الكيمياء الجيولوجية للكربون

علم جيوكيمياء الكربون هو دراسة التحولات التي تطرأ على عنصر الكربون داخل أنظمة الأرض. ويُعدّ هذا العلم، إلى حد كبير، فرعًا من فروع الجيوكيمياء العضوية، ولكنه يشمل أيضًا ثاني أكسيد الكربون، وهو عنصر بالغ الأهمية. يتحول الكربون بفعل الكائنات الحية، وينتقل بين مختلف أطوار الأرض، بما في ذلك المسطحات المائية والغلاف الجوي والصخور. يلعب الكربون دورًا هامًا في تكوين رواسب المعادن العضوية، مثل الفحم والبترول والغاز الطبيعي. يدور معظم الكربون عبر الغلاف الجوي إلى الكائنات الحية، ثم يعود إلى الغلاف الجوي بعد عملية التنفس. إلا أن جزءًا هامًا من دورة الكربون يتمثل في احتجاز المواد الحية في الرواسب . يصبح الكربون بعد ذلك جزءًا من الصخور الرسوبية عند حدوث عملية التصلب . يمكن للتكنولوجيا البشرية أو العمليات الطبيعية، مثل التجوية، أو الحياة تحت الأرض أو المياه الجوفية، أن تعيد الكربون من الصخور الرسوبية إلى الغلاف الجوي. ومن ثم، يمكن أن يتحول في دورة الصخور إلى صخور متحولة، أو ينصهر ليتحول إلى صخور نارية. يمكن للكربون أن يعود إلى سطح الأرض عن طريق البراكين أو من خلال عمليات الرفع التكتونية. يعود الكربون إلى الغلاف الجوي عبر الغازات البركانية . ويخضع الكربون لتحول في الوشاح تحت الضغط إلى الماس ومعادن أخرى، كما يوجد في اللب الخارجي للأرض مذابًا مع الحديد، وقد يوجد أيضًا في اللب الداخلي. ^{[ 1 ]}

يستطيع الكربون تكوين مجموعة واسعة من المركبات المستقرة، وهو عنصر أساسي في الكائنات الحية. تستطيع الكائنات الحية العيش في نطاق محدود من الظروف على الأرض، والتي تحددها درجة الحرارة ووجود الماء السائل. كما يمكن تقييم إمكانية سكن الكواكب أو الأقمار الأخرى من خلال وجود الماء السائل. ^{[ 1 ]}

يشكل الكربون 0.08% فقط من مجموع مكونات الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الجوي ، ومع ذلك فهو العنصر الثاني عشر الأكثر شيوعًا فيها. في صخور الغلاف الصخري، يوجد الكربون عادةً على شكل معادن كربوناتية تحتوي على الكالسيوم أو المغنيسيوم. كما يوجد أيضًا في الوقود الأحفوري في الفحم والبترول والغاز. أما أشكال الكربون الطبيعية فهي نادرة جدًا، وتتطلب ضغطًا كبيرًا لتكوّنها. يوجد الكربون النقي على شكل جرافيت أو ماس. ^{[ 1 ]}

يصعب اكتشاف الأجزاء العميقة من الأرض، كالوشاح. لا يُعرف سوى عدد قليل من العينات، على شكل صخور مرتفعة أو شوائب صخرية. ويقلّ عدد العينات التي لا تزال تحتفظ بحالتها الأصلية في ظلّ ضغط ودرجة حرارة أعلى بكثير. تحتفظ بعض الماسات بشوائب محفوظة تحت ضغط تشكّلت فيه، لكن درجة الحرارة على السطح أقل بكثير. قد تمثل النيازك الحديدية عينات من لبّ الكويكب، لكنها تشكّلت في ظروف مختلفة عن ظروف لبّ الأرض. لذا، تُجرى دراسات تجريبية يتم فيها ضغط المعادن أو المواد وتسخينها لتحديد ما يحدث في ظروف مشابهة لظروف باطن الكوكب.

يُعدّ نظيرا الكربون الأكثر شيوعًا مستقرين. على سطح الأرض، يُعتبر الكربون-12 ( ^12C ) الأكثر شيوعًا بنسبة 98.894%. أما الكربون-13 فهو أقل شيوعًا بكثير، حيث يبلغ متوسط ​​نسبته 1.106%. قد تختلف هذه النسبة قليلًا، وتُعدّ قيمتها مهمة في علم الجيوكيمياء النظائرية ، إذ تُشير إلى أصل الكربون. ^{[ 1 ]}

يؤدي العزل البيولوجي للكربون إلى إثراء الكربون-12، مما يجعل المواد المشتقة من الكائنات الحية تحتوي على نسبة أعلى من الكربون-12. وبسبب تأثير النظائر الحركية، تحدث التفاعلات الكيميائية بشكل أسرع مع النظائر الأخف، مما يجعل عملية التمثيل الضوئي تثبت الكربون-12 الأخف أسرع من الكربون-13. كما تنتشر النظائر الأخف عبر الأغشية البيولوجية بشكل أسرع. يُقاس إثراء الكربون-13 بالمعادلة التالية: دلتا ^13C (0/0) = [( ^13C / ^12C )العينة/( ¹³ C/ ^12C )المعيار - 1] × 1000. المعيار الشائع للكربون هو البليمنايت من تكوين بيدي الطباشيري. ^{[ 1 ]}

يمكن أن تتخذ الجزيئات المعقدة، وخاصة تلك التي تحتوي على الكربون، شكل متصاوغات فراغية . في العمليات غير الحيوية، يُتوقع أن تكون احتمالية وجودها متساوية، ولكن هذا ليس هو الحال في النيازك الكربونية. أسباب ذلك غير معروفة. ^{[ 1 ]}

تحتوي الطبقة الخارجية للأرض، أي القشرة الأرضية وطبقاتها الخارجية، على ما يقارب 10 ^{إلى 20} كيلوغراماً من الكربون. وهذا يكفي لتزويد كل متر مربع من سطح الأرض بـ 200 طن من الكربون. ^{[ 2 ]}

يمكن أن يتخذ الكربون المضاف إلى الصخور الرسوبية شكل الكربونات، أو مركبات الكربون العضوية. وبحسب ترتيب كمية المصدر، يأتي الكربون العضوي من العوالق النباتية، ثم النباتات، فالبكتيريا، ثم العوالق الحيوانية. مع ذلك، قد تتكون الرواسب الأرضية في معظمها من نباتات راقية، وقد تتكون بعض الرواسب المائية الفقيرة بالأكسجين في معظمها من البكتيريا. أما الفطريات والحيوانات الأخرى فتساهم بنسبة ضئيلة. ^{[ 3 ]} في المحيطات، يُعد العوالق المساهم الرئيسي في المادة العضوية للرواسب، سواء كانت شظايا ميتة أو كريات برازية تُسمى الثلج البحري. تقوم البكتيريا بتحليل هذه المادة في عمود الماء، وتتناسب كمية المادة المتبقية في قاع المحيط عكسيًا مع العمق. ويصاحب ذلك معادن حيوية تتكون من السيليكات والكربونات. تُشكل المادة العضوية الجزيئية في الرواسب حوالي 20% من الجزيئات المعروفة، و80% من المواد التي لا يمكن تحليلها. تستهلك الكائنات المحللة بعض المواد العضوية المتساقطة. تستهلك البكتيريا والفطريات الهوائية أيضًا المواد العضوية في الأجزاء السطحية المؤكسدة من الرواسب. تصل نسبة الأكسجين في الرواسب الخشنة إلى حوالي نصف متر، بينما قد لا تتجاوز نسبة الأكسجين في الطين الناعم بضعة ملليمترات. تتحول المواد العضوية في المنطقة المؤكسدة إلى معادن بالكامل إذا بقيت هناك لفترة كافية. ^{[ 4 ]}

في أعماق الرواسب حيث ينضب الأكسجين، تستمر العمليات البيولوجية اللاهوائية بوتيرة أبطأ. تشمل هذه العمليات التمعدن اللاهوائي الذي ينتج أيونات الأمونيوم والفوسفات والكبريتيد ؛ والتخمر الذي ينتج كحولات قصيرة السلسلة أو أحماضًا أو ميثيل أمينات؛ وتكوين الأسيتات الذي ينتج حمض الأسيتيك ؛ وتكوين الميثان الذي ينتج غاز الميثان، بالإضافة إلى اختزال الكبريتات والنتريت والنترات. كما ينتج عن هذه العمليات ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. عادةً ما تكون نسبة الكبريتات منخفضة جدًا تحت المياه العذبة، لذا يكون تكوين الميثان أكثر أهمية. مع ذلك، تستطيع أنواع أخرى من البكتيريا تحويل الميثان، مرة أخرى إلى مادة حية، عن طريق الأكسدة مع ركائز أخرى. يمكن للبكتيريا أن تعيش على أعماق كبيرة في الرواسب. ومع ذلك، تتراكم المكونات غير القابلة للهضم في المواد العضوية الرسوبية. ^{[ 4 ]}

قد تكون البكتيريا العميقة من الكائنات الحية التي تتغذى على الصخور ، حيث تستخدم الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون. ^{[ 4 ]}

تحتوي المحيطات والمياه الأخرى على كميات كبيرة من المواد العضوية الذائبة . يبلغ متوسط ​​عمر هذه المواد عدة آلاف من السنين، وتُعرف باسم "المادة الصفراء" ( gelbstoff )، خاصةً في المياه العذبة. يتكون معظمها من التانينات . ويبدو أن المواد المحتوية على النيتروجين هنا هي أميدات، ربما من الببتيدوغليكان الذي تنتجه البكتيريا. تواجه الكائنات الدقيقة صعوبة في استهلاك المواد الذائبة ذات الوزن الجزيئي العالي، لكنها تستهلك الجزيئات الصغيرة بسرعة. ^{[ 4 ]}

يُعد الكربون الأسود الناتج عن التفحم من المصادر الأرضية مكونًا هامًا. وتُعد الفطريات من أهم الكائنات المحللة في التربة. ^{[ 4 ]}

يُعدّ غلاف الأرض خزانًا هامًا للكربون، إذ يحتوي على كمية من الكربون تفوق ما يحتويه القشرة الأرضية والمحيطات والغلاف الحيوي والغلاف الجوي مجتمعة. ويُقدّر هذا الرقم بنحو 10^ ²²  كيلوغرامًا. ^{[ 2 ]} ويتفاوت تركيز الكربون في الغلاف بشكل كبير، حيث يزيد عن 100 ضعف بين أجزائه المختلفة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يعتمد شكل الكربون على حالة أكسدته، والتي بدورها تعتمد على ضغط الأكسجين في البيئة المحيطة. يتواجد ثاني أكسيد الكربون والكربونات في المناطق ذات ضغط الأكسجين المرتفع. أما انخفاض ضغط الأكسجين فيؤدي إلى تكوّن الماس، أولًا في الإكلوجيت ، ثم البيريدوتيت ، وأخيرًا في مخاليط الماء السائل. عند ضغط أكسجين أقل، يكون الميثان مستقرًا عند ملامسته للماء، وعند ضغط أقل ^من ذلك، يتكوّن الحديد والنيكل المعدنيان مع الكربيدات. تشمل كربيدات الحديد _Fe₃C و _Fe₇C₃ . ^[ ₈ ^]

تشمل المعادن التي تحتوي على الكربون الكالسيت وأشكاله المتعددة ذات الكثافة العالية. ومن المعادن الكربونية الهامة الأخرى كربونات المغنيسيوم والحديد. الدولوميت مستقر على  عمق يزيد عن 100 كيلومتر. تحت هذا  العمق، يتفاعل الدولوميت مع الأورثوبيروكسين (الموجود في البيريدوتيت) لإنتاج المغنيسيت (كربونات الحديد والمغنيسيوم). ^{[ 2 ]} تحت عمق 200  كيلومتر، يُختزل ثاني أكسيد الكربون بواسطة الحديدوز (Fe²⁺ ⁾ ، مُكَوِّنًا الماس والحديديك (Fe³⁺ ⁾ . في الأعماق الأكبر، يُنتج عدم تناسب معادن الحديد الناتج عن الضغط المزيد من الحديديك والحديد المعدني. يتحد الحديد المعدني مع الكربون لتكوين معدن الكوهينيت ذي الصيغة Fe₃C _. يحتوي الكوهينيت أيضًا على بعض النيكل الذي يحل محل الحديد. يُطلق على هذا الشكل من الكربون اسم "الكربيد". ^{[ 9 ]} يتشكل الماس في الوشاح على  عمق يزيد عن 150 كم، ولكن نظرًا لمتانته الشديدة، فإنه يستطيع البقاء على قيد الحياة في الانفجارات البركانية إلى السطح في الكيمبرلايت أو اللامبرويت أو اللامبروفير فوق المافية . ^{[ 8 ]}

يمكن أن تأتي الصخور الدخيلة من الوشاح، وتختلف تركيباتها باختلاف الأعماق. فوق 90  ​​كم (3.2  جيجا باسكال) يوجد البيريدوتيت الإسبينلي، وتحت هذا العمق يوجد البيريدوتيت الغارنيتي. ^{[ 2 ]}

تكشف الشوائب المحتجزة في الماس عن المواد والظروف الموجودة في أعماق الوشاح. تتشكل الماسات الكبيرة عادةً في منطقة الانتقال في الوشاح (على  عمق يتراوح بين 410 و660 كيلومترًا)، وتتبلور من محلول منصهر من الحديد والنيكل والكربون، يحتوي أيضًا على الكبريت وآثار من الهيدروجين والكروم والفوسفور والأكسجين. تشكل ذرات الكربون حوالي 12% من المصهور (حوالي 3% من الكتلة). أحيانًا ما تُوجد شوائب من المصهور المعدني المتبلور داخل الماس. يمكن تحفيز ترسيب الماس من المعدن السائل عن طريق زيادة الضغط أو إضافة الكبريت. ^{[ 10 ]}

تحتوي الشوائب السائلة في البلورات من الوشاح على محتويات غالباً ما تكون ثاني أكسيد الكربون السائل ، ولكنها تشمل أيضاً أكسيد الكبريتيد الكربوني والميثان وأول أكسيد الكربون ^{[ 6 ]} .

تُضاف المواد عن طريق الانغماس من القشرة الأرضية. ويشمل ذلك الرواسب الرئيسية المحتوية على الكربون مثل الحجر الجيري والفحم. في كل عام، ينتقل 2 × 10¹¹ ^{كيلوغرام}  من _ثاني أكسيد الكربون من القشرة الأرضية إلى الوشاح عن طريق الانغماس (1700 طن من الكربون في الثانية). ^{[ 2 ]}

يمكن أن تُساهم المواد الصاعدة من الوشاح في تكوين القشرة الأرضية عند سلاسل منتصف المحيط. وتستطيع السوائل استخلاص الكربون من الوشاح والانفجار في البراكين. فعلى  عمق 330 كيلومترًا، يتشكل سائل يتكون من ثاني أكسيد الكربون والماء. وهو سائل شديد التآكل، ويُذيب العناصر غير المتوافقة من الوشاح الصلب، مثل اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم والهيليوم والأرجون. ويمكن لهذه السوائل أن تُسبب تحولًا صخريًا أو تمتد إلى السطح في ثورات الكربوناتيت . ^{[ 11 ]} ويُعادل إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من سلاسل منتصف المحيط والبؤر البركانية الساخنة الفقد الناتج عن الانغماس: 2 × 10¹¹ ^{كيلوغرام}  من ثاني أكسيد الكربون _سنويًا . ^{[ 2 ]}

في صخور الوشاح التي تتحرك ببطء،  يتحول الماس الذي يرتفع ببطء فوق 150 كم إلى جرافيت أو يتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون أو معادن الكربونات. ^{[ 8 ]}

يُعتقد أن لب الأرض يتكون في معظمه من سبيكة من الحديد والنيكل . وتشير كثافته إلى احتوائه أيضًا على كمية كبيرة من العناصر الأخف. تكون عناصر مثل الهيدروجين مستقرة في لب الأرض، إلا أن الظروف التي تشكلت خلالها لم تكن مواتية لاحتوائها. يُعد الكربون مكونًا محتملاً جدًا في اللب. ^{[ 12 ]} قد يُفسر التوزيع التفضيلي لنظير الكربون ^12C في اللب المعدني، أثناء تشكله، سبب وجود كمية أكبر من نظير الكربون ^13C على سطح الأرض ووشاحها مقارنةً بأجرام النظام الشمسي الأخرى (-5‰ مقابل -20‰). كما يُمكن أن يُساعد هذا الفرق في التنبؤ بنسبة الكربون في اللب. ^{[ 12 ]}

تبلغ كثافة اللب الخارجي حوالي 11  سم⁻³ ^، وكتلته 1.3 × 10²⁴ ^كجم . ويحتوي على ما يقارب ^10²² كجم من الكربون. يؤثر الكربون المذاب في الحديد السائل على ذوبان العناصر الأخرى، إذ يُحوّل الكربون المذاب اللب من محب للحديد إلى محب للصخور . وله تأثير معاكس على التنجستن والموليبدينوم ، مما يؤدي إلى ذوبان المزيد منهما في الطور المعدني. ^{[ 12 ]} ويمكن تفسير الكميات المقاسة لهذه العناصر في الصخور مقارنةً بالنظام الشمسي بنسبة الكربون في اللب البالغة 0.6% . ^{[ 12 ]}

يبلغ نصف قطر اللب الداخلي حوالي 1221  كيلومترًا. تبلغ كثافته 13 غ/ ^سم³  ، وكتلته الإجمالية 9 × 10²² ^كغ ، ومساحة سطحه 18 مليون كيلومتر مربع. تُجرى تجارب على مخاليط تحت ضغط ودرجة حرارة لمحاولة محاكاة الخصائص المعروفة للّبين الداخلي والخارجي. تُعدّ الكربيدات من أوائل _{المعادن} التي تترسب من خليط المعادن المنصهرة، ولذلك قد يكون اللب الداخلي في معظمه من كربيدات الحديد، Fe₇C₃ أو _Fe₃C . ^{[ 12 ]} عند الضغط الجوي (100 كيلو باسكال ) ، تقع نقطة اليوتكتيك للحديد-Fe₃C _عند نسبة 4.1% من الكربون. تنخفض هذه النسبة مع ازدياد الضغط إلى حوالي 50 جيجا باسكال. وفوق هذا الضغط _، تزداد نسبة الكربون عند نقطة اليوتكتيك. ^{[ 12 ]} يتراوح الضغط على اللب الداخلي بين 330 و360 جيجا باسكال في مركز الأرض. تبلغ درجة الحرارة على سطح اللب الداخلي حوالي 6000 كلفن . يجب أن تكون مادة اللب الداخلي مستقرة عند الضغط ودرجة الحرارة السائدين هناك، وأكثر كثافة من مادة اللب الخارجي السائل. تشير التقديرات إلى أن Fe₃C _أو Fe₇C₃ _يفي بالمتطلبات. ^{[ 12 ]} _يحتوي Fe₇C₃ على 8.4% كربون، بينما يحتوي Fe₃C _{على 6.7} % كربون. ينمو اللب الداخلي بمقدار 1 مليمتر تقريبًا سنويًا، أي بزيادة قدرها 18 كيلومترًا مكعبًا تقريبًا سنويًا. وهذا يعادل إضافة حوالي 18 × 10¹² ^{كيلوغرامًا} من _{الكربون} إلى اللب الداخلي كل عام. ويحتوي اللب الداخلي على حوالي 8 × ^10²¹ كيلوغرامًا من الكربون.       

بهدف تحديد مصير المواد الطبيعية المحتوية على الكربون في أعماق الأرض، أُجريت تجارب لدراسة ما يحدث عند تطبيق ضغط و/أو درجات حرارة عالية. تشمل هذه المواد ثاني أكسيد الكربون، وأول أكسيد الكربون، والجرافيت ، والميثان ، وهيدروكربونات أخرى مثل البنزين ، ومخاليط ثاني أكسيد الكربون والماء، ومعادن الكربونات مثل الكالسيت ، وكربونات المغنيسيوم ، وكربونات الحديدوز . تحت ضغوط عالية للغاية، قد يكتسب الكربون عددًا تنسيقيًا أعلى من الأربعة الموجودة في مركبات sp³ ^مثل الماس، أو الثلاثة الموجودة في الكربونات. ربما يمكن للكربون أن يحل محل السيليكات، أو أن يشكل أوكسي كربيد السيليكون . ^{[ 13 ]} قد تكون الكربيدات ممكنة. ^{[ 14 ]}

• الحياة القائمة على الكربون
• مصدر الكربون (علم الأحياء)
• علم الأحياء الخلوي
• CHONPS ، وهو اختصار تذكيري لترتيب العناصر الأكثر شيوعًا في الكائنات الحية: الكربون ، والهيدروجين ، والأكسجين ، والنيتروجين ، والفوسفور ، والكبريت .

• بلانك، تيري؛ مانينغ، كريغ إي. (17 أكتوبر 2019). "الكربون المنغرز". مجلة نيتشر . 574 (7778): 343-352 . Bibcode : 2019Natur.574..343P . doi : 10.1038/s41586-019-1643-z . PMID 31619791 .