Kalsiitti ja aragoniitti maan hiilisyklissä

Voit ajatella hiiltä osana elementtiä, jota maapallolla esiintyy pääasiassa elävissä olosuhteissa (eli orgaanisessa aineessa) tai ilmakehässä hiilidioksidina. Molemmat geokemialliset säiliöt ovat tietysti tärkeitä, mutta suurin osa hiilestä on lukittu karbonaattimineraalit. Näitä johtaa kalsiumkarbonaatti, joka saa kaksi mineraalimuotoa, nimeltään kalsiitti ja aragoniitti.

Aragoniitilla ja kalsiitilla on sama kemiallinen kaava, CaCO₃, mutta niiden atomit on pinottu eri kokoonpanoihin. Eli he ovat polymorfit. (Toinen esimerkki on kyaniitin, andalusiitin ja sillimaniitin trio.) Aragoniitilla on ortorombinen rakenne ja kalsiitilla trigonalinen rakenne. Karbonaattimineraalien galleria kattaa molempien mineraalien perusteet rockhoundin näkökulmasta: kuinka tunnistaa ne, missä ne ovat, joitain niiden erityispiirteistä.

Kalsiitti on yleensä vakaampi kuin aragoniitti, vaikka lämpötilojen ja paineiden muuttuessa toinen mineraaleista voi muuttua toiseksi. Pintaolosuhteissa aragoniitti muuttuu spontaanisti kalsiitiksi geologisen ajan kuluessa, mutta korkeammissa paineissa aragoniitti, näiden kahden tiiviimpi rakenne, on edullinen. Korkeat lämpötilat toimivat kalsiitin hyväksi. Pintapaineessa aragoniitti ei kestä pitkään yli 400 ° C: n lämpötiloja.

Korkean paineen, matalan lämpötilan kivet blueschist metamorfiset kasvit sisältävät usein aragoniitin suonia kalsiitin sijasta. Prosessi, jossa palataan takaisin kalsiitiksi, on tarpeeksi hidas, jotta aragoniitti voi kestää metastabiilissa tilassa, kuten timantti-.

Joskus yhden mineraalin kide muuntuu toiseksi mineraaliksi säilyttäen alkuperäisen muodonsa pseudomorph: se voi näyttää tyypilliseltä kalsiitin nupista tai aragonite-neulasta, mutta petrografinen mikroskooppi näyttää sen todellinen luonto. Monien geologien, useimpiin tarkoituksiin, ei tarvitse tietää oikeaa polymorfia ja puhua vain "karbonaatista". Suurin osa ajasta kivien karbonaatti on kalsiittia.

Kalsiumkarbonaattikemia on monimutkaisempi, kun on syytä ymmärtää mikä polymorfi kiteytyy liuoksesta. Tämä prosessi on yleinen luonteeltaan, koska kumpikaan mineraali ei liukene hyvin ja liuenneen hiilidioksidin (CO₂) vedessä työntää niitä kohti saostumista. Vedessä, CO₂ esiintyy tasapainossa bikarbonaatti-ionin, HCO: n kanssa₃⁺ja hiilihappo, H₂CO₃, jotka kaikki ovat erittäin liukoisia. CO-tason muuttaminen₂ vaikuttaa näiden muiden yhdisteiden pitoisuuksiin, mutta CaCO₃ tämän kemiallisen ketjun keskellä ei juurikaan ole muuta vaihtoehtoa kuin saostua mineraalina, joka ei liukene nopeasti ja palaa veteen. Tämä yksisuuntainen prosessi on merkittävä geologisen hiilikierron veturi.

Missä järjestyksessä kalsiumionit (Ca²⁺) ja karbonaatti-ionit (CO₃^2–) valitsee liittyessään CaCO: hon₃ riippuu veden olosuhteista. Puhtaassa makeassa vedessä (ja laboratoriossa) kalsiitti vallitsee, etenkin viileässä vedessä. Katukiven muodostelmat ovat yleensä kalsiittia. Monien kalkkikivien ja muiden sedimenttikivien mineraalisementit ovat yleensä kalsiittia.

Valtameri on geologisen tilan tärkein elinympäristö, ja kalsiumkarbonaatin mineralisaatio on tärkeä osa meren elämää ja merigeokemiaa. Kalsiumkarbonaatti tulee suoraan liuoksesta muodostaen mineraalikerroksia pieniin pyöreisiin hiukkasiin, joita kutsutaan ooideiksi, ja muodostamaan merenpohjamudan sementin. Kumpi mineraali kiteytyy, kalsiitti tai aragoniitti, riippuu vesikemiasta.

Merivesi on täynnä ionit jotka kilpailevat kalsiumin ja karbonaatin kanssa. Magnesium (Mg²⁺) tarttuu kalsiittirakenteeseen, hidastaen kalsiitin kasvua ja pakottaen itsensä kalsiitin molekyylirakenteeseen, mutta se ei häiritse aragoniittiä. Sulfaatti-ioni (SO₄^–) myös estää kalsiitin kasvua. Lämpimämpi vesi ja suurempi määrä liuennettua karbonaattia suosivat aragonitea kannustamalla sitä kasvamaan nopeammin kuin kalsiitti voi.

Nämä asiat ovat tärkeitä eläville olennoille, jotka rakentavat kuorensa ja rakenteensa kalsiumkarbonaatista. Simpukat, myös simpukat ja käsijalkaiset, ovat tuttuja esimerkkejä. Heidän kuoret eivät ole puhtaita mineraaleja, mutta mikroskooppisten karbonaattikiteiden monimutkaisia ​​seoksia, jotka ovat sitoutuneet yhteen proteiinien kanssa. Planktoniksi luokitellut yksisoluiset eläimet ja kasvit tekevät kuoret tai testit samalla tavalla. Toinen tärkeä tekijä näyttää olevan se, että levät hyötyvät karbonaatin valmistuksesta varmistamalla itselleen helppo CO-määrä₂ auttaa fotosynteesissä.

Kaikki nämä olennot käyttävät entsyymejä rakentamaan mieluummin mineraaleja. Aragoniitti tekee neulamaisia ​​kiteitä, kun taas kalsiitti tekee tukoksisia, mutta monet lajit voivat hyödyntää kumpaakin. Monissa nilviäisten kuorissa on sisäpuolella aragoniitti ja ulkopuolella kalsiitti. Riippumatta siitä, mitä he tekevät, käytetään energiaa, ja kun valtameriolosuhteet suosivat yhtä tai toista karbonaattia, kuoren rakennusprosessi vie ylimääräistä energiaa puhtaan kemian sanelemiin.

Tämä tarkoittaa, että järven tai valtameren kemian muuttaminen rankaisee joitain lajeja ja tuo muita etuja. Geologisen ajan kuluessa valtameri on siirtynyt "aragoniittimeren" ja "kalsiitinmeren" välillä. Tänään olemme aragoniitti meri, jossa on paljon magnesiumia - se suosii aragoniitin saostumista plus korkea kalsiitti magnesium. Kalsiittimeri, jolla on vähemmän magnesiumia, suosii vähän magnesiumia sisältävää kalsiittia.

Salaisuus on tuore merenpohjan basaltti, jonka mineraalit reagoivat meriveden magnesiumin kanssa ja vetävät sen pois liikkeestä. Kun levytektoninen aktiivisuus on voimakasta, saamme kalsiittimeren. Kun se on hitaampaa ja leviämisalueet ovat lyhyempiä, saamme aragoniittimeret. Siinä on tietysti enemmän. Tärkeää on, että kaksi erilaista järjestelmää on olemassa, ja raja niiden välillä on karkeasti, kun magnesiumia on kaksi kertaa niin paljon kuin merivedessä olevaa kalsiumia.

Maapallolla on ollut aragoniittimeri noin 40 miljoonaa vuotta sitten (40 Ma). Viimeisin edellinen aragonite-merijakso oli myöhään Mississippiin ja varhaisen juura-ajan välillä (noin 330-180) Ma), ja seuraavaksi ajassa taaksepäin oli viimeisin Precambrian, ennen 550 Ma. Näiden jaksojen välillä maapallolla oli kalsiittia meriin. Lisää aragoniitti- ja kalsiittikausia kartoitetaan kauemmas ajassa.

Uskotaan, että geologisen ajan kuluessa nämä suuren mittakaavan kuviot ovat tehneet muutoksen rakennetuissa organismeissa riuttoja meressä. Asiat, jotka opimme karbonaattien mineralisaatiosta ja sen vastauksesta valtameren kemiaan, ovat myös tärkeitä Yritäessämme selvittää, kuinka meri reagoi ihmisen aiheuttamiin ilmakehän ja ilmasto.