Calcit și aragonit în ciclul de carbon al Pământului

Poate gândiți carbonul ca un element care pe Pământ se găsește în principal în ființele vii (adică în materia organică) sau în atmosferă ca dioxid de carbon. Ambele rezervoare geochimice sunt importante, desigur, dar marea majoritate a carbonului este blocată minerale carbonatice. Acestea sunt conduse de carbonatul de calciu, care ia două forme minerale numite calcită și aragonit.

Aragonitul și calcita au aceeași formulă chimică, CaCO₃, dar atomii lor sunt stivați în diferite configurații. Adică sunt polimorfi. (Un alt exemplu este trio-ul de kianit, andaluzit și sillimanit.) Aragonitul are o structură ortorombică și calcită o structură trigonală. Galeria noastră de minerale carbonatate acoperă elementele de bază ale ambelor minerale din punctul de vedere al stâncii: cum să le identificăm, unde sunt găsite, unele dintre particularitățile lor.

Calcitul este mai stabil în general decât aragonitul, deși pe măsură ce temperaturile și presiunile se schimbă, unul dintre cele două minerale se poate converti în celălalt. În condiții de suprafață, aragonita se transformă spontan în calcită în timp geologic, dar la presiuni mai mari, aragonita, cea mai densă a celor două, este structura preferată. Temperaturile ridicate funcționează în favoarea calcitei. La presiunea de suprafață, aragonitul nu poate suporta temperaturi peste 400 ° C timp îndelungat.

Roci de înaltă presiune, la temperatură joasă blueschist faciesul metamorfic conține adesea vene de aragonit în loc de calcită. Procesul de întoarcere la calcită este suficient de lent încât aragonita poate persista într-o stare metastabilă, similară cu diamant.

Uneori, un cristal dintr-un mineral se transformă în celălalt mineral, păstrându-și forma originală ca pseudomorf: poate părea un buton tip de calcit sau un ac de aragonit, dar microscopul petrografic arată adevărata natură. Mulți geologi, în majoritatea scopurilor, nu trebuie să cunoască polimorful corect și doar să vorbească despre „carbonat”. De cele mai multe ori, carbonatul din roci este calcit.

Chimia carbonatului de calciu este mai complicată atunci când vine vorba de înțelegerea polimorfului care se va cristaliza din soluție. Acest proces este obișnuit în natură, deoarece nici mineralul nu este foarte solubil și prezența dioxidului de carbon dizolvat (CO)₂) în apă îi împinge spre precipitare. În apă, CO₂ există în echilibru cu ionul bicarbonat, HCO₃⁺, și acid carbonic, H₂CO₃, toate fiind foarte solubile. Modificarea nivelului de CO₂ afectează nivelul acestor alți compuși, dar CaCO₃ în mijlocul acestui lanț chimic nu mai are de ales decât să precipite ca un mineral care nu se poate dizolva rapid și să se întoarcă la apă. Acest proces unidirecțional este un factor principal al ciclului geologic al carbonului.

Care aranjează ionii de calciu (Ca²⁺) și ioni de carbonat (CO₃^2–) vor alege pe măsură ce se vor alătura CaCO₃ depinde de condițiile din apă. În apa proaspătă curată (și în laborator), predomină calcita, în special în apa rece. Formațiile de cavernă sunt în general calcite. Cimenturile minerale din multe calcare și alte roci sedimentare sunt în general calcite.

Oceanul este cel mai important habitat din registrul geologic, iar mineralizarea carbonatului de calciu este o parte importantă a vieții oceanice și a geochimiei marine. Carbonatul de calciu iese direct din soluție pentru a forma straturi minerale pe particulele rotunde minuscule numite ooids și pentru a forma cimentul noroiului de pe fundul mării. Care mineral cristalizează, calcită sau aragonită, depinde de chimia apei.

Apa de mare este plină de ionii care concurează cu calciul și carbonatul. Magneziu (Mg²⁺) se agață de structura calcită, încetinind creșterea calcitei și forțându-se în structura moleculară a calcitei, dar nu interferează cu aragonita. Ion de sulfat (SO₄^–) suprima, de asemenea, creșterea calcită. Apa mai caldă și un aport mai mare de carbonat dizolvat favorizează aragonita prin încurajarea acesteia să crească mai repede decât poate calcit.

Aceste lucruri contează pentru viețuitoarele care își construiesc scoicile și structurile din carbonatul de calciu. Pești de coajă, inclusiv bivalvele și brachiopodele, sunt exemple familiare. Cojile lor nu sunt minerale pure, ci amestecuri complexe de cristale microscopice de carbonat, legate împreună cu proteine. Animalele unicelulare și plantele clasificate drept plancton își fac învelișurile sau testele la fel. Un alt factor important pare să fie faptul că algele beneficiază de producerea carbonatului, asigurându-se ele însele un aport gata de CO₂ pentru a ajuta la fotosinteză.

Toate aceste creaturi folosesc enzime pentru a construi mineralul pe care îl preferă. Aragonitul face cristale asemănătoare cu ace, în timp ce calcita le face pe cele blocante, dar multe specii pot folosi unul dintre acestea. Multe cochilii de moluște folosesc aragonit la interior și calcită la exterior. Orice fac, utilizează energia și atunci când condițiile oceanului favorizează un carbonat sau altul, procesul de construire a cojilor necesită energie suplimentară pentru a lucra împotriva dictatelor chimiei pure.

Aceasta înseamnă că schimbarea chimiei unui lac sau a oceanului penalizează unele specii și avantajează altele. De-a lungul timpului geologic, oceanul s-a schimbat între „mările aragonite” și „mările calcite”. Astăzi suntem într-un o mare de aragonit bogată în magneziu - favorizează precipitarea aragonitei plus calcita care este ridicată în interior magneziu. O mare de calcită, mai scăzută în magneziu, favorizează calcita scăzută de magneziu.

Secretul este bazaltul proaspăt al mării, ale cărui minerale reacționează cu magneziu în apa de mare și îl scot din circulație. Atunci când activitatea tectonică a plăcilor este puternică, obținem mări calcite. Atunci când este mai lent și zonele de răspândire sunt mai scurte, obținem mări aragonite. Desigur, există mai multe lucruri decât asta. Important este că cele două regimuri diferite există, iar granița dintre ele este aproximativ când magneziul este de două ori mai abundent decât calciul în apa de mare.

Pământul a avut o mare aragonită de acum aproximativ 40 de milioane de ani (40 Ma). Cea mai recentă perioadă anterioară a mării aragonite a fost între Mississippian târziu și perioada jurasică timpurie (aproximativ 330-180 Ma), iar următorul întors în timp a fost cel mai recent Precambrian, înainte de 550 Ma. Între aceste perioade, Pământul a avut calcită mări. Mai multe perioade de aragonită și calcită sunt cartografiate mai departe în timp.

Se crede că de-a lungul timpului geologic, aceste modele la scară largă au făcut o diferență în mixul de organisme care au construit recife in mare. Lucrurile pe care le învățăm despre mineralizarea carbonatelor și răspunsul său la chimia oceanelor sunt, de asemenea, importante să știm cum încercăm să ne dăm seama cum va răspunde marea la schimbările provocate de om în atmosferă și climat.