دورة الكربون العميقة

دورة الكربون العميقة (أو دورة الكربون البطيئة ) هي دورة جيولوجية كيميائية (حركة) للكربون عبر غلاف الأرض ونواتها . وهي جزء من دورة الكربون ، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بحركة الكربون في سطح الأرض وغلافها الجوي. من خلال إعادة الكربون إلى أعماق الأرض، تلعب هذه الدورة دورًا حاسمًا في الحفاظ على الظروف الأرضية اللازمة لوجود الحياة. فبدونها، سيتراكم الكربون في الغلاف الجوي، ليصل إلى تركيزات عالية للغاية على مدى فترات زمنية طويلة. ^{[ 1 ]}

نظرًا لصعوبة الوصول إلى أعماق الأرض عن طريق الحفر، لا يُعرف الكثير بشكل قاطع عن دور الكربون فيها. ومع ذلك، فقد أشارت عدة أدلة -معظمها مستقى من محاكاة مخبرية لظروف أعماق الأرض- إلى آليات انتقال هذا العنصر إلى الوشاح السفلي، بالإضافة إلى الأشكال التي يتخذها الكربون في درجات الحرارة والضغوط القصوى لهذه الطبقة. علاوة على ذلك، أدت تقنيات مثل علم الزلازل إلى فهم أعمق لاحتمالية وجود الكربون في لب الأرض. وتُظهر دراسات تكوين الصهارة البازلتية وتدفق ثاني أكسيد الكربون من البراكين أن كمية الكربون في الوشاح أكبر من تلك الموجودة على سطح الأرض بألف ضعف. ^{[ 2 ]}

يوجد حوالي 44,000 جيجا طن من الكربون في الغلاف الجوي والمحيطات. الجيجا طن يساوي مليار طن متري ، أي ما يعادل كتلة الماء في أكثر من 400,000 حوض سباحة أولمبي. ^{[ 3 ]} على الرغم من ضخامة هذه الكمية، إلا أنها لا تمثل سوى جزء ضئيل من واحد بالمئة من إجمالي الكربون الموجود على الأرض. قد يتواجد أكثر من 90% منه في لب الأرض، بينما يتواجد معظم الباقي في القشرة والوشاح. ^{[ 4 ]}

يُعدّ الكربون رابع أكثر العناصر وفرةً في الغلاف الضوئي للشمس . من المرجح أن الأرض بدأت بنسبة مماثلة، لكنها فقدت الكثير منه بسبب التبخر أثناء تراكمها . مع ذلك، حتى مع الأخذ في الاعتبار التبخر، فإن تركيز الكربون في السيليكات المكونة لقشرة الأرض ووشاحها أقل بخمس إلى عشر مرات من تركيزه في النيازك الكوندريتية من النوع CI ، وهي نوع من النيازك يُعتقد أنها تمثل تركيب السديم الشمسي قبل تشكل الكواكب . ربما استقر بعض هذا الكربون في اللب. وبحسب النموذج، يُتوقع أن يُساهم الكربون بنسبة تتراوح بين 0.2 و1 بالمئة من وزن اللب. حتى مع هذا التركيز المنخفض، فإن هذا يُمثل نصف كربون الأرض. ^{[ 5 ]}

تُستمد تقديرات محتوى الكربون في الوشاح العلوي من قياسات التركيب الكيميائي لبازلتات قاع المحيط (MORBs). ويجب تصحيح هذه التقديرات لمراعاة انبعاث الكربون والعناصر الأخرى. منذ نشأة الأرض، فقد الوشاح العلوي ما بين 40 و90% من كربونه عن طريق التبخر والانتقال إلى اللب على شكل مركبات حديدية. ويُشير أدق تقدير إلى محتوى كربوني يبلغ 30 جزءًا في المليون (ppm). أما الوشاح السفلي، فيُتوقع أن يكون أقل استنزافًا بكثير، حيث يبلغ حوالي 350 جزءًا في المليون. ^{[ 6 ]}

يدخل الكربون بشكل رئيسي إلى الوشاح على هيئة رواسب غنية بالكربونات على الصفائح التكتونية للقشرة المحيطية، والتي تسحب الكربون إلى الوشاح عند انغماسها . لا يُعرف الكثير عن دورة الكربون في الوشاح، وخاصة في أعماق الأرض، لكن العديد من الدراسات سعت إلى تعزيز فهمنا لحركة هذا العنصر وأشكاله داخل هذه المنطقة. على سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت عام 2011 أن دورة الكربون تمتد حتى الوشاح السفلي. حللت الدراسة ماسًا نادرًا فائق العمق في موقع بمدينة جوينا في البرازيل ، وخلصت إلى أن التركيب الكيميائي لبعض شوائب الماس يتطابق مع النتيجة المتوقعة لانصهار البازلت وتبلوره تحت درجات حرارة وضغوط الوشاح السفلي. ^{[ 7 ]} وبالتالي، تشير نتائج البحث إلى أن قطعًا من الغلاف الصخري المحيطي البازلتي تعمل كآلية النقل الرئيسية للكربون إلى باطن الأرض. يمكن لهذه الكربونات المنغمسة أن تتفاعل مع سيليكات ومعادن الوشاح السفلي، لتشكل في النهاية ماسًا فائق العمق مثل الماس الذي عُثر عليه. ^{[ 8 ]}

خزانات الكربون في الوشاح والقشرة والسطح. ^{[ 6 ]}

خزان	جيجا طن ج
فوق السطح	${\displaystyle (43-45)\times 10^{3}}$
القشرة القارية والغلاف الصخري	${\displaystyle (0.9-3.1)\times 10^{8}}$
القشرة المحيطية والغلاف الصخري	${\displaystyle 1.4\times 10^{8}}$
الوشاح العلوي	${\displaystyle <3.2\times 10^{7}}$
الوشاح السفلي	${\displaystyle <1.0\times 10^{9}}$

تُشكّل الكربونات الهابطة إلى الوشاح السفلي مركبات أخرى إلى جانب الماس. في عام 2011، عُرِّضت الكربونات لبيئة مشابهة لتلك الموجودة على عمق 1800 كيلومتر  داخل باطن الأرض، في الوشاح السفلي. وقد أسفر ذلك عن تكوين المغنيزيت والسيديريت وأنواع عديدة من الجرافيت . ^{[ 9 ]} وتدعم تجارب أخرى، بالإضافة إلى الملاحظات البترولوجية ، هذا الادعاء، إذ وجدت أن المغنيزيت هو في الواقع أكثر أطوار الكربونات استقرارًا في معظم الوشاح. ويعود ذلك إلى حد كبير إلى ارتفاع درجة انصهاره. ^{[ 10 ]} ونتيجة لذلك، استنتج العلماء أن الكربونات تخضع للاختزال أثناء هبوطها إلى الوشاح قبل أن تستقر في الأعماق بفعل بيئات منخفضة الأكسجين . ويعمل المغنيسيوم والحديد ومركبات معدنية أخرى كعوامل مُخفِّفة طوال هذه العملية. ^{[ 11 ]} ويشير وجود أشكال مُختزلة من الكربون، مثل الجرافيت، إلى أن مركبات الكربون تُختزل أثناء هبوطها إلى الوشاح.

مع ذلك، يُغير التعدد الشكلي استقرار مركبات الكربونات على أعماق مختلفة داخل الأرض. فعلى سبيل المثال، تشير المحاكاة المختبرية وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية إلى أن الكربونات ذات التنسيق الرباعي تكون أكثر استقرارًا على أعماق تقترب من حدود اللب والوشاح . ^{[ 13 ] [ 9 ]} وتشير دراسة أجريت عام 2015 إلى أن الضغوط العالية في الوشاح السفلي تتسبب في انتقال روابط الكربون من مدارات مهجنة _sp2 إلى sp3 _، مما يؤدي إلى ارتباط الكربون بالأكسجين بروابط رباعية السطوح. ^{[ 14 ]} لا تستطيع مجموعات CO3 _{الثلاثية} تكوين شبكات قابلة للبلمرة، بينما تستطيع مجموعات CO4 رباعية السطوح ذلك _، مما يدل على زيادة في عدد تنسيق الكربون ، وبالتالي تغييرات جذرية في خصائص مركبات الكربونات في الوشاح السفلي. فعلى سبيل المثال، تشير الدراسات النظرية الأولية إلى أن الضغوط العالية تتسبب في زيادة لزوجة مصهور الكربونات؛ ويُعد انخفاض حركة المصهورات نتيجة لتغيرات الخصائص الموصوفة دليلًا على وجود رواسب كبيرة من الكربون في أعماق الوشاح. ^{[ 15 ]}

وبناءً على ذلك، يمكن للكربون أن يبقى في الوشاح السفلي لفترات طويلة، لكن تركيزات كبيرة منه غالباً ما تعود إلى الغلاف الصخري. تُعرف هذه العملية باسم انبعاث الكربون، وهي ناتجة عن انصهار الوشاح الكربوني نتيجة انخفاض الضغط، بالإضافة إلى أعمدة الوشاح التي تحمل مركبات الكربون إلى أعلى باتجاه القشرة الأرضية. ^{[ 16 ]} يتأكسد الكربون أثناء صعوده نحو البؤر البركانية الساخنة، حيث يُطلق على شكل ثاني أكسيد الكربون (CO2) _. يحدث هذا لكي تتطابق حالة أكسدة ذرة الكربون مع حالة أكسدة البازلت المتفجر في هذه المناطق. ^{[ 17 ]}

على الرغم من أن وجود الكربون في لب الأرض مؤكدٌ جيدًا، تشير دراسات حديثة إلى إمكانية تخزين كميات كبيرة منه في هذه المنطقة. تنتقل موجات القص (S) عبر اللب الداخلي بسرعة تقارب نصف السرعة المتوقعة لمعظم السبائك الغنية بالحديد. ^{[ 18 ]} ونظرًا للاعتقاد السائد بأن تركيب اللب عبارة عن سبيكة من الحديد البلوري مع كمية ضئيلة من النيكل، فإن هذا الشذوذ الزلزالي يشير إلى وجود مادة أخرى داخل هذه المنطقة. تفترض إحدى النظريات أن هذه الظاهرة ناتجة عن وجود عناصر خفيفة مختلفة، بما في ذلك الكربون، في اللب. ^{[ 18 ]} في الواقع، استخدمت دراسات خلايا سندان الماس لمحاكاة الظروف في لب الأرض، وتشير نتائجها إلى أن كربيد الحديد (Fe7C3 ₎ يتطابق مع سرعات الصوت والكثافة في اللب الداخلي _، مع الأخذ في الاعتبار درجة الحرارة والضغط. وبالتالي، يمكن اعتبار نموذج كربيد الحديد دليلًا على أن اللب يحتوي على ما يصل إلى 67% من كربون الأرض. ^{[ 19 ]} علاوة على ذلك، وجدت دراسة أخرى أن الكربون يذوب في الحديد ويُشكّل طورًا مستقرًا بنفس _{تركيبة Fe7C3} ، وإن كان ببنية مختلفة عن تلك المذكورة سابقًا. ^{[ 20 ]} لذا، على الرغم من أن كمية الكربون المُحتمل تخزينها في لب الأرض غير معروفة، تشير الأبحاث الحديثة إلى أن وجود كربيدات الحديد قد يتوافق مع الملاحظات الجيوفيزيائية.

• 
  حركة الصفائح المحيطية - التي تحمل مركبات الكربون - عبر الوشاح
• 
  نموذجان لمحتوى الكربون في الأرض

• 
  لعب تحليل سرعات موجات القص دورًا أساسيًا في تطوير المعرفة حول وجود الكربون في اللب
• 
  رسم تخطيطي للكربون المرتبط بالأكسجين بروابط رباعية الأوجه

• مرصد الكربون العميق
• الكيمياء الجيولوجية للكربون