Ogljik si lahko predstavljate kot element, ki ga na Zemlji najdemo predvsem v živih bitjih (torej v organskih snoveh) ali v ozračju kot ogljikov dioksid. Seveda sta pomembna oba geokemijska rezervoarja, vendar je velika večina ogljika zaklenjena karbonatni minerali. Te vodi kalcijev karbonat, ki ima dve mineralni obliki, imenovani kalcit in aragonit.
Minerali kalcijevega karbonata v skalah
Aragonit in kalcit imata isto kemijsko formulo, CaCO3, vendar so njihovi atomi zloženi v različnih konfiguracijah. Se pravi, da so polimorfi. (Drugi primer je trio kyanita, andalusita in silimanita.) Aragonit ima ortorombično strukturo in kalcit trigonalno strukturo. Naša galerija karbonatnih mineralov pokriva osnove obeh mineralov z vidika rockhounda: kako jih prepoznati, kje jih najdemo, nekatere njihove posebnosti.
Kalcit je na splošno bolj stabilen kot aragonit, čeprav se lahko zaradi temperatur in pritiskov eden od obeh mineralov pretvori v drugega. V površinskih pogojih se aragonit v geološkem času spontano spremeni v kalcit, pri višjih pritiskih pa je prednostna struktura aragonit, gostejši od obeh. Visoke temperature delujejo v korist kalcita. Pri površinskem tlaku aragonit ne more dolgo vzdržati temperature nad okoli 400 ° C.
Visokotlačne, nizkotemperaturne kamnine blueshist metamorfne facije namesto kalcita vsebujejo žile aragonita. Proces vrnitve v kalcit je dovolj počasen, da lahko aragonit vztraja v metastabilnem stanju, podobno kot diamant.
Včasih se kristal enega minerala pretvori v drugega minerala, hkrati pa ohrani prvotno obliko psevdomorf: lahko je videti kot tipičen kalcitni gumb ali aragonitno iglo, vendar petrografski mikroskop pokaže prava narava. Mnogim geologom za večino namenov ni treba poznati pravilnega polimorfa in samo govoriti o "karbonatu". Večino časa je karbonat v kamninah kalcit.
Minerali kalcijevega karbonata v vodi
Kemija kalcijevega karbonata je bolj zapletena, če gre za razumevanje, kateri polimorfen bo kristaliziral iz raztopine. Ta postopek je v naravi pogost, saj niti mineral ni visoko topen in prisotnost raztopljenega ogljikovega dioksida (CO2) v vodi jih potisne k oborini. V vodi CO2 obstaja v ravnovesju z bikarbonatnim ionom, HCO3+in ogljikova kislina, H2CO3, ki so vsi zelo topni. Spreminjanje ravni CO2 vpliva na ravni teh drugih spojin, vendar na CaCO3 sredi te kemične verige ima skoraj nič drugega, kot da se obori kot mineral, ki se ne more hitro raztopiti in se vrne v vodo. Ta enosmerni postopek je glavni dejavnik geološkega ogljikovega cikla.
Kateri razpored kalcijevih ionov (Ca2+) in karbonatni ioni (CO32–) bodo izbrali, ko se bodo pridružili CaCO3 odvisno od razmer v vodi. V čisti sladki vodi (in v laboratoriju) prevladuje kalcit, zlasti v hladni vodi. Tvorbe jamskih kamnov so na splošno kalcitne. Mineralni cementi v mnogih apnencih in drugih sedimentnih kamninah so na splošno kalcitni.
Ocean je najpomembnejši habitat v geološkem zapisu, mineralizacija kalcijevega karbonata pa je pomemben del oceanskega življenja in morske geokemije. Kalcijev karbonat izhaja neposredno iz raztopine, da tvori mineralne plasti na drobnih okroglih delcih, imenovanih ooidi, in tvori cement morskega dna. Kateri mineral kristalizira, kalcit ali aragonit, je odvisno od kemije vode.
Morska voda je polna ioni ki tekmujejo s kalcijem in karbonatom. Magnezij (Mg2+) se oprijema strukture kalcita, upočasni rast kalcita in se prisili v molekularno strukturo kalcita, vendar aragonit ne moti. Sulfatni ion (SO4–) tudi zavira rast kalcita. Toplejša voda in večja zaloga raztopljenega karbonata dajeta prednost aragonitu, saj ga spodbudi, da raste hitreje kot kalcit.
Kalcitna in aragonitska morja
Te stvari so pomembne za živa bitja, ki svoje lupine in strukture gradijo iz kalcijevega karbonata. Školjke, vključno školjk in brahiopodi so znani primeri. Njihove lupine niso čisti minerali, ampak zapletene mešanice mikroskopskih kristalov karbonata, vezanih skupaj z beljakovinami. Enocelične živali in rastline, razvrščene kot plankton, naredijo svoje lupine ali teste na enak način. Drugi pomemben dejavnik se zdi, da alge izkoriščajo karbonat s tem, da si zagotovijo zalogo CO2 za pomoč pri fotosintezi.
Vsa ta bitja uporabljajo encime za gradnjo minerala, ki ga imajo najraje. Aragonit ustvarja iglaste kristale, medtem ko kalcit ustvarja blokade, vendar mnoge vrste lahko uporabijo katero koli. Številne školjke mehkužcev uporabljajo aragonit na notranji strani in kalcit na zunanji strani. Ne glede na to, kaj počnejo, porablja energijo in kadar oceanski pogoji dajejo prednost enemu ali drugemu karbonatu, postopek gradnje lupin zahteva dodatno energijo, da deluje proti narekom čiste kemije.
To pomeni, da sprememba kemije jezera ali oceana nekatere vrste kaznuje, druge pa koristi. V geološkem času se je ocean preusmeril med "aragonitska morja" in "kalcitna morja." Danes smo v morje z aragonitom, ki vsebuje veliko magnezija, daje prednost obarjanju aragonita in kalcita, ki vsebuje veliko magnezija. Morje s kalcitom, ki ima manj magnezija, favorizira kalcijev z nizkim deležem magnezija.
Skrivnost je svež morsko dno bazalt, katerega minerali reagirajo z magnezijem v morski vodi in ga izvlečejo iz obtoka. Ko je tektonska aktivnost plošče živahna, dobimo kalcitna morja. Ko so počasnejše in se območja širjenja krajšajo, dobimo morja aragonita. Seveda je več kot to. Pomembno je, da obstajata dva različna režima, meja med njima pa je približno takrat, ko je magnezij dvakrat bolj bogat kot kalcij v morski vodi.
Zemlja ima aragonitno morje od približno 40 milijonov let nazaj (40 Ma). Zadnje prejšnje obdobje morja aragonita je bilo med poznim misipskim in zgodnjim jurskim časom (približno 330 do 180 Ma), naslednji čas nazaj pa je bil zadnji predkambrij, pred 550 Ma. Vmes je imela Zemlja kalcit morij. Več časov aragonita in kalcita se preslikava dlje v preteklost.
Mislimo, da so ti obsežni vzorci v geološkem času spremenili kombinacijo sestavljenih organizmov grebeni v morju. Pomembne so tudi stvari, ki se jih naučimo o mineralizaciji karbonata in njegovem odzivu na oceansko kemijo vedeti, kako poskušamo ugotoviti, kako se bo morje odzvalo na spremembe, nastale v atmosferi in podnebje.