Calciet versus Aragoniet

Je kunt koolstof beschouwen als een element dat op aarde vooral wordt gevonden in levende wezens (dat wil zeggen in organische materie) of in de atmosfeer als koolstofdioxide. Beide geochemische reservoirs zijn natuurlijk belangrijk, maar de overgrote meerderheid van koolstof zit opgesloten in carbonaatmineralen. Deze worden geleid door calciumcarbonaat, dat twee minerale vormen aanneemt, genaamd calciet en aragoniet.

Calciumcarbonaatmineralen in rotsen

Aragoniet en calciet hebben dezelfde chemische formule, CaCO₃, maar hun atomen zijn gestapeld in verschillende configuraties. Dat wil zeggen, ze zijn polymorfen. (Een ander voorbeeld is het trio van kyaniet, andalusiet en sillimaniet.) Aragoniet heeft een orthorhombische structuur en calciet een trigonale structuur. Onze galerij met carbonaatmineralen behandelt de basis van beide mineralen vanuit het gezichtspunt van de rockhound: hoe ze te identificeren, waar ze worden gevonden, enkele van hun eigenaardigheden.

Calciet is over het algemeen stabieler dan aragoniet, hoewel naarmate de temperatuur en de druk veranderen, een van de twee mineralen in de andere kan worden omgezet. Bij oppervlaktecondities verandert aragoniet spontaan in calciet gedurende geologische tijd, maar bij hogere drukken is aragoniet, de dichtere van de twee, de voorkeursstructuur. Hoge temperaturen werken in het voordeel van calciet. Bij oppervlaktedruk kan aragoniet niet lang temperaturen boven ongeveer 400 ° C verdragen.

Hoge druk, lage temperatuurrotsen van de blueschistische metamorfe facies bevatten vaak aderen van aragoniet in plaats van calciet. Het proces om terug te keren naar calciet is langzaam genoeg zodat aragoniet kan blijven bestaan ​​in een metastabiele toestand, vergelijkbaar met diamant.

Soms converteert een kristal van het ene mineraal naar het andere mineraal met behoud van zijn oorspronkelijke vorm als een pseudomorf: het kan lijken op een typische calcietknop of aragonietnaald, maar de petrografische microscoop toont zijn ware aard. Veel geologen hoeven voor de meeste doeleinden de juiste polymorf niet te kennen en praten alleen over 'carbonaat'. Meestal is het carbonaat in rotsen calciet.

Calciumcarbonaatmineralen in water

Calciumcarbonaatchemie is ingewikkelder als het gaat om het begrijpen welke polymorf uit oplossing zal kristalliseren. Dit proces is gebruikelijk in de natuur, omdat geen van beide mineraal oplosbaar is en de aanwezigheid van opgelost koolstofdioxide (CO₂) in water duwt ze in de richting van neerslaan. In water, CO₂ bestaat in evenwicht met het bicarbonaat-ion, HCO₃⁺, en koolzuur, H₂CO₃, die allemaal goed oplosbaar zijn. Het CO-niveau wijzigen₂ beïnvloedt de niveaus van deze andere verbindingen, maar de CaCO₃ in het midden van deze chemische keten heeft vrijwel geen andere keuze dan te neerslaan als een mineraal dat niet snel kan oplossen en naar het water kan terugkeren. Dit eenrichtingsproces is een belangrijke motor van de geologische koolstofcyclus.

Welke regeling de calciumionen (Ca²⁺) en carbonaationen (CO₃^2-) zullen kiezen wanneer ze toetreden tot CaCO₃ hangt af van de omstandigheden in het water. In schoon zoet water (en in het laboratorium) overheerst calciet, vooral in koud water. Kalksteenformaties zijn over het algemeen calciet. Minerale cementen in veel kalksteen en andere sedimentaire gesteenten zijn over het algemeen calciet.

De oceaan is de belangrijkste habitat in het geologisch record, en calciumcarbonaatmineralisatie is een belangrijk onderdeel van het oceaanleven en de mariene geochemie. Calciumcarbonaat komt rechtstreeks uit de oplossing om minerale lagen te vormen op de kleine ronde deeltjes die ooïden worden genoemd en om het cement van zeebodemmodder te vormen. Welk mineraal kristalliseert, calciet of aragoniet, hangt af van de waterchemie.

Zeewater zit vol met ionen die concurreren met calcium en carbonaat. Magnesium (Mg²⁺) klampt zich vast aan de calcietstructuur, vertraagt ​​de groei van calciet en dwingt zichzelf in de moleculaire structuur van calciet, maar het interfereert niet met aragoniet. Sulfaat-ion (SO₄^-) onderdrukt ook de groei van calciet. Warm water en een grotere voorraad opgelost carbonaat geven de voorkeur aan aragoniet door het aan te moedigen sneller te groeien dan calciet.

Calciet- en Aragonietzeeën

Deze dingen zijn belangrijk voor de levende wezens die hun schalen en structuren bouwen uit calciumcarbonaat. Schelpdieren, inclusief tweekleppigen en brachiopoden, zijn bekende voorbeelden. Hun omhulsels zijn niet puur mineraal, maar ingewikkelde mengsels van microscopisch kleine carbonaatkristallen samengebonden met eiwitten. De eencellige dieren en planten die zijn geclassificeerd als plankton maken hun schelpen of tests op dezelfde manier. Een andere belangrijke factor lijkt te zijn dat algen baat hebben bij het maken van carbonaat door zichzelf te verzekeren van een gemakkelijke aanvoer van CO₂ om te helpen met fotosynthese.

Al deze wezens gebruiken enzymen om het mineraal te bouwen dat ze verkiezen. Aragoniet maakt naaldachtige kristallen, terwijl calciet blokkerige kristallen maakt, maar veel soorten kunnen van beide gebruikmaken. Veel weekdierschelpen gebruiken aragoniet aan de binnenkant en calciet aan de buitenkant. Wat ze ook doen, gebruikt energie, en wanneer oceaanomstandigheden het ene of het andere carbonaat begunstigen, kost het shell-opbouwproces extra energie om tegen de eisen van pure chemie in te gaan.

Dit betekent dat het veranderen van de chemie van een meer of de oceaan sommige soorten bestraft en anderen ten goede komt. In de loop van de geologische tijd is de oceaan verschoven tussen 'aragonietzeeën' en 'calcietzeeën'. Tegenwoordig bevinden we ons in een aragonietzee met een hoog magnesiumgehalte - het bevordert de neerslag van aragoniet plus calciet met een hoog magnesiumgehalte. Een calcietzee, lager in magnesium, geeft de voorkeur aan calciumarm calcium.

Het geheim is vers zeebodem basalt, waarvan de mineralen reageren met magnesium in zeewater en het uit de circulatie halen. Wanneer de tektonische activiteit van de plaat krachtig is, krijgen we calcietzeeën. Als het langzamer is en de verspreidingszones korter zijn, krijgen we aragonietzeeën. Er is natuurlijk meer aan de hand. Het belangrijkste is dat de twee verschillende regimes bestaan, en de grens tussen hen is ruwweg wanneer magnesium twee keer zo overvloedig is als calcium in zeewater.

De aarde heeft sinds ongeveer 40 miljoen jaar geleden (40 Ma) een aragonietzee. De meest recente voorgaande zee-periode van aragoniet was tussen de late Mississippiaanse en vroege Jura-tijd (ongeveer 330 tot 180 Ma), en de volgende keer terug in de tijd was de laatste Precambrian, vóór 550 Ma. Tussen deze periodes had de aarde calcietzeeën. Meer aragoniet- en calcietperioden worden verder in de tijd in kaart gebracht.

Er wordt gedacht dat in de geologische tijd deze grootschalige patronen een verschil hebben gemaakt in de mix van organismen die riffen in zee hebben gebouwd. De dingen die we leren over carbonaatmineralisatie en de reactie op oceaanchemie zijn ook belangrijk om te weten, omdat we proberen uit te zoeken hoe de zee zal reageren op door de mens veroorzaakte veranderingen in de atmosfeer en het klimaat.