Kalcyt i aragonit w ziemskim cyklu węglowym

Możesz myśleć o węglu jako pierwiastku, który na Ziemi występuje głównie w żywych organizmach (to znaczy w materii organicznej) lub w atmosferze jako dwutlenek węgla. Oba te złoża geochemiczne są oczywiście ważne, ale ogromna większość węgla jest zamknięta minerały węglanowe. Są one prowadzone przez węglan wapnia, który przyjmuje dwie formy mineralne zwane kalcytem i aragonitem.

Aragonit i kalcyt mają ten sam wzór chemiczny, CaCO₃, ale ich atomy są ułożone w różne konfiguracje. To znaczy oni są polimorfy. (Innym przykładem jest trio cyjanitu, andaluzytu i sylimanitu). Aragonit ma strukturę rombową, a kalcyt strukturę trygonalną. Nasza galeria minerałów węglanowych obejmuje podstawy obu minerałów z punktu widzenia ogara: jak je zidentyfikować, gdzie się znajdują, niektóre z ich osobliwości.

Kalcyt jest ogólnie bardziej stabilny niż aragonit, chociaż wraz ze zmianą temperatur i ciśnień jeden z dwóch minerałów może przekształcić się w drugi. W warunkach powierzchniowych aragonit spontanicznie zamienia się w kalcyt w czasie geologicznym, ale przy wyższych ciśnieniach aragonit, gęstszy z nich, jest preferowaną strukturą. Wysokie temperatury działają na korzyść kalcytu. Przy nacisku powierzchniowym aragonit nie wytrzymuje długo temperatur powyżej około 400 ° C.

Skały wysokociśnieniowe i niskotemperaturowe blueschist fasady metamorficzne często zawierają żyły aragonitu zamiast kalcytu. Proces powrotu do kalcytu jest na tyle powolny, że aragonit może utrzymywać się w stanie metastabilnym, podobnie jak diament.

Czasami kryształ jednego minerału przekształca się w drugi minerał, zachowując swój pierwotny kształt jako pseudomorf: może wyglądać jak typowa gałka kalcytu lub igła aragonitowa, ale mikroskop petrograficzny pokazuje prawdziwa natura. Wielu geologów, dla większości celów, nie musi znać prawidłowego polimorfu i po prostu mówić o „węglanie”. Przez większość czasu węglanem w skałach jest kalcyt.

Chemia węglanu wapnia jest bardziej skomplikowana, jeśli chodzi o zrozumienie, który polimorf krystalizuje z roztworu. Proces ten jest powszechny w naturze, ponieważ żaden minerał nie jest dobrze rozpuszczalny, a obecność rozpuszczonego dwutlenku węgla (CO₂) w wodzie popycha je w kierunku wytrącania. W wodzie CO₂ występuje w równowadze z jonem wodorowęglanowym, HCO₃⁺i kwas węglowy, H₂WSPÓŁ₃, z których wszystkie są dobrze rozpuszczalne. Zmiana poziomu CO₂ wpływa na poziomy tych innych związków, ale CaCO₃ w środku tego łańcucha chemicznego właściwie nie ma innego wyjścia, jak wytrącić się jako minerał, który nie może szybko się rozpuścić i wrócić do wody. Ten jednokierunkowy proces jest głównym motorem geologicznego obiegu węgla.

Który układ jonów wapnia (Ca²⁺) i jonów węglanowych (CO₃^2–) wybierze, kiedy dołączą do CaCO₃ zależy od warunków w wodzie. W czystej słodkiej wodzie (i w laboratorium) przeważa kalcyt, szczególnie w zimnej wodzie. Formacje Cavestone są na ogół kalcytem. Cementy mineralne w wielu wapieniach i innych skałach osadowych są zwykle kalcytem.

Ocean jest najważniejszym siedliskiem w zapisie geologicznym, a mineralizacja węglanu wapnia jest ważną częścią życia oceanicznego i geochemii morskiej. Węglan wapnia wychodzi bezpośrednio z roztworu, tworząc warstwy mineralne na małych okrągłych cząstkach zwanych ooidami i tworząc cement z błota dna morskiego. To, który minerał krystalizuje, kalcyt lub aragonit, zależy od chemii wody.

Woda morska jest pełna jony które konkurują z wapniem i węglanem. Magnez (Mg²⁺) przylega do struktury kalcytu, spowalniając wzrost kalcytu i wtłaczając się w strukturę molekularną kalcytu, ale nie wpływa na aragonit. Jon siarczanowy (SO₄^–) hamuje także wzrost kalcytu. Cieplejsza woda i większy zapas rozpuszczonego węglanu sprzyjają aragonitowi, zachęcając go do wzrostu szybciej niż kalcyt.

Te rzeczy mają znaczenie dla żywych istot, które budują swoje skorupy i struktury z węglanu wapnia. Mięczaki, w tym małże i ramienionogi są znanymi przykładami. Ich skorupy nie są czystymi minerałami, ale zawiłymi mieszaninami mikroskopijnych kryształów węglanu związanych z białkami. Jednokomórkowe zwierzęta i rośliny sklasyfikowane jako plankton wytwarzają swoje skorupy lub testy w ten sam sposób. Innym ważnym czynnikiem wydaje się być to, że glony czerpią korzyści z wytwarzania węglanu, zapewniając sobie wystarczającą podaż CO₂ aby pomóc w fotosyntezie.

Wszystkie te stworzenia używają enzymów do budowy preferowanego minerału. Aragonit tworzy kryształy podobne do igieł, podczas gdy kalcyt tworzy bloki, ale wiele gatunków może z nich korzystać. Wiele skorup mięczaków używa aragonitu od wewnątrz i kalcytu na zewnątrz. Cokolwiek robią, zużywają energię, a gdy warunki oceaniczne sprzyjają jednemu lub drugiemu węglanowi, proces budowania skorupy wymaga dodatkowej energii, aby działać wbrew nakazom czystej chemii.

Oznacza to, że zmiana chemii jeziora lub oceanu powoduje karę dla niektórych gatunków, a przewagę dla innych. W czasie geologicznym ocean przesunął się między „morzami aragonitowymi” i „morzami kalcytowymi”. Dzisiaj jesteśmy w morze aragonitowe bogate w magnez - sprzyja wytrącaniu się aragonitu i kalcytu o dużej zawartości magnez. Morze kalcytu o niższej zawartości magnezu sprzyja kalcytowi o niskiej zawartości magnezu.

Sekretem jest świeży bazalt z dna morskiego, którego minerały reagują z magnezem w wodzie morskiej i wyciągają go z obiegu. Kiedy aktywność tektoniczna płyty jest silna, otrzymujemy morza kalcytu. Kiedy jest wolniejszy, a strefy rozprzestrzeniania się krótsze, powstają morza aragonitowe. Oczywiście jest w tym coś więcej. Ważne jest to, że istnieją dwa różne reżimy, a granica między nimi jest z grubsza, gdy magnez jest dwa razy bardziej obfity niż wapń w wodzie morskiej.

Ziemia ma morze aragonitowe od około 40 milionów lat temu (40 ma). Ostatni poprzedni okres morski aragonitowy przypadał między późnym okresem Missisipi a wczesnym okresem jurajskim (około 330 do 180 Ma), a następnie cofnął się w czasie najnowszy Prekambrian, przed 550 Ma. Pomiędzy tymi okresami Ziemia miała kalcyt morza. Więcej okresów aragonitu i kalcytu jest odwzorowywanych w czasie.

Uważa się, że w czasie geologicznym, te wielkoskalowe wzory zmieniły mieszankę stworzonych organizmów rafy w morzu. Ważne są również rzeczy, których dowiadujemy się o mineralizacji węglanu i jej reakcji na chemię oceanów wiedzieć, gdy próbujemy dowiedzieć się, jak morze zareaguje na wywołane przez człowieka zmiany atmosfery i klimat.