Kalcitas prieš aragonitą

Kalcito, mėlynojo aragonito, opalo, sodalito gabalėliai.

Dorling Kindersley / Getty Images

Galite galvoti apie anglį kaip apie elementą, kuris Žemėje daugiausia randamas gyvuose daiktuose (ty organinėse medžiagose) arba atmosferoje kaip anglies dioksidas. Žinoma, abu šie geocheminiai rezervuarai yra svarbūs, tačiau didžioji dalis anglies yra užrakinta karbonatiniai mineralai . Jiems vadovauja kalcio karbonatas, kuris turi dvi mineralines formas, vadinamas kalcitu ir aragonitu.

Kalcio karbonato mineralai uolienose

Aragonitas ir kalcitas turi tą pačią cheminę formulę – CaCO₃, tačiau jų atomai yra sukrauti skirtingomis konfigūracijomis. Tai yra, jie yra polimorfai . (Kitas pavyzdys – kianito, andalūzito ir silimanito trijulė.) Aragonitas turi ortorombinę struktūrą, o kalcitas – trigonalinę struktūrą. Mūsų karbonatinių mineralų galerija apima abiejų mineralų pagrindus roko šunų požiūriu: kaip juos atpažinti, kur jie randami, kai kuriuos jų ypatumus.

Kalcitas apskritai yra stabilesnis nei aragonitas, nors keičiantis temperatūrai ir slėgiui vienas iš dviejų mineralų gali virsti kitu. Paviršiaus sąlygomis aragonitas spontaniškai virsta kalcitu per geologinį laiką, tačiau esant didesniam slėgiui aragonitas, tankesnis iš dviejų, yra tinkamiausia struktūra. Aukšta temperatūra veikia kalcito naudai. Esant paviršiaus slėgiui, aragonitas negali ilgai ištverti aukštesnės nei 400 °C temperatūros.

Aukšto slėgio, žemos temperatūros uolienos mėlynakis metamorfiniuose fasuose dažnai vietoj kalcito yra aragonito gyslų. Grįžimo į kalcitą procesas yra pakankamai lėtas, kad aragonitas gali išlikti metastabilioje būsenoje, panašiai kaip deimantas .

Kartais vieno mineralo kristalas virsta kitu mineralu, išsaugant savo pirminę formą kaip pseudomorfas: jis gali atrodyti kaip tipiškas kalcito gumbelis ar aragonito adata, tačiau petrografinis mikroskopas parodo tikrąją jo prigimtį. Daugeliui geologų daugeliu atvejų nereikia žinoti teisingo polimorfo ir tiesiog kalbėti apie „karbonatą“. Didžiąją laiko dalį uolienose esantis karbonatas yra kalcitas.

Kalcio karbonato mineralai vandenyje

Kalcio karbonato chemija yra sudėtingesnė, kai reikia suprasti, kuris polimorfas kristalizuojasi iš tirpalo. Šis procesas yra įprastas gamtoje, nes nė vienas mineralas nėra labai tirpus ir yra ištirpusio anglies dioksido (CO_du) vandenyje stumia juos link kritulių. Vandenyje CO_duegzistuoja pusiausvyroje su bikarbonato jonu, HCO₃⁺ir anglies rūgštis, H_duCO₃, kurie visi puikiai tirpsta. Keičiant CO lygį_duturi įtakos šių kitų junginių kiekiui, bet CaCO₃šios cheminės grandinės viduryje beveik neturi kito pasirinkimo, kaip tik nusodinti kaip mineralas, kuris negali greitai ištirpti ir grįžti į vandenį. Šis vienpusis procesas yra pagrindinis geologinio anglies ciklo variklis.

Kokiu išsidėstymu kalcio jonai (Ca²⁺) ir karbonato jonai (CO₃^du-) pasirinks prisijungdami prie CaCO₃priklauso nuo sąlygų vandenyje. Švariame gėlame vandenyje (ir laboratorijoje) vyrauja kalcitas, ypač vėsiame vandenyje. Urvinių akmenų dariniai paprastai yra kalcitas. Daugelyje kalkakmenių ir kitų nuosėdinių uolienų mineralinis cementas paprastai yra kalcitas.

Vandenynas yra svarbiausia geologinių įrašų buveinė, o kalcio karbonato mineralizacija yra svarbi vandenyno gyvenimo ir jūros geochemijos dalis. Kalcio karbonatas išeina tiesiai iš tirpalo, kad susidarytų mineraliniai sluoksniai ant mažų apvalių dalelių, vadinamų ooidais, ir sudarytų jūros dugno purvo cementą. Kuris mineralas kristalizuojasi, kalcitas ar aragonitas, priklauso nuo vandens chemijos.

Jūros vanduo pilnas jonų kurie konkuruoja su kalciu ir karbonatu. Magnis (Mg²⁺) prilimpa prie kalcito struktūros, sulėtindamas kalcito augimą ir įsitraukdamas į kalcito molekulinę struktūrą, bet netrukdo aragonitui. Sulfato jonai (SO₄^–) taip pat slopina kalcito augimą. Šiltesnis vanduo ir didesnis ištirpusio karbonato kiekis skatina aragonitui augti greičiau nei gali kalcitas.

Kalcito ir Aragonito jūros

Šie dalykai svarbūs gyviems daiktams, kurie savo apvalkalus ir struktūras kuria iš kalcio karbonato. Moliuskai, įskaitant dvigeldžiai ir brachiopodai, yra žinomi pavyzdžiai. Jų apvalkalai nėra gryni mineraliniai, o sudėtingi mikroskopinių karbonato kristalų, sujungtų su baltymais, mišiniai. Vienaląsčiai gyvūnai ir augalai, klasifikuojami kaip planktonas, savo kiautus arba testus gamina taip pat. Kitas svarbus veiksnys, atrodo, yra tai, kad dumbliai gauna naudos iš karbonato, nes užtikrina jiems paruoštą CO tiekimą_dupadėti fotosintezei.

Visos šios būtybės naudoja fermentus, kad sukurtų pageidaujamą mineralą. Iš aragonito susidaro adatiniai kristalai, o iš kalcito – blokiniai, tačiau daugelis rūšių gali panaudoti bet kurį iš jų. Daugelio moliuskų kriauklių viduje naudojamas aragonitas, o išorėje – kalcitas. Kad ir ką jie darytų, naudojama energija, o kai vandenyno sąlygos yra palankios vienam ar kitam karbonatui, apvalkalo kūrimo procesui reikia papildomos energijos, kad būtų išvengta grynos chemijos diktato.

Tai reiškia, kad ežero ar vandenyno cheminės sudėties pakeitimas kai kurioms rūšims nukenčia, o kitoms suteikia naudos. Per geologinį laiką vandenynas pasislinko tarp „aragonito jūrų“ ir „kalcito jūrų“. Šiandien mes esame aragonito jūroje, kurioje yra daug magnio – tai skatina aragonito ir kalcito, kuriame yra daug magnio, nusodinimą. Kalcito jūra, kurioje mažai magnio, teikia pirmenybę mažai magnio turinčiam kalcitui.

Paslaptis – šviežias jūros dugno bazaltas, kurio mineralai reaguoja su jūros vandenyje esančiu magniu ir ištraukia jį iš apyvartos. Kai plokščių tektoninis aktyvumas yra energingas, gauname kalcito jūras. Kai jis lėtesnis, o plitimo zonos trumpesnės, gauname aragonito jūras. Žinoma, yra daugiau nei tai. Svarbu tai, kad egzistuoja du skirtingi režimai, o riba tarp jų yra maždaug tada, kai magnio jūros vandenyje yra dvigubai daugiau nei kalcio.

Maždaug prieš 40 milijonų metų Žemėje buvo aragonito jūra (40 mln. Naujausias ankstesnis aragonito jūros periodas buvo tarp vėlyvojo Misisipės ir ankstyvojo Juros periodo (apie 330–180 mln. mln.), o kitas laikas atgal buvo vėlyviausias Prekambras, prieš 550 mln. Tarp šių laikotarpių Žemėje buvo kalcito jūros. Daugiau aragonito ir kalcito laikotarpių atvaizduojama tolimesniu laiku.

Manoma, kad per geologinį laiką šie didelio masto modeliai pakeitė organizmų, kurie sukūrė rifai jūroje. Dalykus, kuriuos sužinome apie karbonato mineralizaciją ir jo reakciją į vandenyno chemiją, taip pat svarbu žinoti bandant išsiaiškinti, kaip jūra reaguos į žmogaus sukeltus atmosferos ir klimato pokyčius.