Kalcit és aragonit a Föld szénciklusában

Gondolhat a szénre mint olyan elemre, amely a Földön elsősorban az élőlényekben (azaz a szerves anyagban) vagy a légkörben található szén-dioxidként. Mindkét geokémiai tartály természetesen fontos, de a szén túlnyomó része be van zárva karbonát ásványok. Ezeket kalcium-karbonát vezet, amely két ásványi formát ölt, nevezett kalcitot és aragonitot.

Az Aragonit és a Kalcit kémiai képlete azonos, CaCO₃, de atomjaik különböző konfigurációkban vannak egymásra rakva. Vagyis vannak polimorf. (Egy másik példa a kianit, az andalúzit és a szilimanit hármasa.) Az Aragonit ortorombás felépítésű, és a kalcit trigonális szerkezetű. A karbonátos ásványok galéria bemutatja mindkét ásvány alapjait a kőhal szemszögéből: hogyan lehet őket azonosítani, hol találhatók, néhány sajátosságuk.

A kalcit általában stabilabb, mint az aragonit, bár a hőmérséklet és a nyomás változása esetén a két ásvány egyikének átalakulhat a másikra. Felszíni viszonyok között az aragonit spontán módon kalcittá alakul a geológiai idő alatt, de nagyobb nyomáson az aragonit, a kettő sűrűbbje az előnyös szerkezet. A magas hőmérséklet a kalcit javára működik. Felszíni nyomáson az aragonit hosszú ideig nem képes elviselni a 400 ° C körüli hőmérsékletet.

Magas nyomású, alacsony hőmérsékleti kőzetek kékpala a metamorf fák gyakran aragonit vénáit tartalmazzák a kalcit helyett. A kalcitra való visszatérés folyamata elég lassú ahhoz, hogy az aragonit metastabil állapotban fennmaradjon, hasonlóan a gyémánt.

Időnként az egyik ásvány kristálya átalakul a másik ásványig, miközben megőrzi eredeti alakját álnév: Úgy néz ki, mint egy tipikus kalcit gomb vagy aragonit tű, de a petrográfiai mikroszkóp megmutatja valódi természet. Sok geológusnak, a legtöbb célból, nem kell tudnia a helyes polimorfot, csak beszélnie kell a "karbonátról". A kőzetekben a karbonát legtöbbször kalcit.

A kalcium-karbonát kémiája bonyolultabb, ha megértjük, mely polimorf kristályosodik ki az oldatból. Ez a folyamat gyakori a természetben, mivel egyik ásvány sem oldódik jól, és oldott széndioxid (CO₂) a vízben a csapadék felé tolja őket. Vízben, CO₂ egyensúlyban van a HCO hidrogénkarbonát-ionnal₃⁺és szénsav, H₂CO₃, amelyek mindegyike jól oldódik. A CO szintjének megváltoztatása₂ befolyásolja ezen egyéb vegyületek szintjét, de a CaCO-t₃ ennek a kémiai láncnak a közepén nagyjából nincs más választása, mint ásványi anyagként kicsapódni, amely nem oldódik fel gyorsan és visszatér a vízbe. Ez az egyirányú folyamat a geológiai szénciklus egyik fő mozgatórugója.

Milyen elrendezésű a kalciumionok (Ca²⁺) és karbonát-ionok (CO₃^2–) úgy döntenek, hogy csatlakoznak a CaCO-hoz₃ a víz viszonyától függ. Tiszta édes vízben (és laboratóriumban) a kalcit uralkodik, főleg hideg vízben. A sírkő formációk általában kalcitok. Számos mészkőben és más üledékes kőzetekben található ásványi cement általában kalcit.

Az óceán a geológiai adatok legfontosabb élőhelye, a kalcium-karbonát-mineralizáció pedig az óceáni élet és a tengeri geokémia fontos része. A kalcium-karbonát közvetlenül jön ki az oldatból, hogy ásványi rétegeket képezzen az apró, kerek, részecskéknek nevezett, kerek részecskékön, és a tengerfenék iszapjának cementjét képezze. Melyik ásvány kristályosodik, a kalcit vagy aragonit, a víz kémiájától függ.

A tengervíz tele van ionok amelyek versengnek a kalciummal és a karbonáttal. Magnézium (Mg²⁺) ragaszkodik a kalciteszerkezethez, lelassítja a kalcit növekedését és kényszeríti magát a kalcit molekuláris szerkezetébe, de nem zavarja az aragonitot. Szulfát-ion (SO₄^–) szintén gátolja a kalcit növekedését. A melegebb víz és a nagyobb mennyiségű oldott karbonát támasztja az aragonitot azáltal, hogy ösztönzi a gyorsabb növekedésre, mint a kalcit képes.

Ezek a dolgok azoknak az élőlényeknek számítanak, amelyek héjaikat és szerkezetüket kalcium-karbonátból építik fel. Kagyló, beleértve a kagylók és lábafejűek ismerős példák. Héjuk nem tiszta ásványi anyag, hanem a mikroszkopikus karbonát kristályok bonyolult keverékei, amelyek a fehérjékkel vannak kötve. A planktonként besorolt ​​egysejtű állatok és növények ugyanígy készítik héjukat vagy teszteiket. Úgy tűnik, hogy egy másik fontos tényező, hogy az algák előnyei a karbonát előállításának, mivel maguk biztosítják a megfelelő CO-ellátást₂ hogy segítsen a fotoszintézisben.

Ezek a lények enzimeket használnak az ásványi anyagok előállításához. Az Aragonit tűs kristályokat készít, míg a kalcit blokkos kristályokat készít, de sok faj felhasználhatja mindkettőt. Sok puhatestű kagyló belsejében aragonitot, kívül pedig kalcitot használ. Bármit is használnak, energiát használnak, és amikor az óceáni feltételek kedvelik az egyik vagy más karbonátot, a héjépítési folyamat extra energiát igényel a tiszta kémia diktáta ellen.

Ez azt jelenti, hogy egy tó vagy az óceán kémiai megváltoztatása egyes fajokat bünteti, mások pedig előnyöket élveznek. A geológiai idők folyamán az óceán elmozdult az "aragonit tengerek" és a "kalcites tenger" között. Ma egy vagyunk aragonit-tenger, amely magas magnéziumtartalmú - elősegíti az aragonit és a kalcit kicsapását magnézium. A kalcitvíz, alacsonyabb magnéziumtartalmú, az alacsony magnéziumtartalmú kalcitot részesíti előnyben.

A titok a friss tengerfenék-bazalt, amelynek ásványi anyagai reagálnak a tengervízben található magnéziummal, és kivezetik a forgalomból. Ha a lemeztektonikus aktivitás erőteljes, akkor kalcit tengereket kapunk. Ha lassabb és a terjedési zónák rövidebbek, akkor aragonit tengereket kapunk. Természetesen ennél több is van. A lényeg az, hogy létezik a két különféle rendszer, és a határ közöttük nagyjából akkor van, ha a magnézium kétszer olyan bőséges, mint a tengervízben található kalcium.

Körülbelül 40 millió évvel ezelőtt (40 Ma) volt a Föld aragonit tengere. A legutóbbi aragonit-tengeri időszak a késő misszippi és a korai jura időszakban volt (kb. 330–180) Ma), és a következő visszatérés az utolsó Precambrian volt, 550 Ma előtt. Ezen időszakok között a Föld kalcitot tartalmazott tengeren. Több aragonit- és kalcit-periódust térképeznek előre az idővel.

Úgy gondolják, hogy a geológiai idők folyamán ezek a nagyméretű minták változást hoztak az épülő organizmusok keverékében zátonyok a tengerben. Fontosak azok a dolgok, amelyeket megtanulunk a karbonát-mineralizációról és az óceánkémiára adott válaszáról tudni, amikor megpróbáljuk kitalálni, hogyan reagál a tenger a légkörben és az ember által okozott változásokra éghajlat.