Калцит и арагонит у Земљином циклусу угљеника

Можете сматрати угљеник елементом који се на Земљи налази углавном у живим бићима (то јест у органској материји) или у атмосфери као угљен диоксид. Оба геохемијска резервоара су наравно важна, али велика већина угљеника је закључана карбонатни минерали. Њих води калцијум карбонат који узима два минерална облика под називом калцит и арагонит.

Арагонит и калцит имају исту хемијску формулу, ЦаЦО₃, али њихови атоми су сложени у различитим конфигурацијама. Односно полиморфи. (Други пример је трио кианита, андалусита и силиманита.) Арагонит има орторомбицну структуру и калцит је тригоналну структуру. Наша галерија карбонатних минерала покрива основе оба минерала са становишта роцкхоунда: како их препознати, где су пронађени, неке од њихових особитости.

Калцит је углавном стабилнији од арагонита, мада се температуре и притисци мењају, један од два минерала може се претворити у други. У површинским условима, арагонит се спонтано претвара у калцит током геолошког времена, али при већим притисцима арагонит, гушћи од два, је пожељна структура. Високе температуре делују у корист калцита. При површинском притиску, арагонит не може дуго да издржи температуре изнад око 400 ° Ц.

Камење високог притиска и ниске температуре блуесхист метаморфне фације често садрже вене арагонита уместо калцита. Процес повратка на калцит је довољно спор да арагонит може да остане у метастабилном стању, слично дијамант.

Понекад се кристал једног минерала претвара у други минерал задржавајући његов првобитни облик као псеудоморф: може изгледати као типична калцитна ручица или арагонитна игла, али петрографски микроскоп показује своје права природа. Многи геолози, у већини сврха, не морају да знају тачан полиморф и само говоре о „карбонату“. Већину времена карбонат у стенама је калцит.

Хемија калцијум-карбоната је сложенија када је у питању разумевање који ће полиморфни облик кристализирати из раствора. Овај поступак је уобичајен у природи, јер ниједан минерал није растворљив и присуство раствореног угљен-диоксида (ЦО₂) у води их гура према таложењу. У води, ЦО₂ постоји у равнотежи са ионом бикарбоната, ХЦО₃⁺и угљеничне киселине, Х₂ЦО₃, а сви су високо растворљиви. Промена нивоа ЦО₂ утиче на нивое тих других једињења, али ЦаЦО₃ у средини овог хемијског ланца прилично нема другог избора осим да се таложи као минерал који се не може брзо растворити и вратити у воду. Овај једносмјерни процес је главни покретач геолошког угљиковог циклуса.

Који распоред амона калцијума (Ца²⁺) и карбонатни јони (ЦО₃^2–) ће изабрати када се придруже ЦаЦО₃ зависи од услова у води. У чистој слаткој води (и у лабораторији) преовлађује калцит, посебно у хладној води. Форма пећинског камена је обично калцит. Минерални цементи у многим вапненима и осталим седиментним стијенама углавном су калцити.

Океан је најважније станиште у геолошком запису, а минерализација калцијум-карбоната је важан део океанског живота и морске геохемије. Калцијум карбонат долази директно из раствора, чиме се формирају минерални слојеви на ситним округлим честицама званим ооиди и формира цемент морског дна. Који минерал се кристализује, калцит или арагонит, зависи од хемије воде.

Морска вода је пуна јони који се такмиче са калцијумом и карбонатом. Магнезијум (Мг)²⁺) веже се за калцитну структуру, успоравајући раст калцита и присиљавајући се на молекуларну структуру калцита, али он не омета арагонит. Сулфатни јони (СО₄^–) такође сузбија раст калцита. Топлија вода и већа количина раствореног карбоната погодују арагониту подстичући га да расте брже него што може калцит.

Ове ствари су важне за жива бића која граде своје шкољке и структуре од калцијум-карбоната. Шкољке, укључујући шкољке и брахиоподи су познати примери. Њихове шкољке нису чисти минерал, већ замршене смеше микроскопских кристала карбоната везаних заједно са протеинима. Једноћелијске животиње и биљке класификоване као планктон праве своје љуске или тестове на исти начин. Чини се да је још један важан фактор то што алге имају користи од стварања карбоната обезбеђујући себи спремну ЦО₂ да помогне у фотосинтези.

Сва ова створења користе ензиме како би изградили минерал који им је дражи. Арагонит ствара игласте кристале, док калцит ствара блокаде, али многе врсте могу користити било који од њих. Многе шкољке мекушаца користе арагонит са унутрашње стране и калцит са спољашње стране. Без обзира што они користе енергију, и када океански услови фаворизују један или други карбонат, процес стварања шкољки одузима додатну енергију да делује против диктата чисте хемије.

То значи да промена хемије језера или океана кажњава неке врсте и даје предност другима. Током геолошког времена океан се пребацио између "арагонитних мора" и "калцитних мора". Данас смо у море арагонита са високим удјелом магнезијума - погодује таложењу арагонита плус калциту који има велику количину магнезијум. Море калцита, мање магнезијума, погодује калциту са мало магнезијума.

Тајна је у свежем морском дну базалта, чији минерали реагирају са магнезијумом у морској води и извлаче га из промета. Кад је тектонска активност плоча снажна, добивамо калцитна мора. Кад је спорије и зоне ширења су краће, добивамо море арагонита. Има више од тога, наравно. Важно је да постоје два различита режима, а граница између њих је отприлике када је магнезијум двоструко обилнији од калцијума у ​​морској води.

Земља има арагонитно море од пре отприлике 40 милиона година (40 Ма). Најновији претходни период арагонита у мору био је између касног мисиспипског и раног јурског времена (око 330 до 180 Ма), а следећи повратак у прошлост био је најновији преткамбријум, пре 550 Ма. Између тих периода, Земља је имала калцит мора. Више арагонитних и калцитних периода се пресликавају даље у времену.

Сматра се да су током овог геолошког времена ови обимни обрасци направили разлику у мешавини организама који су се градили гребени у мору. Такође су важне ствари које учимо о минерализацији карбоната и њеном одговору на хемију океана да знамо док покушавамо да схватимо како ће море одговорити на промене атмосфере и проузроковане људима клима.