碳平衡系统对地球的作用1

地球科学原理之27 碳平衡系统对地球的作用

广东海洋大学 廖永岩

（电子信箱：rock6783@126.com）

上一回我们讨论了地球去气作用通过增强温室效应，解决了地球继

续降温的问题。但同时，它又带来了另一个地表会因CO2等温室气体过多而增温的问题。现在，我们讨论碳系统的平衡，如何解决这个CO2等温室气体过多而引起地球增温的问题。 1碳系统的平衡原理

假设地球的pH值在pHCO2

图1，CO2系统的化学平衡示意图

因为碳酸为二元羧酸，分两级电离，则有（郭锦宝，1997）：

K1=αH+×αHCO3-(T)/αH2co3(T) （1） K2=αH+×αCO32-(T)/αHco3-(T) （2） 式中K1、K2为热力学常数。若采用表观电离常数K/则可表示为：

K1/=αH+×CHCO3-(T)/CH2co3(T) （3） K2/=αH+×CCO32-(T)/CHco3-(T) （4） 将（3）、（4）两式取对数得：

pH=pK1/+logCHco3-(T)/CH2co3(T) （5） pH=pK2/+logCco32-(T)/CHco3-(T) （6） 所以，pH值除与温度、压力和盐度有关外，主要与CO2系统各分量的相对比值有关（郭锦宝，1997）。

2-pH值与Cco2(T)/Cco3(T)比值的关系，还可以表示为：

pH=1/2(pK1+pK2-logCco2(T)/Cco32-(T)) (7) 即pH也可以理解为由水体里CO2和CO32-浓度的比值决定。

以上的公式，可以解释如下：水体的pH值不影响水体里CO2、HCO3-和CO32-三者的总量变化；但当总量一定时，它影响三者的浓度比值。当pHCO2

2001），水体里几乎没有CO32-，pH值主要由（5）式控制：pH值越低，CO2的浓度比值越大，HCO3-的浓度比值越小；pH值越高，CO2的浓度比值越小，HCO3-的浓度比值越大。当pHHCO3-

假设没有酸性和碱性物质溶入的海洋，pH=7，呈中性。在图1所示的平衡系统中，由于强烈的火山喷发和地震，造成地球强烈的集中排气。大量的CO2排至大气中。

由于大气CO2增加，大气的CO2分压相对海洋增加。在这个分压的作用下，大气中的CO2将溶于海洋中。海洋中的CO2浓度增加，如图1所示的CO2和HCO3-之间平衡将打破，CO2和水结合，电离成HCO3-和H+。这样，海洋里的HCO3-浓度将增加；大量的H+补充到海洋里，海洋的pH值将下降。

若海洋里有大量的HCO3-库存。当植物强烈地进行光合作用，并将合成的有机物大量沉积到沉积岩里封存起来，大气中的CO2将急剧地减少。大气中的CO2减少，导致大气CO2分压下降，小于水体里的CO2分压，水体中的CO2将被释放入大气中，从而使水体的CO2浓度降低。若进行光合作用的植物是水生植物，它将直接导致水体中CO2的急剧减少。

水体里CO2的减少，浓度下降，打破CO2电离成H++ HCO3-之间的平衡，平衡将向左移动，也就是，H+和HCO3-结合，形成CO2。形成1摩尔CO2，将消耗1摩尔H+，大量CO2的形成，将消耗大量的H+。这样，将导致水体的pH值上升。或者简单地说，植物进行光合作用，消耗CO2，将引起水体的pH上升。pH值升高多少，将与水体的酸度（是水接受羟基离子能力的量度，或者说是中和强碱能力的量度）有关（王凯雄，2001）。水体的酸度越大，升高得越慢，酸度越小，升高得越快。

若pHCO2

虽然大量的HCO3-和H+结合成CO2，但CO2的光合作用补偿点为0.005~0.01%(不同的植物，补偿点有区别，现大气的CO2浓度为0.035%)（曹宗巽和吴相钰，1979），也就是说，只有当大气CO2的浓度低于0.005~0.01%（体积比）时，绿色植物才不会再利用大气中的CO2进行光合作用。所以，光合作用会使CO2在水体里的分量比值，远小于HCO3-；或者说，通过降低CO2的浓度比值来提高HCO3-的浓度比值。由于光合作用的不断进行，pH将不断升高，直至pH HCO3-

-2--2-HCO3和CO3的浓度比例将发生变化：HCO3进一步电离成CO3，HCO3-在水体里浓度比值下降，CO32-浓度比值上升。随着水体CO32-浓度比值的上升，水体CO32-的浓度增大。

因为海水中Ca（或Mg）CO3的溶度积公式为（郭锦宝，1997）：

Ksp=αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T) （8） 随着pH值的升高，当CO32-的浓度和钙、镁等能形成碳酸盐的阳离子的溶度积大于Ksp时，将造成碳酸盐的沉淀。

随着光合作用的不断进行，大量的HCO3-电离成CO32-，形成碳酸盐沉淀。当HCO3-在碳平衡系统中的分量比值较小，不足以产生大量的CO32-形成沉淀时，pH值又将继续升高，降低HCO3-在碳平衡系统中分量的比值，提高CO32-在碳平衡系统中的分量的比值，以提高CO32-的浓度，以保证碳酸盐能继续沉淀。这时，CO32-的绝对浓度没有变，但CO32-相对HCO3-的浓度比值却在不断增大。 光合作用大量吸收CO2而持续形成的碳酸盐沉淀，是以不断提高pH值，不断

2--提高CO3浓度相对HCO3的浓度比例来完成的。若不计用来提高pH值所消耗的那部分CO2，若水体里保证有足够的HCO3-供给，光合作用吸收CO2而造成碳酸盐沉淀，也可以用以下公式表示：

简单地理解就是：光合作用消耗1摩尔CO2，形成1摩尔CaCO3或MgCO3。 若冰川期后，火山喷发和地震等去气作用加强（MeGuire, 1992; Zielinski, et. al.1996），大气CO2浓度增高，当pHHCO3-

-洋水体的pH值将下降，直至最终大气中的CO2浓度、海洋水体里的HCO3浓度和CO3-浓度之间达到平衡为止。 2碳平衡系统对地球的作用

由于地球的不断去气作用，大气中的CO2，将不断增多，温室效应也将不断增强。随着地球的不断演化，太阳的光能也越来越强（Canuto et. al., 1983），当大气中的CO2等温室气体达到一定程度，产生足够强的温室效应，和增强的太阳光的共同作用，地表的温度就有可能达到或超过水的沸点。这时，海洋里所有的水，将变成水蒸气，海洋将消失。地球就将和金星一样，继续升温达到几百度的高温（Phillips, et. al., 2001）。

所以，为了防止地球的温度不超过水的沸点，就必须把CO2等温室气体的浓度控制在一定的范围内。也就是说，就必须有一个降低CO2等温室气体的机制，来抵消或降低地球去气作用产生的过多的CO2等温室气体。

地球的CO2平衡系统，就能完成这个任务。它将大气中大量的CO2通过转化为HCO3-和CO32-，最终转化为碳酸钙或碳酸镁等碳酸盐岩，重新埋入地壳。这样，使大气中的CO2浓度不太高，不至于产生水气化点以上的地球表面温度。 所以，我们可以说，碳平衡系统，通过将过多的CO2溶入水体，最后将其转化为碳酸盐岩而埋入地壳，是碳平衡系统对地球的最大贡献。

但是，这也同时带来又一个大问题。每1摩尔CO2溶于水，形成1摩尔HCO3-的同时，也形成1摩尔H+；1摩尔HCO3-形成1摩尔CO32-的同时，再形成1摩尔H+。每1摩尔CO2，最后变成1摩尔埋入地壳的碳酸盐，同时产生2摩尔H+。所以 ，

+

要将大量的CO2转化为碳酸盐岩埋入地壳，必然会产生大量的H。若这大量的H+没有其它的机制处理掉，不仅碳系统将CO2转化为碳酸盐岩的过程将不可能进行，而且会使地球的海洋成为一个pH接近pHCO2（由于碳平衡系统的调节）的海洋。

同时，因为地球地去气作用时，不仅排出大量的CO2，还会排出大量的HCl、

HF、H2S和SO2等酸性气体（Chester, 1993;Wignall, 2001; Sigurdsson, 2000; Tabazadeh and Turco, 1993;陈福等，1997；陈福，2000; Allard, 1983）。这些酸性气体，溶于水形成各种酸根，与金属离子结合，最终转化为卤化盐类或硫酸盐类化合物。每1摩尔HCl或HF气体，形成1摩尔卤化物盐类（如NaCl或KCl），将释放出1摩尔H+；每1摩尔H2S或SO2气体，最终形成1摩尔硫酸盐（如Na2SO4），将释放2摩尔H+。所以，当这些酸性气体，溶于海洋，最终形成卤化物盐类或硫酸盐类时，也会产生大量的H+。特别是HCl和HF气体，它们产生H+的能力相当强，即使在pH值接近0时，也还能产生H+。资料显示，火山喷发造成的地球去气作用形成的火山气体冷却后，pH值接近于0（陈福等，1997；Krauskopf and Bird, 1995; White and Waring, 1963）。因为目前认为，原始大气中的气体，都是由于地球去气作用形成的（Ozima and Podosek, 1983; Berner, et. al., 1983），所以，原始海洋形成时，其pH值应很低，接近于0。

也就是说，碳平衡系统解决了地球去气作用使大气CO2浓度继续增高的问题，但同时又和地球去气造成的其它酸性气体一道，产生了一个H+增多，使水圈变酸（pH值下降）的问题。若真pH值无限下降，最终接近于0，那生命也肯定不可能生存于地球上，那地球靠什么控制演化过程中的pH值？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之28 硅系统平衡对地球的作用 参考文献：

陈福.酸性含矿热液的成因及成矿演化模式.地质地球化学, 2000, 28(1): 48-52 陈福,王中刚,朱笑青.自然界酸性溶液的形成和向成矿溶液演化机理-表生循环

水向成矿溶液演变机理之(二),矿物学报, 1997, 17(4): 399-411 曹宗巽，吴相钰.植物生理学，北京：高等教育出版社.1979. 31-125 郭锦宝.化学海洋学.厦门：厦门大学出版社. 1997，80-398 王凯雄.水化学.北京：化学工业出版社. 2001. 257-323