Carbonat-Silicat-Zyklus

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Mit Carbonat-Silikat-Zyklus bezeichnet man in der Chemie einen geochemischen, zyklischen Wechsel von Silikaten zu Carbonaten (und umgekehrt) unter dem Einfluss von Kohlensäure bzw. Kieselsäure. Auf sein Konto gehen ungefähr 80 Prozent des Kohlenstoffdioxids, das zwischen Gestein und Atmosphäre im Laufe von schätzungsweise mehr als 500.000 Jahren ausgetauscht wird.

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:

$ \mathrm{ CO_2\ + \ H_2O\ \rightarrow \ H_2CO_3\ } $

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:

$ \mathrm{ 2\;H_2CO_3\ + Ca[Al_2Si_2O_8]\ + H_2O\ \rightarrow\ Al_2[(OH)_4|Si_2O_5]\ + Ca^{2+}\ + 2\;HCO_3^-\ } $

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). Nach ihrem Absterben bilden sich 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 ins Erdinnere. Durch hohen Druck und hohe Temperaturen reagiert das Calciumcarbonat mit 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:

$ \mathrm{ 3\;CaCO_3\ + 3\;SiO_2\ \rightarrow\ Ca_3[Si_3O_9]\ + 3\;CO_2\ } $

Das Kohlenstoffdioxid gelangt schließlich, entweder über den untermeerischen Vulkanismus der mittelozeanischen Rücken oder über kontinentalen Vulkanismus, wieder als Kohlenstoffdioxidgas in die Atmosphäre, womit der Kreislauf geschlossen ist.

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