Представьте себе, что в результате какого-то катаклизма все живое на Земле внезапно погибло и что весь углерод, входящий в состав органического вещества, сгорел с образованием диоксида углерода (СО2). Оказывается, при этом диоксида углерода было бы выброшено в атмосферу меньше, чем за 200 лет промышленной революции, в течение которых человечество сжигает добытое из-под земли топливо. Этот пример показывает, что большая часть углерода содержится не в живой материи или недавно погибших растениях и животных, а в осадочных горных породах.
Поэтому неудивительно, что хорошо знакомый нам круговорот биогенного углерода (в котором атмосферный углерод поглощается растениями, превращается в результате фотосинтеза в органическое вещество и снова выделяется из него при дыхании организмов и их разложении) является только одной составляющей более общего геохимического цикла. Если биологический цикл определяет перенос углерода между растениями, животными и окружающей средой, то геохимический цикл соответствует миграции этого элемента между осадочными горными породами, лежащими у поверхности Земли, атмосферой, биосферой и океанами.
Первостепенную роль в обоих циклах играет диоксид углерода, поскольку именно в этой форме углерод в основном содержится в атмосфере. Как можно заключить из приведенного выше описания «конца света», к 2050 г. сжигание угля и нефти (которые содержат лишь небольшое количество углерода по сравнению с осадочными породами в целом) приведет к значительному изменению концентрации СО2 в атмосфере. Поскольку выделение диоксида углерода, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, существенно превосходит его естественное выделение в природной среде можно утверждать, что люди «ускоряют» цикл углерода.
Этот факт породил серьезную озабоченность в обществе, поскольку из него следует, что сжигание ископаемого топлива может радикально повлиять на климат. Причина этого влияния парниковый эффект. Механизм парникового эффекта стал ясен уже в 1896 г., когда шведский химик Сванте Аррениус обнаружил, что диоксид углерода в атмосфере пропускает коротковолновую солнечную радиацию, но задерживает длинноволновое излучение Земли. Диоксид углерода можно уподобить стеклянной крыше парника: чем больше его в атмосфере, тем теплее климат на Земле. Парниковое потепление, происходящее в наши дни, обусловлено в основном сжиганием ископаемого топлива.
В масштабах десятков тысяч лет на содержание диоксида углерода в атмосфере влияют и изменения процессов в биологическом цикле углерода. Но в масштабах геологического времени, измеряемого миллионами лет, на содержание СО2 в атмосфере и океане наибольшее влияние оказывают медленные естественные геохимические процессы. В прошлом эти процессы могли быть причиной парникового потепления.
Таким образом, геохимический цикл углерода интересен не только с чисто научной точки зрения - его изучение помогает понять, как влияет на природную среду человеческая деятельность. Некоторые аспекты геохимического цикла углерода были изучены в прошлом веке геологом Томасом С. Чемберленом, а позднее и другими (среди них наиболее известен Гарольд С. Юрей), однако лишь в последнее десятилетие удалось увязать представление о геохимическом цикле углерода с общей теорией тектоники плит.
При рассмотрении цикла углерода лучше всего начать с горных пород на континентах. Углерод присутствует главным образом в осадочных горных породах, содержащих два типа соединений: кероген и карбонаты. Кероген представляет собой остатки мягких тканей древних растений и животных, тогда как карбонатные породы сложены преимущественно перекристаллизованными обломками скелетов древних (как правило, морских) организмов.
Кероген чаще всего находят в сланцах; карбонаты обычно встречаются в известняках и доломитах. Уголь и нефть тоже образуются из мягких ткаией древних растений и животных, но они далеко не так распространены, как кероген. При химическом выветривании, когда породы в почвах разрушаются под действием почвенных газов и различных кислот, кероген вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид углерода, который в конце концов улетучивается в атмосферу.
Этот процесс можно считать естественным аналогом сжигания ископаемого топлива, идущего с небольшой скоростью. Выветривание карбонатов носит более сложный характер. Карбонаты магния и кальция (МgСОз и СаСОз), содержащиеся в таких минералах как доломит и кальцит, подвергаются воздействию кислот, присутствующих в грунтовых водах. Прежде всего это угольная кислота (Н2СО3); она образуется в почве, когда диоксид углерода, выделяющийся при разложении органического вещества в ходе биологического цикла углерода, реагирует с водой.