碳酸盐-硅酸盐循环

碳酸盐-硅酸盐（），又称无机碳循环（），描述了硅酸盐岩石通过风化和沉积作用转化为碳酸盐岩石，以及碳酸盐岩石通过变质作用和火山活动重新转变为硅酸盐岩石的长期过程。Urey, H. C. (1952). The planets: their origin and development. Mrs. Hepsa Ely Silliman Memorial Lectures.在风化矿物埋藏期间，二氧化碳从大气中被移除，又通过火山活动返回大气。在百万年时间尺度上，碳酸盐-硅酸盐循环是控制地球气候的关键因素，因为它调节着二氧化碳含量，进而影响全球温度。

风化速率受到改变陆地裸露程度因素的影响，包括海平面、地形地貌、岩性特征以及植被变化。此外，这些地貌与化学变化过程与太阳辐射强迫（无论是源于轨道变化还是恒星演化）共同作用，决定了。同时，碳酸盐-硅酸盐循环也被视为解释“太阳黯淡佯谬”的可能机制之一。
循环概述
在漫长地质时间尺度上，碳酸盐-硅酸盐循环是调节二氧化碳浓度的主导机制。该循环可视为碳循环的核心分支，与之并行的则通过光合作用等生物过程，将二氧化碳与水转化为有机物和氧气。
物理与化学过程

无机循环始于雨水与气态二氧化碳生成碳酸（H2CO3）的过程。这一机制使正常雨水的pH值维持在5.6左右。碳酸虽属弱酸，但在漫长地质年代中足以溶解硅酸盐岩石（以及碳酸盐岩）。地球地壳（及地幔）绝大部分由硅酸盐矿物构成，这些物质在风化作用下逐步分解为溶解态离子。以硅酸钙（CaSiO3）即硅灰石为例，其与二氧化碳和水反应生成钙离子（Ca^2+）、碳酸氢根离子（HCO3^-）及溶解态二氧化硅。该反应式代表了含钙硅酸盐矿物风化的一般模式，具体化学路径如下：
  2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca^2+ + 2HCO3- + SiO2 

河流径流将这些溶解产物携带至海洋，海洋中的钙化生物利用钙离子（Ca^2+）和碳酸氢根离子（HCO3^-）构建其壳体与骨骼，这一过程称为碳酸盐沉淀：
  Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O 

硅酸盐岩石风化过程消耗两分子CO2，而海洋钙化过程仅向大气释放其中一分子。生物壳体与骨骼中的碳酸钙（CaCO3）随海洋生物死亡后沉降，最终沉积于洋底。

该过程的最终阶段涉及海底运动。在俯冲带，碳酸盐沉积物被埋藏并重新压入地幔。部分碳酸盐可能被带入地幔深处，在高温高压条件下与二氧化硅（SiO2）发生变质反应，生成硅酸钙（CaSiO3）和二氧化碳（CO2）。这些二氧化碳通过火山活动、海洋热泉或天然苏打泉（即含有二氧化碳气体的自然泉水）从地球内部释放回大气层：
 CaCO3  +  SiO2 -> CaSiO3  +  CO2 

这一最终步骤将第二个二氧化碳分子返还大气层，至此完成无机碳循环的收支平衡。地球上99.6%的碳（约合108亿吨碳）被长期封存于岩石储库中，且几乎所有碳都曾以碳酸盐形式存在。相比之下，仅有0.002%的碳存在于生物圈中。
反馈
地球表面的变化，例如火山活动的缺失或海平面上升（这会减少暴露于风化作用的陆地面积），都可能改变该循环中各过程的进行速率。在数千万至数亿年的时间尺度上，大气二氧化碳含量会因循环的自然扰动而波动；但更重要的是，该循环在二氧化碳水平与气候变化之间构成了一个关键的负反馈机制。例如，若大气中二氧化碳累积，温室效应将导致地表温度升高，进而加速降雨和硅酸盐风化速率，从而从大气中移除碳。通过这种方式，在漫长地质时间尺度上，碳酸盐-硅酸盐循环对地球气候起着稳定作用，正因如此，它被称为地球的恒温器。
地球历史上的变化

碳酸盐-硅酸盐循环的各个方面在地球历史进程中因生物演化与变化而发生了改变。总体而言，碳酸盐的形成速率一直高于硅酸盐，从而有效地从大气中移除二氧化碳。在前寒武纪-寒武纪界线附近，碳酸盐生物矿化作用的出现使得海洋中风化产物的移除效率得以提高。土壤中的生物过程能显著提升风化速率。植物分泌的有机酸可增强风化作用，这些有机酸由根系、菌根真菌以及微生物对植物的分解过程产生。根系呼吸作用与土壤有机质氧化也会产生二氧化碳，进而转化为碳酸，从而增强风化作用。

构造运动可引发碳酸盐-硅酸盐循环的变化。例如，喜马拉雅山脉和安第斯山脉等主要山系的隆升，被认为因提高了硅酸盐风化速率并导致二氧化碳减少，从而引发了。海底风化与太阳光度及二氧化碳浓度均有关联。然而，这给试图将释气速率和俯冲速率与相关的海底变化速率联系起来的研究者带来了挑战。对于此类问题，难以获得恰当且简单的代理数据。例如，科学家用以推断过去海平面的沉积物岩芯并不理想，因为海平面变化的原因远不止海底调整。近年来的建模研究探讨了海底风化对生命早期演化的作用，研究表明相对较快的洋壳生成速率曾在一定程度上降低大气二氧化碳水平。

对所谓“深时”的观测研究表明，地球的岩石风化反馈相对不敏感，从而导致大幅度的温度波动。古气候记录显示，当大气二氧化碳含量约为现今两倍时，全球温度比现在高出5至6摄氏度。然而，需要指出的是，古气候记录中的全球温度变化也受到其他因素的影响，例如或太阳辐射强迫的变化。

人类活动排放的二氧化碳在极短时间内持续增加。溶解于海水中的过量大气碳会改变碳酸盐-硅酸盐循环的速率。溶解的二氧化碳可能与水反应生成碳酸氢根离子（HCO3^-）和氢离子（H^+）。这些氢离子迅速与碳酸根离子（CO3^2-）反应，生成更多碳酸氢根离子，同时减少可用的碳酸根离子，从而对碳酸盐沉淀过程构成阻碍。换言之，人类排放至大气的过量碳中有30%被海洋吸收。海洋中二氧化碳浓度的升高会推动碳酸盐沉淀过程向相反方向（向左）进行，导致碳酸钙（CaCO3）生成量减少。这一危害壳体生物生存的过程被称为海洋酸化。
其他行星上的循环
不应假定所有类地行星上都存在碳酸盐-硅酸盐循环。首先，该循环要求有水循环的存在。因此，在太阳系宜居带的内边缘，这一循环便会失效。即使某颗行星表面最初存在液态水，若温度过高，也会发生失控温室效应，从而失去地表水。没有必要的雨水，就无法通过风化作用由气态二氧化碳生成碳酸。此外，在宜居带外边缘，二氧化碳可能凝结，从而减弱温室效应并降低地表温度，最终导致大气坍缩至极冠。

火星便是这样一颗行星。它位于太阳系宜居带的边缘，其表面在没有温室效应的情况下过于寒冷，无法形成液态水。由于大气稀薄，火星的平均表面温度仅为。为了解释那些类似河流冲刷的地貌特征——尽管当时接收的太阳辐射似乎不足——一些研究者提出火星可能曾存在类似于地球的碳酸盐-硅酸盐循环，类似于从雪球地球时期的复苏。然而，模拟研究表明，在太阳光度更弱的早期历史中，气态二氧化碳和水作为温室气体无法使火星保持温暖，因为二氧化碳会凝结成云。尽管二氧化碳云的反射特性与地球上的水云不同，但这仍反证了火星在过去不太可能存在显著的碳酸盐-硅酸盐循环。

相比之下，金星位于宜居带内边缘，其平均表面温度高达。在经历水体的光分解和氢逃逸而失去水分后，金星停止从大气中移除二氧化碳，反而开始不断积累二氧化碳，并经历了失控的温室效应。

在潮汐锁定的系外行星上，日下点的位置将主导岩石圈中二氧化碳的释放过程。

参见
生物泵
碳循环
碳酸盐补偿深度

盖亚假说
失控温室效应
历次大冰期
雪球地球
尼奥斯湖
海洋酸化
年轻太阳黯淡佯谬

参考文献

外部链接
 理解长期碳循环：岩石风化——一个至关重要的碳汇  by John Mason, Skeptical Science

Category:地球化學Category:氣候因子