Кальцит и Арагонит в углеродном цикле Земли

Вы можете думать об углероде как об элементе, который на Земле находится в основном в живых организмах (то есть в органическом веществе) или в атмосфере как углекислый газ. Конечно, оба этих геохимических резервуара важны, но подавляющее большинство углерода находится в карбонатные минералы. Они во главе с карбонатом кальция, который принимает две минеральные формы, называемые кальцитом и арагонитом.

Арагонит и кальцит имеют одинаковую химическую формулу CaCO₃, но их атомы сложены в разных конфигурациях. То есть они полиморфные. (Другим примером является трио из кианита, андалузита и силлиманита.) Арагонит имеет ромбическую структуру, а кальцит - тригональную структуру. Наша галерея карбонатных минералов охватывает основы обоих минералов с точки зрения скакуна: как идентифицировать их, где они находятся, некоторые их особенности.

Кальцит в целом более стабилен, чем арагонит, хотя при изменении температуры и давления один из двух минералов может переходить в другой. В поверхностных условиях арагонит самопроизвольно превращается в кальцит в течение геологического времени, но при более высоких давлениях арагонит, более плотный из двух, является предпочтительной структурой. Высокие температуры работают в пользу кальцита. При поверхностном давлении арагонит не может долго выдерживать температуру выше 400 ° C.

Высоконапорные низкотемпературные породы blueschist метаморфические фации часто содержат вены арагонита вместо кальцита. Процесс возврата к кальциту достаточно медленный, чтобы арагонит мог сохраняться в метастабильном состоянии, подобно бриллиант.

Иногда кристалл одного минерала превращается в другой минерал, сохраняя свою первоначальную форму в виде псевдоморфный: он может выглядеть как типичная ручка кальцита или арагонитовая игла, но петрографический микроскоп показывает его истинная природа. Многим геологам для большинства целей не нужно знать правильный полиморф и просто говорить о «карбонате». Большую часть времени карбонат в породах является кальцитом.

Химия карбоната кальция более сложна, когда дело доходит до понимания, какой полиморф будет кристаллизоваться из раствора. Этот процесс является распространенным в природе, потому что ни один минерал не является хорошо растворимым, а присутствие растворенного углекислого газа (СО₂в воде толкает их к осаждению. В воде, СО₂ существует в балансе с бикарбонат-ионом, HCO₃⁺и углекислота, Н₂Колорадо₃Все из которых хорошо растворимы. Изменение уровня СО₂ влияет на уровень этих других соединений, но СаСО₃ в середине этой химической цепи практически нет другого выбора, кроме как выпадать в осадок в виде минерала, который не может быстро раствориться и вернуться в воду. Этот односторонний процесс является основной движущей силой геологического углеродного цикла.

Какое расположение ионов кальция (Са²⁺) и карбонат-ионы (СО₃^2–) будет выбирать, как они присоединяются к CaCO₃ зависит от условий в воде. В чистой пресной воде (и в лаборатории) преобладает кальцит, особенно в прохладной воде. Пещерные образования обычно кальцит. Минеральные цементы во многих известняках и других осадочных породах обычно являются кальцитом.

Океан является наиболее важной средой обитания в геологической истории, а минерализация карбоната кальция является важной частью океанической жизни и морской геохимии. Карбонат кальция поступает непосредственно из раствора, образуя минеральные слои на крошечных круглых частицах, называемых ооидами, и образуя цемент грязи морского дна. Какой минерал кристаллизуется, кальцит или арагонит, зависит от химического состава воды.

Морская вода полна ионы которые конкурируют с кальцием и карбонатом. Магний (Mg²⁺) цепляется за структуру кальцита, замедляя рост кальцита и форсируя себя в молекулярную структуру кальцита, но это не мешает арагониту. Сульфат-ион (SO₄^–) также подавляет рост кальцита. Более теплая вода и больший запас растворенного карбоната способствуют арагониту, стимулируя его рост быстрее, чем может кальцит.

Эти вещи важны для живых существ, которые строят свои оболочки и структуры из карбоната кальция. Моллюски, в том числе двустворчатые и брахиоподы, являются знакомыми примерами. Их оболочки - не чистый минерал, а сложные смеси микроскопических кристаллов карбоната, связанных вместе с белками. Одноклеточные животные и растения, классифицируемые как планктон, делают свои раковины или тесты таким же образом. Другим важным фактором, по-видимому, является то, что водоросли получают выгоду от превращения карбоната, обеспечивая себя готовой подачей СО₂ помочь с фотосинтезом.

Все эти существа используют ферменты для создания минерала, который они предпочитают. Арагонит образует иглоподобные кристаллы, а кальцит - блочные, но многие виды могут использовать любой из них. Многие раковины моллюсков используют арагонит внутри и кальцит снаружи. Что бы они ни делали, они используют энергию, и когда условия океана благоприятствуют тому или иному карбонату, процесс создания оболочки требует дополнительной энергии, чтобы противостоять требованиям чистой химии.

Это означает, что изменение химического состава озера или океана наказывает одни виды и дает преимущества другим. За геологическое время океан сместился между «арагонитовыми морями» и «кальцитными морями». Сегодня мы в арагонитовое море с высоким содержанием магния - способствует осаждению арагонита плюс кальцита с высоким содержанием магния магний. Море кальцита с низким содержанием магния способствует низкому содержанию магния в кальците.

Секрет заключается в свежем базальте морского дна, минералы которого реагируют с магнием в морской воде и выводят его из циркуляции. Когда тектоническая активность плит является активной, мы получаем кальцитовые моря. Когда оно медленнее и зоны распространения короче, мы получаем арагонитовые моря. Конечно, это еще не все. Важно то, что существуют два различных режима, и граница между ними примерно равна, когда магния в два раза больше, чем кальция в морской воде.

Земля была арагонитовым морем примерно 40 миллионов лет назад (40 млн лет назад). Самый последний предыдущий период арагонитового моря был между поздним миссисипским и ранним юрским периодом (около 330–180). МА), и следующим возвращением во времени был последний докембрий, до 550 мА. Между этими периодами Земля имела кальцит моря. Более длительные периоды арагонита и кальцита планируются в более отдаленном времени.

Считается, что за геологическое время эти масштабные модели изменили состав организмов, рифы в море. То, что мы узнаем о карбонатной минерализации и ее реакции на химию океана, также важно знать, как мы пытаемся выяснить, как море будет реагировать на антропогенные изменения в атмосфере и климат.