Калцит и арагонит в въглеродния цикъл на Земята

Може да мислите за въглерода като за елемент, който на Земята се намира главно в живите същества (тоест в органичната материя) или в атмосферата като въглероден диоксид. И двата геохимични резервоара са важни, разбира се, но по-голямата част от въглерода е затворена карбонатни минерали. Те се водят от калциев карбонат, който приема две минерални форми, наречени калцит и арагонит.

Арагонитът и калцитът имат една и съща химична формула, CaCO₃, но техните атоми са подредени в различни конфигурации. Тоест, те са полиморфни. (Друг пример е триото на кианит, андалузит и силиманит.) Арагонитът има орторомбична структура и калцит тригонална структура. Нашата галерия от карбонатни минерали обхваща основите на двата минерала от гледна точка на скалата: как да ги идентифицираме, къде са намерени, някои от техните особености.

Калцитът е по-стабилен по принцип от арагонит, въпреки че температурите и налягането се променят, единият от двата минерала може да се превърне в другия. При повърхностни условия арагонитът спонтанно се превръща в калцит през геоложки време, но при по-високи налягания арагонитът, по-плътният от двете, е предпочитаната структура. Високите температури действат в полза на калцита. При повърхностно налягане арагонитът не може да издържи температурите над около 400 ° C дълго.

Високо налягане, нискотемпературни скали на blueschist метаморфните фации често съдържат вени от арагонит вместо калцит. Процесът на връщане към калцит е достатъчно бавен, че арагонитът може да се запази в метастабилно състояние, подобно на диамант.

Понякога кристал от един минерал се превръща в другия минерал, като запазва първоначалната си форма като псевдоморф: може да изглежда като типично калцитно копче или арагонитова игла, но петрографският микроскоп показва истинска природа. Много геолози, за повечето цели, не е необходимо да знаят правилната полиморфа и просто говорят за „карбонат“. През повечето време карбонатът в скалите е калцит.

Химията на калциевия карбонат е по-сложна, когато става въпрос за разбиране коя полиморфа ще кристализира извън разтвора. Този процес е често срещан в природата, тъй като нито един минерал не е силно разтворим и наличието на разтворен въглероден диоксид (CO₂) във вода ги тласка към утаяване. Във вода, CO₂ съществува в баланс с бикарбонатния йон, HCO₃⁺и въглеродна киселина, H₂CO₃, всички от които са силно разтворими. Промяна на нивото на СО₂ влияе на нивата на тези други съединения, но CaCO₃ в средата на тази химическа верига почти няма друг избор, освен да се утаи като минерал, който не може да се разтвори бързо и да се върне във водата. Този еднопосочен процес е основен двигател на геологичния въглероден цикъл.

Кое разположение на калциевите йони (Са²⁺) и карбонатни йони (СО₃^2–) ще изберат, когато се присъединят към CaCO₃ зависи от условията във водата. В чистата сладка вода (и в лабораторията) преобладава калцитът, особено в хладна вода. Пещерните образувания обикновено са калцитни. Минералните цименти в много варовици и други утаечни скали обикновено са калцитни.

Океанът е най-важното местообитание в геоложките записи, а минерализацията на калциев карбонат е важна част от океанския живот и морската геохимия. Калциевият карбонат излиза директно от разтвора, за да образува минерални слоеве върху малките кръгли частици, наречени ooids, и да образува цимента на морската кал. Кой минерал кристализира, калцит или арагонит, зависи от химията на водата.

Морската вода е пълна йони които се конкурират с калций и карбонат. Магнезий (Mg²⁺) прилепва към структурата на калцита, забавя растежа на калцит и се принуждава към молекулна структура на калцит, но той не пречи на арагонита. Сулфатен йон (SO₄^–) също потиска растежа на калцит. По-топлата вода и по-големият запас от разтворен карбонат благоприятстват арагонита, като го насърчават да расте по-бързо, отколкото може да калцит.

Тези неща имат значение за живите същества, които изграждат своите черупки и структури от калциев карбонат. Черупки, включително бивалвии и брахиоподите, са познати примери. Черупките им не са чист минерал, а сложни смеси от микроскопични карбонатни кристали, свързани заедно с протеини. Едноклетъчните животни и растения, класифицирани като планктон, правят своите черупки или тестове по същия начин. Друг важен фактор изглежда е, че водораслите се възползват от направата на карбонат, като си осигуряват готов запас от СО₂ за да помогне при фотосинтезата.

Всички тези същества използват ензими, за да конструират минерала, който предпочитат. Арагонитът създава иглеподобни кристали, докато калцитът прави блокиращи, но много видове могат да се възползват от двете. Много черупки на мекотели използват арагонит отвътре и калцит отвън. Каквото и да правят, използва енергия и когато океанските условия благоприятстват един или друг карбонат, процесът на изграждане на черупки отнема допълнителна енергия, за да работи срещу диктата на чистата химия.

Това означава, че промяната на химията на езеро или океан санкционира някои видове и предимства други. През геоложки време океанът се е изместил между "арагонитни морета" и "калцитни морета". Днес ние сме в море с арагонит с високо съдържание на магнезий - то благоприятства утаяването на арагонит плюс калцит с високо съдържание на магнезий магнезий. Калцитно море, по-ниско на магнезий, благоприятства нискомагнезиевия калцит.

Тайната е в прясното морско дъно базалт, чиито минерали реагират с магнезий в морската вода и го изваждат от обращение. Когато тектонната активност на плочите е енергична, получаваме калцитни морета. Когато е по-бавно и зоните на разпространение са по-къси, получаваме арагонитни морета. Разбира се, има и нещо повече от това. Важното е, че двата различни режима съществуват, а границата между тях е приблизително, когато магнезият е два пъти по-обилен от калция в морската вода.

Земята е имала арагонитно море от преди около 40 милиона години (40 ма). Най-новият предишен период на арагонит в морето е между късното Мисисипско и ранното юрско време (около 330 до 180 Ма), а следващото връщане назад във времето беше най-новото предкамбрийско, преди 550 ма. Между тези периоди Земята имаше калцит морета. Повече арагонитни и калцитни периоди се очертават по-далеч назад във времето.

Смята се, че през геоложки време тези мащабни модели са направили промяна в смесицата от изградени организми рифове в морето. Нещата, които научаваме за карбонатната минерализация и нейния отговор на океанската химия, също са важни да знаем, докато се опитваме да разберем как морето ще реагира на причинените от човека промени в атмосферата и климат.