Kalcit a aragonit v uhlíkovém cyklu Země

Můžete považovat uhlík za prvek, který se na Zemi vyskytuje hlavně v živých věcech (tj. V organické hmotě) nebo v atmosféře jako oxid uhličitý. Obě tyto geochemické nádrže jsou samozřejmě důležité, ale převážná většina uhlíku je zavřená uhličitanové minerály. Tito jsou vedeni uhličitanem vápenatým, který vezme dvě minerální formy volaly kalcit a aragonit.

Aragonit a kalcit mají stejný chemický vzorec, CaCO₃, ale jejich atomy jsou naskládány do různých konfigurací. To znamená, že jsou polymorfy. (Další příklad je trojice kyanitu, andalusitu a sillimanitu.) Aragonit má ortorombickou strukturu a kalcit má trigonální strukturu. Naše galerie uhličitanových minerálů pokrývá základy obou minerálů z hlediska rockhoundů: jak je identifikovat, kde jsou nalezeny, některé z jejich zvláštností.

Kalcit je obecně stabilnější než aragonit, ačkoli se teploty a tlaky mění, může se jeden ze dvou minerálů přeměnit na druhý. Za povrchových podmínek se aragonit spontánně přemění na kalcit v průběhu geologického času, ale při vyšších tlacích je aragonit, hustší z nich, preferovanou strukturou. Vysoké teploty pracují ve prospěch kalcitu. Při povrchovém tlaku nemůže aragonit dlouho vydržet teploty nad kolem 400 ° C.

Vysokotlaké, nízkoteplotní horniny blueschist metamorfní fácie často obsahují žíly aragonitu místo kalcitu. Proces návratu zpět na kalcit je dostatečně pomalý, aby aragonit mohl přetrvávat v metastabilním stavu, podobně jako v případě diamant.

Někdy se krystal jednoho minerálu převede na druhý minerál, přičemž si zachová svůj původní tvar jako pseudomorf: může to vypadat jako typický kalcitový knoflík nebo aragonitová jehla, ale petrografický mikroskop ukazuje jeho pravá příroda. Mnoho geologů pro většinu účelů nemusí znát správný polymorf a pouze mluví o „uhličitanu“. Většinou je uhličitan ve skalách kalcit.

Chemie uhličitanu vápenatého je složitější, pokud jde o pochopení, který polymorf bude krystalizovat z roztoku. Tento proces je v přírodě běžný, protože žádný minerál není vysoce rozpustný a přítomnost rozpuštěného oxidu uhličitého (CO₂) ve vodě je tlačí k srážení. Ve vodě, CO₂ existuje v rovnováze s hydrogenuhličitanovým iontem, HCO₃⁺a kyselina uhličitá, H₂CO₃, z nichž všechny jsou vysoce rozpustné. Změna úrovně CO₂ ovlivňuje hladiny těchto dalších sloučenin, ale CaCO₃ uprostřed tohoto chemického řetězce nemá skoro na výběr, než srážet jako minerál, který se nemůže rychle rozpustit a vrátit se do vody. Tento jednosměrný proces je hlavním hnacím motorem geologického uhlíkového cyklu.

Jaké uspořádání iontů vápníku (Ca²⁺) a uhličitanové ionty (CO₃^2–) vybere, jak se připojí k CaCO₃ závisí na podmínkách ve vodě. V čisté sladké vodě (av laboratoři) převládá kalcit, zejména ve studené vodě. Cavestone formations jsou obecně kalcit. Minerální cementy v mnoha vápencích a dalších sedimentárních horninách jsou obecně vápenaté.

Oceán je nejdůležitějším stanovištěm v geologickém záznamu a mineralizace uhličitanu vápenatého je důležitou součástí oceánského života a mořské geochemie. Uhličitan vápenatý vychází přímo z roztoku a vytváří minerální vrstvy na malých kulatých částicích zvaných ooidy a tvoří cement bahna mořského dna. Který minerál krystalizuje, kalcit nebo aragonit, závisí na chemii vody.

Mořská voda je plná ionty které soutěží s vápníkem a uhličitanem. Hořčík (Mg²⁺) se drží na kalcitové struktuře, zpomaluje růst kalcitu a nutí se do molekulární struktury kalcitu, ale neovlivňuje aragonit. Síranový iont (SO₄^–) také potlačuje růst kalcitů. Teplejší voda a větší zásoba rozpuštěného uhličitanu upřednostňují aragonit tím, že ho povzbuzují k tomu, aby rostl rychleji než kalcitová plechovka.

Tyto věci záleží na živých věcech, které vytvářejí své skořápky a struktury z uhličitanu vápenatého. Mušle, včetně mlži a brachiopodové, jsou známé příklady. Jejich skořepiny nejsou čistě minerální, ale složité směsi mikroskopických krystalů uhličitanu vázaných spolu s proteiny. Jednobuněčná zvířata a rostliny klasifikované jako plankton vytvářejí své skořápky nebo testy stejným způsobem. Zdá se, že dalším důležitým faktorem je, že řasy těží z výroby uhličitanu tím, že si zajistí okamžitou dodávku CO₂ pomoci s fotosyntézou.

Všechna tato stvoření používají enzymy k vytvoření minerálu, který preferují. Aragonit vytváří jehličkovité krystaly, zatímco kalcit způsobuje krystaly, ale mnoho druhů jich může využít i jeden. Mnoho lastur měkkýšů používá aragonit zevnitř a kalcit z vnějšku. Ať už využívají energii cokoli, a když oceánské podmínky upřednostňují jeden uhličitan nebo jiný, proces vytváření skořápek vyžaduje další energii, aby pracoval proti diktátům čisté chemie.

To znamená, že změna chemie jezera nebo oceánu znevýhodňuje některé druhy a jiné výhody. V průběhu geologického času se oceán posunul mezi „aragonitová moře“ a „kalcitová moře“. Dnes jsme v aragonitové moře s vysokým obsahem hořčíku - zvýhodňuje srážení aragonitu plus kalcit, který je vysoko v hořčík. Kalcitové moře s nižším obsahem hořčíku zvýhodňuje kalcit s nízkým obsahem hořčíku.

Tajemství je čerstvý čedič mořského dna, jehož minerály reagují s hořčíkem v mořské vodě a vytáhnou jej z oběhu. Když je tektonická aktivita talíře intenzivní, získáme kalcitová moře. Když je to pomalejší a šířící se zóny jsou kratší, dostaneme aragonitová moře. Samozřejmě je toho víc než to. Důležité je, že existují dva různé režimy a hranice mezi nimi je zhruba, když je hořčík dvakrát tak hojný jako vápník v mořské vodě.

Země má aragonitové moře již zhruba před 40 miliony let (40 Ma). Poslední předchozí aragonitské mořské období bylo mezi pozdním Mississippianem a časným Jurským časem (asi 330 až 180) Ma) a další návrat v čase byl poslední Precambrian, před 550 Ma. Mezi těmito obdobími měla Země kalcit moře. Další aragonitové a kalcitové periody jsou mapovány dále zpět v čase.

Předpokládá se, že v průběhu geologického času tyto rozsáhlé vzorce změnily ve směsi organismů, které se budovaly útesy v moři. Důležité jsou také věci, které se dozvíme o mineralizaci uhličitanu a jeho reakci na chemii oceánů vědět, jak se snažíme zjistit, jak moře bude reagovat na změny způsobené člověkem v atmosféře a podnebí.