Carbonat-Silicat-Zyklus
Mit Carbonat-Silikat-Zyklus, alternativ auch anorganischer Kohlenstoffzyklus genannt, bezeichnet man in der Chemie die geochemische, zyklische Umwandlung von freiem Kohlenstoffdioxid und Silikaten zu Carbonaten und Siliciumdioxid (und umgekehrt) unter dem Einfluss von Kohlensäure bzw. Kieselsäure. Der Carbonat-Silikat-Zyklus reguliert auf längere Zeiträume betrachtet den Gehalt der Atmosphäre an Kohlenstoffdioxid. Dies liegt daran, dass Kohlenstoffdioxid über den Treibhauseffekt die Temperatur der Erde insgesamt erhöht, diese erhöhte Temperatur aber die Verwitterung silikat-reicher Gesteine beschleunigt, die durch Ausfällung von Kalkstein den Gehalt an Kohlenstoffdioxid wieder vermindert (negative Rückkopplung). Durch den Zyklus wird der gesamte Gehalt der Atmosphäre an Kohlenstoffdioxid etwa alle 500.000 Jahre einmal ausgetauscht und alle zwischenzeitlich möglicherweise entstandenen Abweichungen vom Gleichgewichtszustand dabei ausgeglichen.
Dieser Zyklus ist für die Petrologie genauso bedeutend wie für die Geoökologie.
Der Zyklus
Der Zyklus beginnt mit atmosphärischem Kohlenstoffdioxid und Regenwasser, die zusammen Kohlensäure bilden:
Das kohlensäurehaltige Regenwasser erodiert silicatische Gesteine, indem es daraus Calcium-Silicat-Minerale (Verbindungen aus Calcium, Silicium und Sauerstoff) auflöst, wodurch die freigesetzten Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen in das Grundwasser gelangen. Als Beispiel dient die Gleichung der Umsetzung des Feldspats Anorthit durch Kohlensäure unter Bildung von Kaolinit:
Die Ionen werden über Fließgewässer ins Meer transportiert. Im Meer verwenden verschiedene Lebewesen, planktonische und sessile Tiere, die Calcium-, Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ionen zum Aufbau von Innen- oder Außenskeletten aus Calciumcarbonat (CaCO3); alternativ kann Calciumcarbonat auch anorganisch ausgefällt werden, dies findet aber auf der Erde nur unter besonderen Bedingungen statt. (Auch im Wasser gelöstes Siliciumdioxid wird von anderen Organismen wie Kieselalgen und Radiolarien in Skelette eingebaut und mit diesen sedimentiert.) Nach ihrem Absterben werden die meisten durch Absinken unter die Kompensationstiefe wieder aufgelöst, aber ein Teil bleibt erhalten und bildet am Meeresboden Carbonatsedimente. Im Laufe der Jahrtausende wird dieser Meeresboden infolge der Plattentektonik von den mittelozeanischen Rücken zu den Subduktionszonen an den Kontinentalrändern transportiert. Dort wandert er zusammen mit der absinkenden ozeanischen Platte ins Erdinnere. Bei hohem Druck und hohen Temperaturen reagiert das Calciumcarbonat mit dem Siliciumdioxid (Carbonatmetamorphismus) und es bilden sich unter der Abspaltung von Kohlenstoffdioxid erneut Silicatminerale. Als Beispiel dient die Gleichung der Umsetzung von Calcit (Calciumcarbonat) mit Siliciumdioxid zu Wollastonit und Kohlenstoffdioxid:
(Das einfache Calciumsilicat Wollastonit wurde hier nur zur Erläuterung eingesetzt, tatsächlich können auf gleichem Wege beliebige andere Silicate mit komplizierter Zusammensetzung entstehen, was aber die Summengleichungen verkomplizieren würde.) Das Kohlenstoffdioxid gelangt schließlich durch Vulkanismus, entweder über den untermeerischen Vulkanismus der mittelozeanischen Rücken oder über kontinentalen Vulkanismus, wieder als Kohlenstoffdioxidgas in die Atmosphäre, womit der Kreislauf geschlossen ist.
Quellen
- James F. Kasting, David Catling: Evolution of a Habitable Planet. In: Annual Review of Astronomy and Astrophysics. Band 41, Nr. 1, September 2003, S. 429–463, doi:10.1146/annurev.astro.41.071601.170049 (PDF).
- Robert A. Berner, Antonio C. Lasaga, Robert M. Garrels: The carbonate-silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years. In: American Journal of Science. Band 283, Nr. 7, September 1983, S. 641–683, doi:10.2475/ajs.283.7.641 (PDF). (sogenanntes BLAG-Modell)