Kalcit vs Aragonit

Kúsky kalcitu, modrého aragonitu, opálu, sodalitu.

Dorling Kindersley/Getty Images

Uhlík si môžete predstaviť ako prvok, ktorý sa na Zemi nachádza hlavne v živých veciach (teda v organickej hmote) alebo v atmosfére ako oxid uhličitý. Obidve tieto geochemické rezervoáre sú, samozrejme, dôležité, ale prevažná väčšina uhlíka je uzavretá v nich uhličitanové minerály . Tie sú vedené uhličitanom vápenatým, ktorý má dve minerálne formy nazývané kalcit a aragonit.

Minerály uhličitanu vápenatého v horninách

Aragonit a kalcit majú rovnaký chemický vzorec, CaCO₃, ale ich atómy sú naukladané v rôznych konfiguráciách. Teda sú polymorfy . (Ďalším príkladom je trio kyanit, andalusit a sillimanit.) Aragonit má ortorombickú štruktúru a kalcit trigonálnu štruktúru. Naša galéria uhličitanových minerálov pokrýva základy oboch minerálov z pohľadu skalného psa: ako ich identifikovať, kde sa nachádzajú, niektoré z ich zvláštností.

Kalcit je vo všeobecnosti stabilnejší ako aragonit, hoci pri zmene teplôt a tlakov sa jeden z týchto dvoch minerálov môže premeniť na druhý. Pri povrchových podmienkach sa aragonit v priebehu geologického času spontánne mení na kalcit, ale pri vyšších tlakoch je preferovanou štruktúrou aragonit, ktorý je z nich hustejší. Vysoké teploty pracujú v prospech kalcitu. Pri povrchovom tlaku aragonit dlho nevydrží teploty nad 400 °C.

Vysokotlakové, nízkoteplotné horniny z blueschist metamorfované facie často obsahujú žily aragonitu namiesto kalcitu. Proces premeny späť na kalcit je dostatočne pomalý na to, aby aragonit mohol pretrvávať v metastabilnom stave, podobne ako diamant .

Niekedy sa kryštál jedného minerálu premení na druhý minerál, pričom si zachová svoj pôvodný tvar ako pseudomorf: môže vyzerať ako typický kalcitový gombík alebo aragonitová ihla, ale petrografický mikroskop ukazuje jeho pravú podstatu. Mnoho geológov vo väčšine prípadov nepotrebuje poznať správny polymorf a hovorí len o „karbonáte“. Uhličitanom v horninách je väčšinou kalcit.

Minerály uhličitanu vápenatého vo vode

Chémia uhličitanu vápenatého je komplikovanejšia, pokiaľ ide o pochopenie, ktorý polymorf bude kryštalizovať z roztoku. Tento proces je v prírode bežný, pretože ani jeden minerál nie je vysoko rozpustný a prítomnosť rozpusteného oxidu uhličitého (CO_dva) vo vode ich tlačí smerom k zrážaniu. Vo vode CO_dvaexistuje v rovnováhe s hydrogénuhličitanovým iónom, HCO₃⁺a kyselina uhličitá, H_dvaCO₃, z ktorých všetky sú vysoko rozpustné. Zmena úrovne CO_dvaovplyvňuje hladiny týchto ďalších zlúčenín, ale CaCO₃v strede tohto chemického reťazca v podstate nemá inú možnosť, ako sa vyzrážať ako minerál, ktorý sa nedokáže rýchlo rozpustiť a vrátiť sa do vody. Tento jednosmerný proces je hlavnou hnacou silou geologického uhlíkového cyklu.

Aké usporiadanie iónov vápnika (Ca²⁺) a uhličitanové ióny (CO₃^dva-) si vyberú, keď sa pripoja do CaCO₃závisí od podmienok vo vode. V čistej sladkej vode (a v laboratóriu) prevláda kalcit, najmä v studenej vode. Jaskynné útvary sú vo všeobecnosti vápencové. Minerálne cementy v mnohých vápencoch a iných sedimentárnych horninách sú vo všeobecnosti kalcit.

Oceán je najdôležitejším biotopom v geologickom zázname a mineralizácia uhličitanu vápenatého je dôležitou súčasťou oceánskeho života a morskej geochémie. Uhličitan vápenatý vychádza priamo z roztoku, aby vytvoril minerálne vrstvy na malých okrúhlych časticiach nazývaných ooidy a vytvoril cement z bahna morského dna. Ktorý minerál kryštalizuje, či kalcit alebo aragonit, závisí od chemického zloženia vody.

Morská voda je plná ióny ktoré konkurujú vápniku a uhličitanom. Horčík (Mg²⁺) lipne na štruktúre kalcitu, spomaľuje rast kalcitu a vtláča sa do molekulárnej štruktúry kalcitu, ale neinterferuje s aragonitom. Síranový ión (SO₄^–) tiež potláča rast kalcitu. Teplejšia voda a väčší prísun rozpusteného uhličitanu uprednostňujú aragonit tým, že ho podporujú, aby rástol rýchlejšie ako kalcit.

Kalcitové a Aragonitové more

Tieto veci sú dôležité pre živé bytosti, ktoré si stavajú svoje schránky a štruktúry z uhličitanu vápenatého. Mäkkýše, vrátane lastúrniky a brachiopódy, sú známymi príkladmi. Ich schránky nie sú čistým minerálom, ale zložitými zmesami mikroskopických kryštálov uhličitanov spojených s proteínmi. Jednobunkové živočíchy a rastliny klasifikované ako planktón vytvárajú svoje schránky alebo testy rovnakým spôsobom. Zdá sa, že ďalším dôležitým faktorom je, že riasy profitujú z tvorby uhličitanu tým, že si zabezpečujú pohotovú dodávku CO_dvapomôcť pri fotosyntéze.

Všetky tieto stvorenia používajú enzýmy na vytvorenie minerálu, ktorý uprednostňujú. Aragonit vytvára ihlovité kryštály, zatiaľ čo kalcit vytvára blokové kryštály, ale mnohé druhy môžu využiť oboje. Mnoho lastúr mäkkýšov používa zvnútra aragonit a zvonka kalcit. Čokoľvek robia, spotrebúvajú energiu, a keď podmienky oceánu uprednostňujú jeden alebo druhý uhličitan, proces stavby škrupiny si vyžaduje dodatočnú energiu, aby fungoval proti diktátu čistej chémie.

To znamená, že zmena chemického zloženia jazera alebo oceánu niektoré druhy penalizuje a iné zvýhodňuje. V priebehu geologického času sa oceán posunul medzi „aragonitové moria“ a „kalcitové moria“. Dnes sa nachádzame v aragonitovom mori s vysokým obsahom horčíka – podporuje zrážanie aragonitu a kalcitu s vysokým obsahom horčíka. Kalcitové more s nižším obsahom horčíka uprednostňuje kalcit s nízkym obsahom horčíka.

Tajomstvom je čerstvý čadič morského dna, ktorého minerály reagujú s horčíkom v morskej vode a vyťahujú ho z obehu. Keď je dosková tektonická aktivita intenzívna, dostávame kalcitové moria. Keď je to pomalšie a zóny šírenia sú kratšie, získame aragonitové moria. Je v tom samozrejme viac. Dôležité je, že existujú dva rozdielne režimy a hranica medzi nimi je zhruba vtedy, keď je horčík v morskej vode dvakrát viac ako vápnik.

Zem má aragonitové more približne pred 40 miliónmi rokov (40 miliónov rokov). Najnovšie predchádzajúce aragonitové morské obdobie bolo medzi neskorým mississippským a raným jurským časom (asi 330 až 180 mil. rokov) a ďalším návratom v čase bolo posledné prekambrium, pred 550 mil. Medzi týmito obdobiami mala Zem kalcitové moria. Viac aragonitových a kalcitových období sa mapuje v dávnejšej minulosti.

Predpokladá sa, že v priebehu geologického času tieto rozsiahle vzory spôsobili rozdiel v zmesi organizmov, ktoré sa postavili útesy v mori. Veci, ktoré sa učíme o uhličitanovej mineralizácii a jej reakcii na chémiu oceánov, sú tiež dôležité vedieť, keď sa snažíme zistiť, ako bude more reagovať na zmeny v atmosfére a podnebí spôsobené ľuďmi.