วัฏจักรทางธรณีเคมีของคาร์บอเนต-ซิลิเกตหรือที่รู้จักกันในชื่อวัฏจักรคาร์บอนอนินทรีย์อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงระยะยาวของหินซิลิเกต ไปเป็น หินคาร์บอเนต โดย การผุพังและการ ตกตะกอน และการเปลี่ยนแปลงของหินคาร์บอเนตกลับไปเป็นหินซิลิเกตโดยการแปรสภาพและการเกิดภูเขาไฟ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}คาร์บอนไดออกไซด์ถูกกำจัดออกจากชั้นบรรยากาศในระหว่างการฝังตัวของแร่ธาตุที่ผุพังและกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศผ่านการเกิดภูเขาไฟในช่วงเวลาหลายล้านปี วัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมสภาพภูมิอากาศของโลก เนื่องจากมันควบคุม ระดับ คาร์บอนไดออกไซด์และอุณหภูมิโลก^{[ 3 ]}

อัตราการผุพังมีความไวต่อปัจจัยที่เปลี่ยนแปลงปริมาณพื้นที่ที่เปิดเผย ปัจจัยเหล่านี้ได้แก่ระดับน้ำทะเลลักษณะภูมิประเทศลักษณะทางธรณีวิทยาและการเปลี่ยนแปลงของพืชพรรณ^{[ 4 ]}ยิ่งไปกว่านั้น การเปลี่ยนแปลงทางธรณีสัณฐานและทางเคมีเหล่านี้ได้ทำงานควบคู่ไปกับแรงกระทำจากดวงอาทิตย์ ไม่ว่าจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงวงโคจรหรือวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ เพื่อกำหนดอุณหภูมิพื้นผิวโลกนอกจากนี้ วัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตยังได้รับการพิจารณาว่าเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับ ความ ขัดแย้งของดวงอาทิตย์อายุน้อยที่จาง^{[ 2 ] [ 3 ]}

วัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตเป็นกลไกหลักในการควบคุม ระดับ คาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงเวลาที่ยาวนาน^{[ 3 ]}อาจมองได้ว่าเป็นสาขาหนึ่งของวัฏจักรคาร์บอนซึ่งรวมถึงวัฏจักรคาร์บอนอินทรีย์ ด้วย โดยกระบวนการทางชีวภาพจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นสารอินทรีย์และออกซิเจนผ่านการสังเคราะห์แสง^{[ 5 ]}

กระบวนการทางกายภาพและทางเคมี

วัฏจักรอนินทรีย์เริ่มต้นด้วยการผลิตกรดคาร์บอนิก (H₂CO₃ จากน้ำฝนและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์^[]ด้วยกระบวนการนี้ น้ำฝนปกติจึงมีค่า pH ประมาณ 5.6 ^{[7] กรดคาร์} บอนิ กเป็นกรดอ่อนแต่ในระยะเวลานาน มันสามารถละลายหินซิลิเกต (รวมถึงหินคาร์บอเนต) ได้ เปลือกโลกส่วนใหญ่ (และเนื้อโลก) ประกอบด้วยซิลิเกต^{[ 8 ]}สารเหล่านี้จะแตกตัวเป็นไอออนที่ละลายน้ำได้ ตัวอย่างเช่นแคลเซียมซิลิเกต (CaSiO₃ หรือวอลลาสโตไนต์ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเพื่อให้ได้ไอออนแคลเซียม Ca²⁺ ^{ไอออน}ไบคาร์บอเนต HCO₃⁻ ซิลิกาที่ละลายน้ำได้ โครงสร้างปฏิกิริยานี้เป็นตัวแทนของการผุพังของซิลิเกตทั่วไปของแร่แคลเซียมซิลิเกต^{[ 9 ] เส้นทาง}เคมีมีดังนี้:

${\displaystyle {\ce {2CO2 + H2O + CaSiO3 -> Ca^2+ + 2HCO3- + SiO2}}}$

น้ำที่ไหลจากแม่น้ำจะพัดพาผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไปยังมหาสมุทร ซึ่งสิ่งมีชีวิตในทะเลที่สร้างเปลือกและโครงกระดูกด้วยแคลเซียมจะใช้ Ca ²⁺และ HCO ⁻ในการสร้างเปลือกและโครงกระดูกของพวกมัน กระบวนการนี้เรียกว่าการตกตะกอนของคาร์บอเนต :

${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}}}$

สองโมเลกุลจำเป็นสำหรับการผุพังของหินซิลิเกต การสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตในทะเลจะปล่อยโมเลกุลหนึ่งกลับสู่ชั้นบรรยากาศ แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃ ที่อยู่ในเปลือกและโครงกระดูกจะจมลงหลังจากสิ่งมีชีวิตในทะเลตายและถูกสะสมอยู่ที่พื้นมหาสมุทร

ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนตัวของพื้นทะเล ในเขตมุดตัวของแผ่นเปลือกโลกตะกอนคาร์บอเนตจะถูกฝังและถูกผลักกลับเข้าไปในเนื้อโลกคาร์บอเนตบางส่วนอาจถูกพาลงไปลึกในเนื้อโลก ซึ่งสภาวะความดันและอุณหภูมิสูงจะช่วยให้มันรวมตัวกับ SiO₂ ในกระบวนการแปรสภาพ ธรณีวิทยา เพื่อสร้าง CaSiO₃ CO₂ จะถูกปล่อยจากภายในสู่ชั้นบรรยากาศผ่านทางภูเขาไฟ การปะทุของปล่องความร้อนในมหาสมุทร หรือน้ำพุโซดาซึ่งเป็นน้ำพุธรรมชาติที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือน้ำโซดา

${\displaystyle {\ce {CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2}}}$

ขั้นตอนสุดท้ายนี้จะส่งโมเลกุล CO2 ตัวที่สองกลับชั้นบรรยากาศและปิดงบประมาณคาร์บอน อนินทรีย์ 99.6% ของคาร์บอนทั้งหมดบนโลก (เทียบเท่ากับคาร์บอนประมาณ 10⁸ ^พันล้านตัน) ถูกกักเก็บไว้ในแหล่งกักเก็บหินในระยะยาว และโดยพื้นฐานแล้วคาร์บอนทั้งหมดใช้เวลาอยู่ในรูปของคาร์บอเนต ในทางตรงกันข้าม มีเพียง 0.002% ของคาร์บอนเท่านั้นที่มีอยู่ในชีวภาค^{[ 8 ]}

ลักษณะต่างๆ ของวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตได้เปลี่ยนแปลงไปตลอดประวัติศาสตร์ของโลกอันเป็นผลมาจากวิวัฒนาการทางชีวภาพและการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยา^{[ 14 ]}โดยทั่วไป การก่อตัวของคาร์บอเนตมีอัตราเร็วกว่าการก่อตัวของซิลิเกต ซึ่งช่วยกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเกิดขึ้นของการสร้างแร่ชีวภาพ คาร์บอเนต ใกล้กับ ขอบเขต ยุคพรีแคมเบรียน - แคมเบรียนจะช่วยให้สามารถกำจัดผลิตภัณฑ์จากการผุพังออกจากมหาสมุทรได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น^{[ 15 ]}กระบวนการทางชีวภาพในดินสามารถเพิ่มอัตราการผุพังได้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 16 ]}พืชผลิตกรดอินทรีย์ที่เพิ่มการผุพังกรดเหล่านี้ถูกหลั่งโดยรากและเชื้อราไมคอร์ไรซารวมถึงการย่อยสลายพืชโดยจุลินทรีย์การหายใจของรากและการออกซิเดชันของสารอินทรีย์ในดินยังผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นกรดคาร์บอนิกซึ่งเพิ่มการผุพัง^{[ 17 ]}

ธรณีแปรสัณฐานสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตได้ ตัวอย่างเช่น การยกตัวของเทือกเขาสำคัญ เช่นเทือกเขาหิมาลัยและเทือกเขาแอนดีสเชื่อกันว่าเป็นจุดเริ่มต้นของยุคน้ำแข็งซีโนโซอิกตอนปลายเนื่องจากอัตราการผุกร่อนของซิลิเกตที่เพิ่มขึ้นและการลดลงของคาร์บอนไดออกไซด์^{[ 18 ]} สภาพอากาศของพื้นทะเลมีความเชื่อมโยงทั้งกับความสว่างของดวงอาทิตย์และความ เข้มข้น ของคาร์บอนไดออกไซด์^{[ 19 ]}อย่างไรก็ตาม มันเป็นความท้าทายสำหรับนักสร้างแบบจำลองที่พยายามเชื่อมโยงอัตราการปล่อยก๊าซและการมุดตัวเข้ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของพื้นทะเลที่เกี่ยวข้อง ข้อมูลตัวแทนที่เหมาะสมและไม่ซับซ้อนนั้นหาได้ยากสำหรับคำถามดังกล่าว ตัวอย่างเช่น แกนตะกอน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถอนุมานระดับน้ำทะเลในอดีตได้นั้นไม่เหมาะสม เนื่องจากระดับน้ำทะเลเปลี่ยนแปลงเป็นผลมาจากมากกว่าแค่การปรับตัวของพื้นทะเล^{[ 20 ]}การศึกษาแบบจำลองล่าสุดได้ตรวจสอบบทบาทของการผุกร่อนของพื้นทะเลต่อวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตในยุคแรก โดยแสดงให้เห็นว่าอัตราการสร้างพื้นทะเลที่ค่อนข้างเร็วช่วยลดระดับคาร์บอนไดออกไซด์ลงในระดับปานกลาง^{[ 21 ]}

การสังเกตการณ์ใน ช่วงเวลาที่เรียกว่ายุคโบราณบ่งชี้ว่าโลกมีการตอบสนองต่อการผุกร่อนของหินที่ไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงมากนัก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมาก เมื่อมีคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศประมาณสองเท่า บันทึกภูมิอากาศโบราณแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิโลกสูงขึ้นถึง 5 ถึง 6  องศาเซลเซียสเมื่อเทียบกับอุณหภูมิปัจจุบัน^{[ 22 ]}อย่างไรก็ตาม ปัจจัยอื่นๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงในแรงผลักดันจากวงโคจร/ดวงอาทิตย์มีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโลกในบันทึกภูมิอากาศโบราณ

จากกิจกรรมของมนุษย์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาอันสั้นมาก^{[ 23 ]}คาร์บอนส่วนเกินในชั้นบรรยากาศที่ละลายอยู่ในน้ำทะเลสามารถเปลี่ยนแปลงอัตราของวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตได้ CO2 ที่ละลายทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างไอออนไบคาร์บอเนต HCO3− ^{ไอออน}ไฮโดรเจน H ⁺ไอออนไฮโดรเจนเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอเนต CO32- อย่างรวดเร็ว^{สร้าง}ไอออนไบคาร์บอเนตมากขึ้นและลดไอออนคาร์บอเนตที่มีอยู่ ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อกระบวนการตกตะกอนของคาร์บอนคาร์บอเนต^{[ 24 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง คาร์บอนส่วนเกินที่ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ 30% จะถูกดูดซับโดยมหาสมุทร ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ที่สูงขึ้นในมหาสมุทรจะผลักดันกระบวนการตกตะกอนของคาร์บอเนตไปในทิศทางตรงกันข้าม (ไปทางซ้าย) ทำให้เกิด CaCO3 น้อยลงนี้ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตที่สร้างเปลือกหอย เรียกว่าการเป็นกรดของมหาสมุทร^{[ 25 ]}

ไม่ควรคิดว่าวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตจะปรากฏบนดาวเคราะห์ภาคพื้นดิน ทุก ดวง ประการแรก วัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตต้องอาศัยวัฏจักรน้ำ ดังนั้น วัฏจักรนี้จึงสลายตัวที่ขอบด้านในของเขตที่สิ่งมีชีวิตสามารถอาศัยอยู่ได้ ของระบบสุริยะ แม้ว่าดาวเคราะห์จะเริ่มต้นด้วยน้ำเหลวบนพื้นผิว แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไป มันจะเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกที่ควบคุมไม่ได้ทำให้สูญเสียน้ำบนพื้นผิว หากไม่มีน้ำฝนที่จำเป็น การผุกร่อนจะไม่เกิดขึ้นเพื่อผลิตกรดคาร์บอนิกจากก๊าซ CO2 ไปกว่านั้น ที่ขอบด้านนอก CO2 ปรากฏการณ์เรือนกระจกลดลงและอุณหภูมิพื้นผิวลดลง ผลที่ตามมาคือชั้นบรรยากาศจะยุบตัวลงกลายเป็นขั้วโลก^{[ 5 ]}

ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์เช่นนั้น ตั้งอยู่บริเวณขอบของเขตที่สิ่งมีชีวิตสามารถอาศัยอยู่ได้ในระบบสุริยะ พื้นผิวของมันเย็นเกินไปที่จะเกิดน้ำในสถานะของเหลวได้หากไม่มีปรากฏการณ์เรือนกระจก ด้วยชั้นบรรยากาศที่บาง ดาวอังคารมีอุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ย210 K (−63 °C)ในการพยายามอธิบายลักษณะภูมิประเทศที่คล้ายกับร่องน้ำ แม้ว่าดูเหมือนว่ารังสีจากดวงอาทิตย์ที่เข้ามาจะไม่เพียงพอ บางคนได้เสนอว่าอาจมีวัฏจักรที่คล้ายกับวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตของโลกอยู่ – คล้ายกับการถอยห่างจากยุคน้ำแข็งโลก^{[ 26 ]}มีการแสดงให้เห็นโดยใช้การศึกษาแบบจำลองว่าก๊าซ CO และ H O ที่ทำหน้าที่เป็นก๊าซเรือนกระจกไม่สามารถรักษาความอบอุ่นของดาวอังคารได้ในช่วงประวัติศาสตร์ยุคแรกเมื่อดวงอาทิตย์มีแสงสว่างน้อยกว่า เนื่องจาก CO จะควบแน่นกลายเป็นเมฆ^{[ 27 ]}แม้ว่าเมฆ CO จะไม่สะท้อนแสงในลักษณะเดียวกับเมฆน้ำบนโลก^{[ 28 ]}แต่ก็ไม่น่าจะมีวัฏจักรคาร์บอเนต-ซิลิเกตมากนักในอดีต  

ในทางตรงกันข้ามดาวศุกร์ตั้งอยู่บริเวณขอบด้านในของเขตที่สิ่งมีชีวิตสามารถอาศัยอยู่ได้ และมีอุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ย737 เคลวิน (464 องศาเซลเซียส)หลังจากสูญเสียน้ำไปจากการแตกตัวด้วยแสงและการหลุดออกของไฮโดรเจนดาวศุกร์ก็หยุดการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศ และเริ่มสะสมคาร์บอนไดออกไซด์แทน ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกที่ควบคุมไม่ได้  

บนดาวเคราะห์ นอกระบบที่ถูกล็อกด้วยแรงโน้มถ่วง ตำแหน่งของจุดใต้ดาวฤกษ์ จะ เป็นตัวกำหนดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นหิน^{[ 29 ]}

• ปั๊มชีวภาพ
• วัฏจักรคาร์บอน
• ความลึกของการชดเชยคาร์บอเนต
• การผุกร่อนแบบย้อนกลับ
• เดซี่เวิลด์
• สมมติฐานไกอา
• ปรากฏการณ์เรือนกระจกที่ควบคุมไม่ได้
• ยุคน้ำแข็งครั้งสำคัญ
• โลกน้ำแข็ง
• ทะเลสาบไนออส
• ภาวะความเป็นกรดของมหาสมุทร
• ปรากฏการณ์ดวงอาทิตย์อ่อนจาง

• ทำความเข้าใจวัฏจักรคาร์บอนในระยะยาว: การผุพังของหิน – แหล่งกักเก็บคาร์บอนที่สำคัญยิ่งโดย จอห์น เมสัน, Skeptical Science