演化模式. 地质地球化学, 2000, 28(1): 48-52

陈福, 王中刚, 朱笑青. 自然界酸性溶液的形成和向成矿溶液演化机理-表生循环水向成矿溶液演变机理之(), 矿物学报, 1997, 17(4): 399-411

曹宗巽,吴相钰. 植物生理学,北京:高等教育出版社.1979. 31-125

郭锦宝. 化学海洋学.厦门:厦门大学出版社. 199780-398

王凯雄. 水化学. 北京:化学工业出版社. 2001. 257-323

Allard P. The origin of hydrogen, carbon, sulphur, nitrogen and rare gases in volcanic exhalations; evidence from isotope geochemistry. In: Tazieff H., Sabroux J. C. ed. Forecasting volcanic events. Amsterdam: Elsevier Sci. Publ. Co., 1983, 1: 337-386

Berner R A et al. The carbonate silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric CO2 over the past 100 million years. American Jour Science, 1983, 283: 641-683

Canuto V. M., Levine J. S., Augustsson T. R., Imhoff C. L., Giampapa M. S. The young Sun and the atmosphere and photochemistry of the early Earth. Nature, 1983, 305: 281-286

Chester D. Volcanic gases and the effects of volcanoes on climate. Chester D. (eds.) Volcanoes and Society. London: Edward Arnold Press, 1993. 158-185

Krauskopf K. B., Bird D. K. ed. Introduction to geochemistry. (3 ed.) New York: McGraw-Hill. 1995. 0-647

MeGuire W J. Changing sea levels and erupting volcanoes: cause and effectGeology Today, 1992, 7:141-144

Ozima M, Podosek F A. Noble gas geochemistry. Cambridge: Cambridge University Press. 1983. 1-36

Phillips R. J., Bullock M. A., Hauck S. A. Climate and interior coupled evolution on Venus. Geophysical Research Letters, 2001, 28: 1779-1782

Sigurdsson H. Evidence for volcanic loading of the atmosphere and climatic response. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoccol, 2000, 89: 277-289

Tabazadeh A, Turco R. Stratospheric chlorine injection by volcanic eruptions: HCl scavenging and implications for ozone. Science, 1993, 260: 1082-1086

White D. E., Waring G. A. Volcanic emanations, Chapter K. Data of geochemistry, 6th edition. U. S. Geological Survey Professional Paper. 1963: K1-K27

Wignall P B. Large igneous provinces and mass extinction. Earth - science Reviews, 2001 53: 1-33

Zielinski G A, Mayewski P A, Meeker L D, et al. A 110,000 yr record of explosive volcanism from the GISP2(Greenland) ice core. Quaternary Research, 1996, 45: 109-118

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 

 

 







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