Kalsitt vs Aragonitt

Biter av kalsitt, blå aragonitt, opal, sodalitt.

Dorling Kindersley/Getty Images

Du kan tenke på karbon som et grunnstoff som på jorden hovedsakelig finnes i levende ting (det vil si i organisk materiale) eller i atmosfæren som karbondioksid. Begge disse geokjemiske reservoarene er selvfølgelig viktige, men det store flertallet av karbon er innelåst karbonatmineraler . Disse ledes av kalsiumkarbonat, som tar to mineralformer kalt kalsitt og aragonitt.

Kalsiumkarbonatmineraler i bergarter

Aragonitt og kalsitt har samme kjemiske formel, CaCO₃, men deres atomer er stablet i forskjellige konfigurasjoner. Det vil si at de er det polymorfer . (Et annet eksempel er trioen av kyanitt, andalusitt og sillimanitt.) Aragonitt har en ortorombisk struktur og kalsitt en trigonal struktur. Galleriet vårt med karbonatmineraler dekker det grunnleggende om begge mineralene fra steinhundens synspunkt: hvordan identifisere dem, hvor de finnes, noen av deres særegenheter.

Kalsitt er mer stabilt generelt enn aragonitt, men etter hvert som temperaturer og trykk endres, kan ett av de to mineralene konverteres til det andre. Ved overflateforhold blir aragonitt spontant til kalsitt over geologisk tid, men ved høyere trykk er aragonitt, den tettere av de to, den foretrukne strukturen. Høye temperaturer fungerer i kalsittens favør. Ved overflatetrykk tåler ikke aragonitt temperaturer over rundt 400°C lenge.

Høytrykk, lav temperatur bergarter av blåskifer metamorfe ansikter inneholder ofte årer av aragonitt i stedet for kalsitt. Prosessen med å gå tilbake til kalsitt er sakte nok til at aragonitt kan vedvare i en metastabil tilstand, i likhet med diamant .

Noen ganger konverterer en krystall av ett mineral til det andre mineralet mens det bevarer sin opprinnelige form som en pseudomorf: det kan se ut som en typisk kalsittknott eller aragonittnål, men det petrografiske mikroskopet viser sin sanne natur. Mange geologer, for de fleste formål, trenger ikke å vite den riktige polymorfen og snakker bare om 'karbonat'. Mesteparten av tiden er karbonatet i bergarter kalsitt.

Kalsiumkarbonatmineraler i vann

Kalsiumkarbonatkjemi er mer komplisert når det gjelder å forstå hvilken polymorf som vil krystallisere ut av løsningen. Denne prosessen er vanlig i naturen, fordi ingen av mineralene er svært løselig, og tilstedeværelsen av oppløst karbondioksid (CO_to) i vann skyver dem mot utfelling. I vann, CO_toeksisterer i balanse med bikarbonationet, HCO₃⁺og karbonsyre, H_toCO₃, som alle er svært løselige. Endre nivået av CO_topåvirker nivåene av disse andre forbindelsene, men CaCO₃i midten av denne kjemiske kjeden har stort sett ikke noe annet valg enn å felle ut som et mineral som ikke kan løses opp raskt og gå tilbake til vannet. Denne enveisprosessen er en viktig driver av den geologiske karbonsyklusen.

Hvilket arrangement kalsiumionene (Ca²⁺) og karbonationer (CO₃^to-) vil velge når de blir med i CaCO₃avhenger av forholdene i vannet. I rent ferskvann (og i laboratoriet) dominerer kalsitt, spesielt i kaldt vann. Grottesteinsformasjoner er vanligvis kalsitt. Mineralsementer i mange kalksteiner og andre sedimentære bergarter er vanligvis kalsitt.

Havet er det viktigste habitatet i den geologiske oversikten, og kalsiumkarbonatmineralisering er en viktig del av livet i havet og marin geokjemi. Kalsiumkarbonat kommer direkte ut av løsningen for å danne minerallag på de små runde partiklene som kalles ooider og for å danne sementen av havbunnsslam. Hvilket mineral som krystalliserer, kalsitt eller aragonitt, avhenger av vannkjemien.

Sjøvann er fullt av ioner som konkurrerer med kalsium og karbonat. Magnesium (Mg²⁺) klamrer seg til kalsittstrukturen, bremser veksten av kalsitt og tvinger seg inn i kalsittens molekylære struktur, men det forstyrrer ikke aragonitt. Sulfation (SO₄^–) undertrykker også kalsittvekst. Varmere vann og en større tilførsel av oppløst karbonat favoriserer aragonitt ved å oppmuntre den til å vokse raskere enn kalsitt kan.

Kalsitt og Aragonitt hav

Disse tingene har betydning for de levende tingene som bygger deres skall og strukturer av kalsiumkarbonat. Skalldyr, inkludert muslinger og brachiopoder, er kjente eksempler. Skjellene deres er ikke rent mineral, men intrikate blandinger av mikroskopiske karbonatkrystaller bundet sammen med proteiner. De encellede dyrene og plantene klassifisert som plankton lager skjellene sine, eller tester, på samme måte. En annen viktig faktor ser ut til å være at alger drar nytte av å lage karbonat ved å sikre seg en klar tilførsel av CO_tofor å hjelpe til med fotosyntesen.

Alle disse skapningene bruker enzymer for å konstruere mineralet de foretrekker. Aragonitt lager nållignende krystaller mens kalsitt gjør blokkaktige, men mange arter kan bruke begge. Mange bløtdyrskjell bruker aragonitt på innsiden og kalsitt på utsiden. Uansett hva de gjør bruker energi, og når havforholdene favoriserer det ene eller det andre karbonatet, krever skjellbyggingsprosessen ekstra energi for å motarbeide diktatene fra ren kjemi.

Dette betyr at endring av kjemien til en innsjø eller havet straffer noen arter og fordeler andre. Over geologisk tid har havet skiftet mellom 'aragonitthav' og 'kalsitthav.' I dag er vi i et hav av aragonitt som inneholder mye magnesium – det favoriserer utfelling av aragonitt pluss kalsitt som inneholder mye magnesium. Et kalsitt hav, lavere i magnesium, favoriserer lav-magnesium kalsitt.

Hemmeligheten er fersk havbunnsbasalt, hvis mineraler reagerer med magnesium i sjøvann og trekker det ut av sirkulasjonen. Når platetektonisk aktivitet er kraftig, får vi kalsitthav. Når det går langsommere og spredningssonene er kortere, får vi aragonitthav. Det er mer enn det, selvfølgelig. Det viktige er at de to ulike regimene eksisterer, og grensen mellom dem går omtrent når magnesium er dobbelt så mye som kalsium i sjøvann.

Jorden har hatt et aragonitthav siden for omtrent 40 millioner år siden (40 Ma). Den siste forrige aragonitthavsperioden var mellom sent Mississippian og tidlig jura tid (omtrent 330 til 180 Ma), og neste gang tilbake i tid var det siste prekambrium, før 550 Ma. Mellom disse periodene hadde jorden kalsitthav. Flere aragonitt- og kalsittperioder kartlegges lenger tilbake i tid.

Det antas at over geologisk tid har disse storskala mønstrene gjort en forskjell i blandingen av organismer som bygde skjær i sjøen. Tingene vi lærer om karbonatmineralisering og dens respons på havkjemi er også viktig å vite når vi prøver å finne ut hvordan havet vil reagere på menneskeskapte endringer i atmosfæren og klimaet.