Kalcit a aragonit v uhlíkovom cykle Zeme

Uhlík môžete považovať za prvok, ktorý sa na Zemi vyskytuje hlavne v živých veciach (tj v organických látkach) alebo v atmosfére ako oxid uhličitý. Obe tieto geochemické nádrže sú, samozrejme, dôležité, ale veľká väčšina uhlíka je zablokovaná uhličitanové minerály. Tieto sú vedené uhličitanom vápenatým, ktorý má dve minerálne formy nazývané kalcit a aragonit.

Aragonit a kalcit majú rovnaký chemický vzorec, CaCO₃, ale ich atómy sú usporiadané do rôznych konfigurácií. To znamená, že sú polymorfov. (Ďalším príkladom je trio kyanitu, andalusitu a sillimanitu.) Aragonit má ortorombickú štruktúru a kalcit má trigonálnu štruktúru. Naša galéria uhličitanových minerálov pokrýva základy oboch minerálov z hľadiska rockhoundov: ako ich identifikovať, kde sú nájdené, niektoré z ich zvláštností.

Kalcit je vo všeobecnosti stabilnejší ako aragonit, aj keď sa teploty a tlaky menia, jeden z týchto dvoch minerálov sa môže zmeniť na druhý. V podmienkach povrchu sa aragonit spontánne premení na kalcit v priebehu geologického času, ale pri vyšších tlakoch je aragonit, hustejšia z týchto dvoch, preferovanou štruktúrou. Vysoké teploty pracujú v prospech kalcitu. Pri povrchovom tlaku nemôže aragonit dlho vydržať teploty nad 400 ° C.

Vysokotlakové, nízkoteplotné horniny blueschist metamorfické fácie často obsahujú žily aragonitu namiesto kalcitu. Proces návratu späť na kalcit je dosť pomalý, aby aragonit mohol pretrvávať v metastabilnom stave, podobne ako v prípade diamant.

Niekedy sa kryštál jedného minerálu premení na druhý minerál, pričom si zachová svoj pôvodný tvar ako pseudomorf: môže to vyzerať ako typický gombík na kalcit alebo aragonitová ihla, ale petrografický mikroskop ukazuje jeho pravá príroda. Mnoho geológov z väčšiny dôvodov nepotrebuje poznať správny polymorf a iba hovorí o „uhličitane“. Uhličitan v horninách je väčšinou kalcit.

Chémia uhličitanu vápenatého je zložitejšia, pokiaľ ide o pochopenie toho, ktorý polymorf bude kryštalizovať z roztoku. Tento proces je svojou povahou bežný, pretože ani jeden minerál nie je vysoko rozpustný a prítomnosť rozpusteného oxidu uhličitého (CO₂) ich vo vode tlačí smerom k zrážaniu. Vo vode CO₂ existuje v rovnováhe s hydrogenuhličitanovým iónom, HCO₃⁺a kyselina uhličitá, H₂CO₃, ktoré sú všetky veľmi rozpustné. Zmena úrovne CO₂ ovplyvňuje hladiny týchto ďalších zlúčenín, ale CaCO₃ Uprostred tohto chemického reťazca nemá skoro na výber, ale vyzrážať sa ako minerál, ktorý sa nemôže rýchlo rozpustiť a vrátiť sa do vody. Tento jednosmerný proces je hlavným motorom geologického cyklu uhlíka.

Ktoré usporiadanie iónov vápnika (Ca²⁺) a uhličitanové ióny (CO₃^2–) vyberie, keď sa pripoja k CaCO₃ závisí od podmienok vo vode. V čistej sladkej vode (av laboratóriu) prevažuje kalcit, najmä v studenej vode. Jaskynné útvary sú zvyčajne kalcit. Minerálne cementy v mnohých vápencoch a iných sedimentárnych horninách sú zvyčajne kalcitom.

Oceán je najdôležitejším biotopom geologického záznamu a mineralizácia uhličitanu vápenatého je dôležitou súčasťou oceánskeho života a morskej geochémie. Uhličitan vápenatý pochádza priamo z roztoku a vytvára minerálne vrstvy na malých okrúhlych časticiach nazývaných ooidy a tvorí cement z morského dna. Ktorý minerál kryštalizuje, kalcit alebo aragonit, závisí od chémie vody.

Morská voda je plná ióny ktoré súťažia s vápnikom a uhličitanom. Horčík (Mg²⁺) sa drží na kalcitovej štruktúre, spomaľuje rast kalcitu a tlačí sa na molekulárnu štruktúru kalcitu, ale neovplyvňuje aragonit. Síranový ión (SO₄^–) tiež potláča rast kalcitu. Teplejšia voda a väčšie množstvo rozpusteného uhličitanu uprednostňuje aragonit tým, že ho povzbudzuje k rýchlejšiemu rastu ako môže kalcit.

Na týchto veciach záleží na živých veciach, ktoré vytvárajú svoje škrupiny a štruktúry z uhličitanu vápenatého. Kôrovce vrátane lastúrniky a brachiopody, sú známe príklady. Ich škrupiny nie sú čisté minerály, ale zložité zmesi mikroskopických kryštálov uhličitanu viazaných spolu s proteínmi. Jednobunkové zvieratá a rastliny klasifikované ako planktón vyrábajú svoje škrupiny alebo testy rovnakým spôsobom. Zdá sa, že ďalším dôležitým faktorom je, že riasy profitujú z výroby uhličitanu tým, že si zabezpečujú pohotovú dodávku CO₂ pomôcť s fotosyntézou.

Všetky tieto tvory používajú enzýmy na vytvorenie minerálu, ktorý uprednostňujú. Aragonit vytvára ihličkovité kryštály, zatiaľ čo kalcit spôsobuje blokátory, ale mnoho druhov ich môže využiť. Mnoho lastúrnikov mäkkýšov používa vo vnútri aragonit a na vonkajšej strane kalcit. Čokoľvek používajú energiu, a keď oceánske podmienky uprednostňujú jeden uhličitan alebo iný, proces vytvárania škrupín vyžaduje ďalšiu energiu, aby pôsobil proti diktátom čistej chémie.

To znamená, že zmena chémie jazera alebo oceánu znevýhodňuje niektoré druhy a iné výhody. V priebehu geologického času sa oceán posunul medzi „aragonitové moria“ a „kalcitové moria“. Dnes sme v aragonitové more s vysokým obsahom horčíka - uprednostňuje zrážanie aragonitu plus kalcit, ktorý je vysoko v nich horčíka. Kalcitové more s nízkym obsahom horčíka uprednostňuje kalcit s nízkym obsahom horčíka.

Tajomstvo je čerstvý čadič z morského dna, ktorého minerály reagujú s horčíkom v morskej vode a vytiahnu ho z obehu. Keď je tanierová tektonická aktivita silná, dostávame kalcitové moria. Keď je to pomalšie a šíriace sa zóny sú kratšie, dostaneme aragonitové moria. Samozrejme je toho viac. Dôležité je, že existujú dva rôzne režimy a hranica medzi nimi je zhruba, keď je horčík dvakrát tak hojný ako vápnik v morskej vode.

Zem má aragonitové more už zhruba pred 40 miliónmi rokov (40 mil.). Posledné predchádzajúce obdobie aragonitského mora bolo medzi neskorým Mississippianom a začiatkom jury (okolo 330 až 180 rokov) Ma) a ďalší návrat v čase bol posledný Predkambrian, pred 550 Ma. Medzi týmito obdobiami mala Zem kalcit morí. Viac aragonitových a kalcitových období sa mapuje ďalej v čase.

Predpokladá sa, že v priebehu geologického času tieto rozsiahle vzorce zmenili zloženie organizmov, ktoré sa vytvorili útesy v mori. Dôležité sú aj veci, ktoré sa dozvedáme o mineralizácii uhličitanov a ich reakcii na chémiu oceánov vedieť, ako sa snažíme prísť na to, ako bude more reagovať na zmeny spôsobené atmosférou a človekom klímy.