Võite mõelda süsinikule kui elemendile, mida Maal leidub peamiselt elusas olekus (st orgaanilises aines) või atmosfääris süsinikdioksiidina. Mõlemad geokeemilised reservuaarid on muidugi olulised, kuid suurem osa süsinikust on lukustatud karbonaatmineraalid. Neid juhib kaltsiumkarbonaat, millel on kaks mineraalvormi - kaltsiit ja aragoniit.
Kaltsiumkarbonaatmineraalid kivimites
Aragoniidil ja kaltsiidil on sama keemiline valem, CaCO3, kuid nende aatomid on virnastatud erinevates konfiguratsioonides. St nad on polümorfid. (Veel üks näide on küaniidi, andalusiidi ja sillimaniidi kolmik.) Aragoniidil on ortorombiline struktuur ja kaltsiidil trigoonne struktuur. Meie karbonaatsete mineraalide galerii hõlmab mõlema mineraalaine põhitõdesid kiviktaimla vaatenurgast: kuidas neid tuvastada, kus nad asuvad, nende eripära.
Kaltsiit on üldiselt stabiilsem kui aragoniit, kuigi temperatuuri ja rõhu muutumisel võib üks kahest mineraalist teisendada teiseks. Pinnatingimustes muutub aragoniit geoloogilise aja jooksul spontaanselt kaltsiidiks, kuid kõrgema rõhu korral on eelistatud aragoniit, mis on tihedam neist kahest. Kõrge temperatuur töötab kaltsiidi kasuks. Pinna rõhul ei suuda aragoniit pikka aega üle 400 ° C tõusta.
Läänemere kõrge rõhu ja madala temperatuuriga kivimid blueschist metamorfivabad kihid sisaldavad kaltsiidi asemel sageli aragoniti veeni. Kaltsiidiks naasmise protsess on piisavalt aeglane, et aragoniit püsiks metastabiilses olekus sarnaselt teemant.
Mõnikord muundub ühe mineraali kristall teiseks mineraaliks, säilitades selle esialgse kuju pseudomorph: see võib tunduda tüüpiline kaltsiitnupp või aragoniitnõel, kuid petrograafiline mikroskoop näitab tõeline olemus. Paljud geoloogid ei pea enamikul juhtudel teadma õiget polümorfi ja rääkima lihtsalt "karbonaadist". Enamasti on kivimites sisalduv karbonaat kaltsiit.
Kaltsiumkarbonaatmineraalid vees
Kaltsiumkarbonaadi keemia on keerukam, kui on vaja aru saada, milline polümorf kristalliseerub lahusest. See protsess on oma olemuselt tavaline, kuna kumbki mineraal pole eriti hästi lahustuv ja lahustunud süsinikdioksiidi (CO2) vees surub neid sademete poole. Vees, CO2 eksisteerib tasakaalus vesinikkarbonaatiooniga, HCO3+ja süsihape, H2CO3, mis kõik on hästi lahustuvad. CO taseme muutmine2 mõjutab nende teiste ühendite taset, kuid CaCO3 selle keemilise ahela keskel pole suurel hulgal muud valikut kui sadestuda mineraalina, mis ei lahustu kiiresti ja naaseb vette. See ühesuunaline protsess on geoloogilise süsinikuringluse peamine mootor.
Millises paigutuses kaltsiumiioonid (Ca2+) ja karbonaatioonid (CO32–) valivad nad CaCO-ga liitumisel3 sõltub vee tingimustest. Puhas magevees (ja laboris) on kaltsiit ülekaalus, eriti jahedas vees. Haavakivi moodustised on üldiselt kaltsiit. Paljudes lubjakivides ja teistes settekivimites sisalduvad mineraaltsemendid on üldiselt kaltsiit.
Ookean on geoloogiliste andmete tähtsaim elupaik ning kaltsiumkarbonaadi mineraliseerumine on oluline osa ookeanide elust ja meregeokeemiast. Kaltsiumkarbonaat väljub lahusest otse, moodustades väikestele ümmargustele osakestele, mida nimetatakse oodeksiteks, mineraalkihid ja moodustades merepõhja muda tsemendi. Milline mineraal kristalliseerub, kaltsiit või aragoniit, sõltub vee keemilisest seisundist.
Merevesi on täis ioonid mis konkureerivad kaltsiumi ja karbonaadiga. Magneesium (Mg2+) klammeerub kaltsiidi struktuuris, aeglustades kaltsiidi kasvu ja sundides ennast kaltsiidi molekulaarstruktuuriks, kuid see ei häiri aragoniti. Sulfaatioon (SO4–) pärsib ka kaltsiidi kasvu. Soojem vesi ja suurem kogus lahustunud karbonaati soodustavad aragoniiti, julgustades seda kasvama kiiremini kui kaltsiit suudab.
Kaltsiidi ja aragoniidi meri
Need asjad on olulised elusolenditele, kes ehitavad nende kestad ja struktuurid kaltsiumkarbonaadist. Karpides, sealhulgas kahepoolmelised ja käsijalgsed, on tuttavad näited. Nende kestad pole puhtad mineraalid, vaid mikroskoopiliste karbonaatkristallide keerulised segud, mis on seotud valkudega. Planktoniks klassifitseeritud üherakulised loomad ja taimed teevad oma kestad või katsed samamoodi. Teine oluline tegur näib olevat see, et vetikad saavad kasu karbonaadist, kui nad tagavad ise süsinikdioksiidi täieliku varustamise2 et aidata fotosünteesi.
Kõik need olendid kasutavad ensüüme eelistatud mineraali konstrueerimiseks. Aragoniit teeb nõelataolisi kristalle, kaltsiit aga jämedaid, kuid paljud liigid saavad neist kumbagi kasutada. Paljud molluskikoored kasutavad seest aragoniti ja väljast kaltsiiti. Ükskõik, mida nad ka ei kasutaks energiat ja kui ookeanitingimused eelistavad ühte või teist karbonaati, kulub kesta ehitamise protsessis puhta energia keemia diktaadile vastu töötamiseks lisaenergiat.
See tähendab, et järve või ookeani keemia muutmine kahjustab mõnda liiki ja eelistab teisi. Geoloogilise aja jooksul on ookean nihkunud "aragonite merede" ja "kaltsiidi merede" vahel. Täna oleme me aragonite meri, milles on palju magneesiumi - see soodustab aragoniti ja kaltsiidi, mis on kõrge magneesium. Kaltsiitmeres, madalama magneesiumisisaldusega, eelistatakse madala magneesiumisisaldusega kaltsiiti.
Saladus on värske merepõhja basalt, mille mineraalid reageerivad merevees sisalduva magneesiumiga ja tõmbavad selle ringlusest välja. Kui plaatide tektooniline aktiivsus on tugev, saame kaltsiitmered. Kui see on aeglasem ja levikualad on lühemad, saame aragonite mered. Muidugi on seal midagi enamat. Oluline on see, et kaks erinevat režiimi on olemas ja piir nende vahel on umbkaudu siis, kui magneesiumi on merevees kaks korda rohkem kui kaltsiumi.
Maakeral on aragonite meri olnud umbes 40 miljonit aastat tagasi (40 Ma). Viimane eelmine aragonite mereperiood oli hilise Mississippia ja varajase juura perioodi vahel (umbes 330–180 Ma) ja järgmine ajas tagasi minemine oli viimane Precambrian, enne 550 Ma. Nende perioodide vahel oli Maal kaltsiit meredel. Rohkem aragonite ja kaltsiidi perioode kaardistatakse ajas kaugemale.
Arvatakse, et geoloogilise aja jooksul on need suuremahulised mustrid muutnud organismi, mis ehitas riffe meres. Samuti on olulised asjad, mida õpime karbonaadi mineralisatsiooni ja selle reageerimise kohta ookeanikeemiale kui proovime välja mõelda, kuidas meri reageerib inimeste põhjustatud muutustele atmosfääris ja kliima.