Kalsitt og aragonitt i jordens karbonsyklus

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

Aragonitt og kalsitt har den samme kjemiske formelen, CaCO₃, men atomene deres er stablet i forskjellige konfigurasjoner. Det vil si, de er det polymorfe. (Et annet eksempel er trioen kyanitt, andalusitt og sillimanitt.) Aragonite har en ortorombisk struktur og kalsiterer en trigonal struktur. Vårt galleri med karbonatmineraler dekker det grunnleggende om begge mineraler fra steinhundens synspunkt: hvordan identifisere dem, hvor de er funnet, noen av deres særegenheter.

Kalsitt er mer stabilt generelt enn aragonitt, selv om temperaturer og trykk forandrer seg, kan det ene av de to mineralene omdannes 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 kan ikke aragonitt tåle temperaturer over 400 ° C i lang tid.

Høytrykk, lav temperatur bergarter av blåskifer metamorfe ansikter inneholder ofte blodårer i stedet for kalsitt. Prosessen med å slå tilbake til kalsitt er langsom nok til at aragonitt kan vedvare i en metastabil tilstand, lik diamant.

Noen ganger konverterer en krystall av det ene mineralet til det andre mineralet mens den opprettholder sin opprinnelige form som en pseudomorf: det kan se ut som en typisk kalsittknott eller aragonittnål, men det petrografiske mikroskopet viser dets ekte natur. For mange formål trenger ikke mange geologer å vite riktig polymorf og bare snakke om "karbonat." Det meste av tiden er karbonatet i bergarter kalsitt.

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 oppløselige og tilstedeværelsen av oppløst karbondioksid (CO₂) i vann presser dem mot utfelling. I vann, CO₂ eksisterer i balanse med bikarbonationet, HCO₃⁺og karbonsyre, H₂CO₃, som alle er svært løselige. Endring av nivået på CO₂ påvirker nivåene av disse andre forbindelsene, men CaCO₃ i midten av denne kjemiske kjeden har stort sett ikke noe annet valg enn å utfelle som et mineral som ikke kan oppløses raskt og komme tilbake til vannet. Denne enveis prosessen er en viktig driver for den geologiske karbonsyklusen.

Hvilket arrangement kalsiumionene (Ca²⁺) og karbonationer (CO₃^2–) vil velge når de blir med på CaCO₃ avhenger av forholdene i vannet. I rent ferskvann (og på laboratoriet) dominerer kalsitt, spesielt i kjølig vann. Hulesteinsformasjoner er vanligvis kalsitt. Mineralsement i mange kalkstein og andre sedimentære bergarter er vanligvis kalsitt.

Havet er det viktigste habitatet i den geologiske referansen, og kalsiumkarbonatmineralisering er en viktig del av det marine livet og marin geokjemi. Kalsiumkarbonat kommer direkte ut av løsningen for å danne minerallag på de bittesmå runde partiklene som kalles ooider og for å danne sement av sjøbunnslam. 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 fast til kalsittstrukturen, bremser veksten av kalsitt og tvinger seg selv til kalsittens molekylstruktur, men det forstyrrer ikke aragonitt. Sulfation (SO₄^–) demper også kalsittveksten. Varmere vann og en større tilførsel av oppløst karbonat favoriserer aragonitt ved å oppmuntre den til å vokse raskere enn kalsitt kan.

Disse tingene betyr noe for de levende tingene som bygger skjell og strukturer av kalsiumkarbonat. Skalldyr, inkludert skjell og brachiopoder, er kjente eksempler. Deres skjell er ikke rent mineral, men intrikate blandinger av mikroskopiske karbonatkrystaller bundet sammen med proteiner. Encellede dyr og planter klassifisert som plankton lager skjellene sine eller testene på samme måte. En annen viktig faktor ser ut til å være at alger drar fordel av å lage karbonat ved å sikre seg en klar tilførsel av CO₂ for å hjelpe med fotosyntesen.

Alle disse skapningene bruker enzymer for å konstruere mineralet de foretrekker. Aragonitt lager nålelignende krystaller mens kalsitt gjør blokkerende, men mange arter kan benytte seg av begge. Mange bløtdyrskaller bruker aragonitt på innsiden og kalsitt på utsiden. Uansett hva de gjør bruker energi, og når havforholdene favoriserer det ene karbonatet eller det andre, tar skjellbyggingsprosessen ekstra energi for å arbeide mot diktene av 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 en aragonitthav som er høyt i magnesium - det favoriserer nedbøren av aragonitt pluss kalsitt som er høyt i magnesium. Et kalsitthav, lavere i magnesium, favoriserer lavmagnesiumkalsitt.

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

Jorden har hatt et aragonitt hav siden for omtrent 40 millioner år siden (40 Ma). Den siste forrige aragonitt-havperioden var mellom sent Mississippian og tidlig jura (ca. 330 til 180) Ma), og neste gang å gå tilbake i tid var den siste precambrian, før 550 Ma. I mellom disse periodene hadde Jorden kalsitt hav. Flere aragonitt- og kalsittperioder blir kartlagt 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 viktige å vite når vi prøver å finne ut hvordan havet vil reagere på menneskeskapte endringer i atmosfæren og klima.