Kalcit proti aragonitu

Kosi kalcita, modrega aragonita, opala, sodalita.

Dorling Kindersley/Getty Images

Ogljik si lahko predstavljate kot element, ki ga na Zemlji najdemo predvsem v živih bitjih (to je v organskih snoveh) ali v ozračju kot ogljikov dioksid. Oba geokemična rezervoarja sta seveda pomembna, vendar je velika večina ogljika zaklenjena v karbonatni minerali . Te vodi kalcijev karbonat, ki ima dve mineralni obliki, imenovani kalcit in aragonit.

Minerali kalcijevega karbonata v kamninah

Aragonit in kalcit imata isto kemijsko formulo, CaCO₃, vendar so njihovi atomi zloženi v različnih konfiguracijah. To pomeni, da so polimorfi . (Drug primer je trio kianita, andaluzita in silimanita.) Aragonit ima ortorombično strukturo, kalcit pa trigonalno strukturo. Naša galerija karbonatnih mineralov pokriva osnove obeh mineralov z vidika rockhounda: kako ju prepoznati, kje ju najdemo, nekaj njunih posebnosti.

Kalcit je na splošno bolj stabilen kot aragonit, čeprav se lahko zaradi spremembe temperature in tlaka eden od dveh mineralov spremeni v drugega. Pri površinskih pogojih se aragonit v geološkem času spontano spremeni v kalcit, pri višjih tlakih pa je prednostna struktura aragonit, gostejši od obeh. Visoke temperature delujejo kalcitu v prid. Pri površinskem tlaku aragonit ne more dolgo vzdržati temperatur nad približno 400 °C.

Visokotlačne in nizkotemperaturne kamnine modri skrilavec metamorfni facies pogosto vsebuje žile aragonita namesto kalcita. Proces pretvorbe nazaj v kalcit je dovolj počasen, da lahko aragonit vztraja v metastabilnem stanju, podobno kot diamant .

Včasih se kristal enega minerala pretvori v drugega minerala, medtem ko ohrani svojo prvotno obliko kot psevdomorf: morda je videti kot tipičen kalcitni gumb ali aragonitna igla, vendar petrografski mikroskop pokaže njegovo pravo naravo. Mnogim geologom za večino namenov ni treba poznati pravilnega polimorfa in govorijo le o 'karbonatu'. Večino časa je karbonat v kamninah kalcit.

Minerali kalcijevega karbonata v vodi

Kemija kalcijevega karbonata je bolj zapletena, ko gre za razumevanje, kateri polimorf bo kristaliziral iz raztopine. Ta proces je v naravi običajen, ker nobeden od mineralov ni dobro topen in prisotnost raztopljenega ogljikovega dioksida (CO_dva) v vodi jih potiska proti obarjanju. V vodi CO_dvaobstaja v ravnovesju z bikarbonatnim ionom, HCO₃⁺in ogljikova kislina, H_dvaCO₃, ki so vsi zelo topni. Spreminjanje ravni CO_dvavpliva na ravni teh drugih spojin, vendar CaCO₃v sredini te kemične verige skoraj nima druge izbire, kot da se obori kot mineral, ki se ne more hitro raztopiti in se vrniti v vodo. Ta enosmerni proces je glavno gonilo geološkega cikla ogljika.

Kakšna razporeditev kalcijevih ionov (Ca²⁺) in karbonatne ione (CO₃^dva-) bodo izbrali, ko se pridružijo CaCO₃odvisno od razmer v vodi. V čisti sladki vodi (in v laboratoriju) prevladuje kalcit, zlasti v hladni vodi. Jamske formacije so na splošno kalcitne. Mineralni cementi v mnogih apnencih in drugih sedimentnih kamninah so na splošno kalcit.

Ocean je najpomembnejši habitat v geološkem zapisu, mineralizacija kalcijevega karbonata pa je pomemben del oceanskega življenja in morske geokemije. Kalcijev karbonat prihaja neposredno iz raztopine, da tvori mineralne plasti na drobnih okroglih delcih, imenovanih ooidi, in oblikuje cement blata morskega dna. Kateri mineral kristalizira, kalcit ali aragonit, je odvisno od kemije vode.

Morska voda je polna ioni ki tekmujejo s kalcijem in karbonatom. Magnezij (Mg²⁺) se oprime strukture kalcita, upočasnjuje rast kalcita in sili v molekularno strukturo kalcita, vendar ne moti aragonita. Sulfatni ion (SO₄^–) prav tako zavira rast kalcita. Toplejša voda in večja zaloga raztopljenega karbonata dajeta prednost aragonitu, saj ga spodbujata k hitrejši rasti kot kalcit.

Kalcitno in Aragonitno morje

Te stvari so pomembne za živa bitja, ki svoje lupine in strukture gradijo iz kalcijevega karbonata. Školjke, vključno školjke in brahiopodi so znani primeri. Njihove lupine niso čisti minerali, ampak zapletene mešanice mikroskopskih karbonatnih kristalov, povezanih z beljakovinami. Enocelične živali in rastline, razvrščene kot plankton, izdelujejo svoje lupine ali teste na enak način. Zdi se, da je še en pomemben dejavnik ta, da imajo alge koristi od izdelave karbonata, tako da si zagotovijo takojšnjo oskrbo s CO_dvaza pomoč pri fotosintezi.

Vsa ta bitja uporabljajo encime za izdelavo želenega minerala. Aragonit tvori igličaste kristale, kalcit pa kockaste, vendar lahko številne vrste uporabljajo oba. Številne školjke mehkužcev uporabljajo aragonit v notranjosti in kalcit na zunanji strani. Karkoli počnejo, porabljajo energijo in ko so oceanske razmere naklonjene enemu ali drugemu karbonatu, proces izdelave lupine zahteva dodatno energijo, da deluje v nasprotju z diktatom čiste kemije.

To pomeni, da spreminjanje kemije jezera ali oceana kaznuje nekatere vrste in daje prednost drugim. V geološkem času se je ocean premikal med 'aragonitnimi morji' in 'kalcitnimi morji'. Danes smo v aragonitnem morju z visoko vsebnostjo magnezija – spodbuja obarjanje aragonita in kalcita z visoko vsebnostjo magnezija. Kalcitno morje, ki vsebuje manj magnezija, daje prednost kalcitu z nizko vsebnostjo magnezija.

Skrivnost je svež bazalt morskega dna, katerega minerali reagirajo z magnezijem v morski vodi in ga potegnejo iz obtoka. Ko je tektonska aktivnost plošč močna, dobimo kalcitna morja. Ko je počasnejša in so območja širjenja krajša, dobimo aragonitna morja. Seveda je več kot to. Pomembno je, da obstajata dva različna režima, meja med njima pa je približno takrat, ko je magnezija v morski vodi dvakrat več kot kalcija.

Zemlja ima aragonitno morje že pred približno 40 milijoni let (40 milijonov let). Zadnje prejšnje obdobje aragonitnega morja je bilo med poznim misisipskim in zgodnjim jurskim časom (približno 330 do 180 milijonov), naslednja vrnitev v preteklost pa je bil zadnji predkambrij, pred 550 milijoni. Vmes med temi obdobji je imela Zemlja kalcitna morja. Več aragonitnih in kalcitnih obdobij je začrtanih dlje v preteklost.

Menijo, da so v geološkem času ti obsežni vzorci spremenili mešanico organizmov, ki so zgradili grebeni v morju. Stvari, ki se jih naučimo o karbonatni mineralizaciji in njenem odzivu na oceansko kemijo, je prav tako pomembno vedeti, ko poskušamo ugotoviti, kako se bo morje odzvalo na spremembe ozračja in podnebja, ki jih povzroči človek.