Kalcitas ir aragonitas žemės anglies cikle

Galite galvoti apie anglį kaip elementą, kuris Žemėje randamas daugiausia gyvuose daiktuose (tai yra organinėse medžiagose) arba atmosferoje kaip anglies dioksidas. Abu šie geocheminiai rezervuarai, be abejo, yra svarbūs, tačiau didžioji dalis anglies yra užrakinta karbonato mineralai. Juos veda kalcio karbonatas, kuris yra dviejų mineralų pavidalu vadinamas kalcitu ir aragonitu.

Aragonito ir kalcito cheminė formulė yra ta pati - CaCO₃, tačiau jų atomai sudėti į skirtingas konfigūracijas. Tai yra, jie yra polimorfai. (Kitas pavyzdys yra kianito, andalūzito ir sillimanito trijulė.) Aragonitas turi ortorombinę struktūrą ir kalcito trigonalinę struktūrą. Mūsų karbonatinių mineralų galerijoje pateikiami abiejų mineralų pagrindai rokiškėno požiūriu: kaip juos atpažinti, kur jie randami, kai kurie jų ypatumai.

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

Aukšto slėgio, žemos temperatūros uolienos bliuzistas metamorfinėse gamyklose dažnai būna aragonito venos, o ne kalcitas. Grįžimas į kalcitą vyksta pakankamai lėtai, kad aragonitas galėtų išlikti metastabilioje būsenoje, panašioje į deimantas.

Kartais vieno mineralo kristalai virsta kitu mineralu, išlaikant savo pradinę formą kaip a pseudomorfas: jis gali atrodyti kaip tipiška kalcito rankenėlė ar aragonito adata, tačiau petrografinis mikroskopas parodo savo tikroji prigimtis. Daugeliui geologų daugeliu atvejų nereikia žinoti teisingo polimorfo ir kalbėti tik apie „karbonatą“. Dažniausiai uolienose esantis karbonatas yra kalcitas.

Kalcio karbonato chemija yra sudėtingesnė, kai reikia suprasti, kuris polimorfas išsikristalizuos iš tirpalo. Šis procesas yra įprastas, nes nė vienas mineralas mažai tirpsta, o jame yra ištirpusio anglies dioksido (CO₂) vandenyje stumia juos link. Vandenyje, CO₂ egzistuoja pusiausvyroje su bikarbonato jonu, HCO₃⁺ir anglies rūgštis, H₂CO₃, visi jie gerai tirpsta. Keičiamas CO lygis₂ turi įtakos šių kitų junginių lygiui, bet CaCO₃ viduryje šios cheminės grandinės beveik nėra kito pasirinkimo, kaip tik nusodinti kaip mineralą, kuris negali greitai ištirpti ir grįžti į vandenį. Šis vienpusis procesas yra pagrindinis geologinio anglies ciklo variklis.

Kuris kalcio jonų išdėstymas (Ca²⁺) ir karbonato jonai (CO₃^2–) pasirinks, kai prisijungs prie CaCO₃ priklauso nuo sąlygų vandenyje. Švariame gėlame vandenyje (ir laboratorijoje) vyrauja kalcitas, ypač vėsiame vandenyje. Cavestone formacijos paprastai yra kalcito. Mineraliniai cementai, esantys daugelyje kalkakmenių ir kitų nuosėdinių uolienų, paprastai yra kalcito.

Vandenynas yra svarbiausia geologinių įrašų buveinė, o kalcio karbonato mineralizacija yra svarbi vandenynų gyvybės ir jūrų geochemijos dalis. Kalcio karbonatas tiesiogiai išeina iš tirpalo, sudarydamas mineralinius sluoksnius ant mažų apvalių dalelių, vadinamų ooidais, ir sudarydamas jūros dugno purvo cementą. Kuris mineralas kristalizuojasi, kalcitas ar aragonitas, priklauso nuo vandens chemijos.

Jūros vandens pilna jonai kurie konkuruoja su kalciu ir karbonatu. Magnis (Mg²⁺) prilimpa prie kalcito struktūros, sulėtindamas kalcito augimą ir priversdamas save į kalcito molekulinę struktūrą, tačiau tai netrukdo aragonitui. Sulfato jonas (SO₄^–) taip pat slopina kalcito augimą. Šiltesnis vanduo ir didesnis ištirpusio karbonato kiekis palankiai veikia aragonitą, nes skatina jį augti greičiau, nei gali kalcitas.

Šie dalykai svarbūs gyviesiems daiktams, kurie savo apvalkalą ir konstrukcijas kuria iš kalcio karbonato. Moliuskai, įskaitant dvigeldžiai ir brachiopodai, yra žinomi pavyzdžiai. Jų lukštai nėra grynas mineralas, o sudėtingi mikroskopinių karbonato kristalų mišiniai, surišti kartu su baltymais. Vienaląsčiai gyvūnai ir augalai, klasifikuojami kaip planktonas, savo lukštus ar bandymus daro tuo pačiu būdu. Atrodo, kad dar vienas svarbus veiksnys yra tai, kad dumbliai gauna naudos iš karbonatų, nes patys užtikrina tinkamą CO tiekimą₂ padėti fotosintezei.

Visi šie padarai naudoja fermentus norimo mineralo konstravimui. Aragonitas daro adatinius kristalus, o kalcitas - blokinius, tačiau juos gali naudoti daugelis rūšių. Daugelyje moliuskų kiautų iš vidaus naudojamas aragonitas, o išorėje - kalcitas. Kad ir kaip jie darytų energiją, o vandenyno sąlygos palankiai veikia vieną ar kitą karbonatą, kriauklių kūrimo procesas reikalauja papildomos energijos, kad būtų galima paveikti grynos chemijos diktatą.

Tai reiškia, kad pakeitus ežero ar vandenyno chemiją, kai kurios rūšys yra nepalankios, o kitos - pranašesnės. Per geologinį laiką vandenynas pasikeitė tarp „aragonito jūrų“ ir „kalcito jūrų“. Šiandien mes esame aragonito jūra, kurioje yra daug magnio - ji skatina aragonito ir kalcito, kuriame yra daug, kritulius magnio. Kalcio jūra, kurioje yra mažiau magnio, palaiko mažai magnio turintį kalcitą.

Paslaptis yra šviežias jūros dugno bazaltas, kurio mineralai reaguoja su jūros vandenyje esančiu magniu ir ištraukia jį iš apyvartos. Kai plaktinis tektoninis aktyvumas yra aktyvus, mes gauname kalcito jūras. Kai jis lėtesnis ir plitimo zonos trumpesnės, gauname aragonitines jūras. Be abejo, yra daugiau. Svarbu tai, kad egzistuoja du skirtingi režimai, o riba tarp jų yra maždaug tada, kai magnio yra du kartus daugiau nei kalcio jūros vandenyje.

Nuo maždaug 40 milijonų metų (40 Ma) žemė turėjo aragonitinę jūrą. Vėliausias ankstesnis aragonito jūros laikotarpis buvo tarp vėlyvojo Misisipės ir ankstyvojo Juros periodo (apie 330–180 Ma), o kitas grįžimas atgal buvo paskutinis Precambrian, prieš 550 Ma. Tarp šių laikotarpių Žemėje buvo kalcito jūros. Daugiau aragonito ir kalcito periodų yra atvaizduojama tolimesniame laike.

Manoma, kad per geologinį laiką šie didelio masto modeliai padarė įtaką organizmų, kurie sukūrė, mišinį rifai jūroje. Svarbu ir tai, ko sužinojome apie karbonato mineralizaciją ir jos reakciją į vandenynų chemiją bandome išsiaiškinti, kaip jūra reaguos į žmogaus sukeltus atmosferos pokyčius ir klimatas.