Kalcit i aragonit u Zemljinom ciklusu ugljika

Možda mislite o ugljiku kao elementu koji se na Zemlji nalazi uglavnom u živim bićima (to jest u organskim tvarima) ili u atmosferi kao ugljični dioksid. Oba su ta geokemijska spremnika naravno važna, ali velika većina ugljika je zatvorena karbonatni minerali. Njih vodi kalcijev karbonat koji uzima dva mineralna oblika pod nazivom kalcit i aragonit.

Aragonit i kalcit imaju istu kemijsku formulu, CaCO₃, ali njihovi su atomi složeni u različitim konfiguracijama. Odnosno, jesu polimorfne. (Drugi primjer je trio kyanita, andalusita i silimanita.) Aragonit ima orthorhombic strukturu i kalcit je trigonalnu strukturu. Naša galerija karbonatnih minerala pokriva osnove oba minerala s gledišta rockhounda: kako ih prepoznati, gdje su pronađeni, neke od njihovih osobitosti.

Kalcit je općenito stabilniji od aragonita, premda se temperature i pritisci mijenjaju, jedan od dva minerala može se pretvoriti u drugi. U površinskim uvjetima, aragonit se spontano pretvara u kalcit tijekom geološkog vremena, ali pri većim pritiscima aragonit, gušći od dva, je poželjnija struktura. Visoke temperature djeluju u korist kalcita. Pri površinskom tlaku aragonit ne može dugo izdržati temperaturu iznad oko 400 ° C.

Kamenje visokog pritiska i niske temperature blueschist metamorfne facije često sadrže vene aragonita umjesto kalcita. Proces povratka natrag do kalcita dovoljno je spor da aragonit može ustrajati u metastabilnom stanju, slično dijamant.

Ponekad se kristal jednog minerala pretvara u drugi mineral zadržavajući njegov izvorni oblik kao pseudomorf: može izgledati kao tipična kalcitna ručica ili aragonitna igla, ali petrografski mikroskop pokazuje prava priroda. Mnogi geolozi, u većini svrha, ne moraju znati točan polimorf i samo govore o "karbonatu". Većinu vremena karbonat u stijenama je kalcit.

Kemija kalcijevog karbonata složenija je kada se razumijeva koji će polimorfni oblik kristalizirati iz otopine. Taj je postupak uobičajen u prirodi, jer niti jedan mineral nije topljiv i prisutnost otopljenog ugljičnog dioksida (CO₂) u vodi ih gura prema taloženju. U vodi CO₂ postoji u ravnoteži s ionom bikarbonata, HCO₃⁺i ugljična kiselina, H₂CO₃, a sve one su vrlo topive. Promjena razine CO₂ utječe na razinu ovih drugih spojeva, ali CaCO₃ u sredini ovog kemijskog lanca gotovo da nema drugog izbora osim taloženja kao minerala koji se ne može brzo otopiti i vratiti u vodu. Ovaj je jednosmjerni proces glavni pokretač geološkog ciklusa ugljika.

Koji raspored kalcijevih iona (Ca²⁺) i karbonatni ioni (CO₃^2–) će odabrati kad se pridruže CaCO₃ ovisi o uvjetima u vodi. U čistoj slatkoj vodi (i u laboratoriju) prevladava kalcit, posebno u hladnoj vodi. Forma pećinskog kamena uglavnom je kalcit. Mineralni cementi u mnogim vapnencima i ostalim sedimentnim stijenama uglavnom su kalciti.

Okean je najvažnije stanište u geološkom zapisu, a mineralizacija kalcijevog karbonata važan je dio oceanskog života i morske geokemije. Kalcijev karbonat dolazi izravno iz otopine, čime se formiraju mineralni slojevi na sitnim okruglim česticama zvanim ooidi i formira cement morskog dna. Koji mineral se kristalizira, kalcit ili aragonit, ovisi o kemiji vode.

Morska voda je puna ioni koji se natječu s kalcijem i karbonatom. Magnezij (Mg²⁺) veže se za kalcitnu strukturu, usporava rast kalcita i prisiljava se na molekulsku strukturu kalcita, ali on ne ometa aragonit. Sulfatni ion (SO₄^–) također suzbija rast kalcita. Toplija voda i veća količina otopljenog karbonata pogoduju aragonitu potičući ga da raste brže nego što može kalcit.

Te su stvari važne za živa bića koja grade svoje školjke i strukture od kalcijevog karbonata. Školjke, uključujući školjkaši i brahiopodi su poznati primjeri. Njihove školjke nisu čisti mineral, već zamršene smjese mikroskopskih kristala karbonata vezanih zajedno s proteinima. Jednoćelijske životinje i biljke klasificirane kao plankton izrađuju svoje ljuske ili testove na isti način. Čini se da je još jedan važan faktor to što alge imaju koristi od stvaranja karbonata osiguravajući sebi spremnu količinu CO₂ pomoći u fotosintezi.

Sva ova stvorenja koriste enzime kako bi izgradili mineral koji im je draži. Aragonit stvara iglaste kristale, dok kalcit stvara blokade, ali mnoge vrste mogu koristiti bilo koji drugi. Mnoge školjke mekušaca koriste aragonit iznutra i kalcit izvana. Bez obzira što oni koriste energiju, i kada oceanski uvjeti favoriziraju jedan ili drugi karbonat, proces stvaranja školjki oduzima dodatnu energiju da djeluje protiv diktata čiste kemije.

To znači da promjenom kemije jezera ili oceana neke vrste kažnjavaju, a druge prednost. Tijekom geološkog vremena ocean se prebacio između "aragonitskih mora" i "kalcitnih mora". Danas smo u an more aragonita s visokim udjelom magnezija - pogoduje taloženju aragonita plus kalcitu s visokim udjelom magnezij. More kalcita, manje magnezija, pogoduje kalcitu s malo magnezija.

Tajna je svježi bazalt s morskog dna, čiji minerali reagiraju s magnezijem u morskoj vodi i izvlače ga iz prometa. Kad je tektonska aktivnost ploča snažna, dobivamo kalcitna mora. Kad je sporije i zone širenja su kraće, dobivamo more aragonita. Ima još toga od toga, naravno. Važno je da postoje dva različita režima, a granica između njih je otprilike kada je magnezij dvostruko obilniji od kalcija u morskoj vodi.

Zemlja je imala more aragonita od prije otprilike 40 milijuna godina (40 Ma). Najnovije razdoblje morskog aragonita bilo je između kasnoga misipskog i ranog jurskog vremena (oko 330 do 180 Ma), a sljedeći povratak u vrijeme bio je najnoviji pretkambrij, prije 550. Između tih razdoblja, Zemlja je imala kalcit morima. Sve više razdoblja aragonita i kalcita preslikavaju se u prošlost.

Smatra se da su tijekom velikih geoloških vremena ovi obrasci velikih razmjera napravili razliku u mješavini organizama koji su se izgradili grebeni u moru. Važne su i stvari koje učimo o mineralizaciji karbonata i njegovom odgovoru na oceansku kemiju znati dok pokušavamo dokučiti kako će more reagirati na promjene nastale u atmosferi i klima.