Τον ασβεστίτη και τον αραγονίτη στον κύκλο άνθρακα του άνθρακα

Μπορείτε να σκεφτείτε τον άνθρακα ως στοιχείο που στη Γη βρίσκεται κυρίως στα ζωντανά πράγματα (δηλαδή, στην οργανική ύλη) ή στην ατμόσφαιρα ως διοξείδιο του άνθρακα. Και οι δύο αυτές γεωχημικές δεξαμενές είναι σημαντικές, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία του άνθρακα είναι κλειδωμένη ανθρακικά άλατα. Αυτά οδηγούνται από το ανθρακικό ασβέστιο, το οποίο παίρνει δύο ορυκτές μορφές που ονομάζονται ασβεστίτης και αραγωνίτης.

Ο αραγονίτης και ο ασβεστίτης έχουν τον ίδιο χημικό τύπο, CaCO₃, αλλά τα άτομα τους στοιβάζονται σε διαφορετικές διαμορφώσεις. Δηλαδή, είναι πολύμορφα. (Ένα άλλο παράδειγμα είναι το τρίο του κυανίτη, του ανδαλουσίτη και του σιλιμανίτη.) Ο αραγονίτης έχει ορθορομβική δομή και ασβεστόλιθο με τριγωνική δομή. Η γκαλερί ανθρακικών ορυκτών μας καλύπτει τα βασικά και των δύο ορυκτών από την άποψη του rockhound: πώς να τα αναγνωρίσουν, όπου βρίσκονται, μερικές από τις ιδιαιτερότητές τους.

Ο ασβεστίτης είναι πιο σταθερός σε γενικές γραμμές από τον αραγωνίτη, παρόλο που οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις αλλάζουν ένα από τα δύο μέταλλα μπορούν να μετατραπούν στο άλλο. Σε επιφανειακές συνθήκες, ο αραγονίτης μετατρέπεται αυθόρμητα σε ασβεστίνο σε γεωλογικούς χρόνους, αλλά σε υψηλότερες πιέσεις ο προτιμώμενος δομός είναι ο αραγωνίτης, ο πυκνότερος από τους δύο. Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργούν με χάρη του ασβεστίου. Στην επιφανειακή πίεση, ο αραγωνίτης δεν μπορεί να αντέξει τις θερμοκρασίες πάνω από τους 400 ° C για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Υψηλής πίεσης, χαμηλής θερμοκρασίας βράχους της blueschist οι μεταμορφωμένες μορφές περιέχουν συχνά φλέβες αραγωνίτη αντί για ασβεστίτη. Η διαδικασία επιστροφής στο ασβεστίτη είναι αρκετά αργή ώστε ο αραγωνίτης να μπορεί να παραμείνει σε μεταστατική κατάσταση, παρόμοια με αυτή διαμάντι.

Μερικές φορές ένας κρύσταλλος ενός ορυκτού μετατρέπεται στο άλλο ορυκτό διατηρώντας ταυτόχρονα το αρχικό του σχήμα ως α ψευδομορφή: μπορεί να μοιάζει με τυπικό ποδαράκι ασβεστόλιθου ή βελόνα αραγωνίτη, αλλά το πετρογραφικό μικροσκόπιο δείχνει πραγματική φύση. Πολλοί γεωλόγοι, για τους περισσότερους σκοπούς, δεν χρειάζεται να γνωρίζουν το σωστό πολύμορφο και απλά να μιλάνε για το "ανθρακικό". Τις περισσότερες φορές, το ανθρακικό στα πετρώματα είναι ασβεστίτης.

Η χημεία του ανθρακικού ασβεστίου είναι πιο περίπλοκη όταν κατανοείται ποιο πολύμορφο θα κρυσταλλωθεί από τη λύση. Αυτή η διαδικασία είναι κοινή στη φύση, επειδή κανένα από τα ορυκτά δεν είναι ιδιαίτερα διαλυτό και η παρουσία διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) στο νερό τους ωθεί προς καταβύθιση. Στο νερό, το CO₂ υπάρχει σε ισορροπία με το διττανθρακικό ιόν, HCO₃⁺, και ανθρακικό οξύ, Η₂CO₃, όλα τα οποία είναι ιδιαίτερα διαλυτά. Αλλαγή του επιπέδου CO₂ επηρεάζει τα επίπεδα αυτών των άλλων ενώσεων, αλλά το CaCO₃ στη μέση αυτής της χημικής αλυσίδας λίγο πολύ δεν έχει άλλη επιλογή παρά να καταβυθιστεί ως ορυκτό που δεν μπορεί να διαλύσει γρήγορα και να επιστρέψει στο νερό. Αυτή η μονόδρομη διαδικασία είναι μια σημαντική κινητήρια δύναμη του γεωλογικού κύκλου άνθρακα.

Ποια διάταξη των ιόντων ασβεστίου (Ca²⁺) και ιόντα ανθρακικών (CO₃^2–) θα επιλέξουν καθώς συμμετέχουν στο CaCO₃ εξαρτάται από τις συνθήκες στο νερό. Σε καθαρό γλυκό νερό (και στο εργαστήριο), κυριαρχεί ο ασβεστίτης, ειδικά σε δροσερό νερό. Οι σχηματισμοί καβέστωσης είναι γενικά ασβεστίτης. Τα ορυκτά τσιμέντα σε πολλούς ασβεστόλιθους και άλλους ιζηματογενείς βράχους είναι γενικά ασβεστίτης.

Ο ωκεανός είναι ο σημαντικότερος βιότοπος στο γεωλογικό αρχείο και η ανοργανοποίηση του ανθρακικού ασβεστίου αποτελεί σημαντικό μέρος της ωκεάνιας ζωής και της θαλάσσιας γεωχημείας. Το ανθρακικό ασβέστιο έρχεται κατευθείαν έξω από το διάλυμα για να σχηματίσει ορυκτά στρώματα στα μικρά στρογγυλά σωματίδια που ονομάζονται ooids και για να σχηματίσουν το τσιμέντο της λάσπης του θαλάσσιου νερού. Ποιο ορυκτό κρυσταλλώνει, ασβεστίτης ή αραγωνίτης, εξαρτάται από τη χημεία του νερού.

Το θαλασσινό νερό είναι γεμάτο ιόντα που ανταγωνίζονται με ασβέστιο και ανθρακικό άλας. Μαγνήσιο (Mg²⁺) προσκολλάται στη δομή του ασβεστίου, επιβραδύνοντας την ανάπτυξη του ασβεστίου και εξαναγκάζοντας τον εαυτό του στη μοριακή δομή του ασβεστίου, αλλά δεν παρεμβαίνει στον αραγωνίτη. Το θειικό ιόν (SO₄^–) επίσης καταστέλλει την ανάπτυξη ασβεστίου. Το θερμότερο νερό και η μεγαλύτερη παροχή διαλυμένου ανθρακικού άλατος ευνοούν τον αραγωνίτη, ενθαρρύνοντάς τον να αναπτυχθεί γρηγορότερα από ό, τι ο ασβεστίτης.

Αυτά τα πράγματα έχουν σημασία για τα ζωντανά πράγματα που κατασκευάζουν τα κοχύλια και τις δομές τους από το ανθρακικό ασβέστιο. Shellfish, συμπεριλαμβανομένων δίθυρα και brachiopods, είναι οικεία παραδείγματα. Τα κοχύλια τους δεν είναι καθαρά ορυκτά, αλλά περίπλοκα μίγματα μικροσκοπικών κρυστάλλων ανθρακικού δεσμού που συνδέονται μαζί με πρωτεΐνες. Τα μονοκύτταρα ζώα και τα φυτά που ταξινομούνται ως πλαγκτόν κάνουν τα κελύφη τους ή τις δοκιμές τους με τον ίδιο τρόπο. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας φαίνεται να είναι ότι τα φύκια επωφελούνται από την παραγωγή ανθρακικών αλάτων εξασφαλίζοντας τον εαυτό τους μια έτοιμη προμήθεια CO₂ για να βοηθήσει με τη φωτοσύνθεση.

Όλα αυτά τα πλάσματα χρησιμοποιούν ένζυμα για να κατασκευάσουν το ορυκτό που προτιμούν. Ο αραγονίτης σχηματίζει κρύσταλλα με βελόνες, ενώ ο ασβεστίτης είναι μπλοκαρισμένος, αλλά πολλά είδη μπορούν να χρησιμοποιήσουν και τα δύο. Πολλά κελύφη μαλακίων χρησιμοποιούν αραγωνίτη στο εσωτερικό και ασβεστόλιθο στο εξωτερικό. Ό, τι και αν κάνουν, χρησιμοποιεί ενέργεια και όταν οι ωκεάνιες συνθήκες ευνοούν ένα ανθρακικό άλας ή το άλλο, η διαδικασία κατασκευής κελύφους απαιτεί επιπλέον ενέργεια για να λειτουργήσει ενάντια στις επιταγές της καθαρής χημείας.

Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή της χημείας μιας λίμνης ή του ωκεανού τιμωρεί μερικά είδη και πλεονεκτήματα άλλα. Πάνω από τη γεωλογική εποχή ο ωκεανός έχει μετατοπιστεί μεταξύ των «θαλασσών των αραγωνίτη» και των «θαλάσσιων ασβεστώσεων». Σήμερα είμαστε σε ένα αραγωνίτη θάλασσα με υψηλή περιεκτικότητα σε μαγνήσιο - ευνοεί την κατακρήμνιση του αραγωνίτη και του ασβεστίου που είναι μαγνήσιο. Μια θάλασσα ασβεστίου, χαμηλότερη στο μαγνήσιο, ευνοεί το ασβεστίου χαμηλού μαγνησίου.

Το μυστικό είναι ο φρέσκος βασάλτης της θάλασσας, των οποίων τα ανόργανα στοιχεία αντιδρούν με το μαγνήσιο στο θαλασσινό νερό και τα βγάζουν έξω από την κυκλοφορία. Όταν η τεκτονική δραστηριότητα της πλάκας είναι έντονη, λαμβάνουμε θάλασσες ασβεστίου. Όταν είναι πιο αργή και οι ζώνες εξάπλωσης είναι μικρότερες, παίρνουμε θάλασσες αραγωνίτη. Υπάρχουν περισσότερα από αυτό, φυσικά. Το σημαντικό είναι ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά καθεστώτα και το όριο μεταξύ τους είναι περίπου όταν το μαγνήσιο είναι διπλάσιο από το ασβέστιο στο θαλασσινό νερό.

Η Γη είχε μια αραγονίτη θάλασσα από περίπου 40 εκατομμύρια χρόνια πριν (40 μ.Χ.). Η πιο πρόσφατη προηγούμενη περίοδος της αραγωνίτης ήταν μεταξύ της ύστερης περιόδου του Μισισιπή και της πρώιμης Ζυρίσσας (περίπου 330-180 ° C Ma), και στη συνέχεια να επιστρέψουμε στο χρόνο ήταν ο τελευταίος Precambrian, πριν 550 Ma. Μεταξύ αυτών των περιόδων, η Γη είχε ασβεστίτη θάλασσες. Περισσότερες περιόδους αραγωνίτη και ασβεστίου έχουν χαρτογραφηθεί μακρύτερα πίσω στο χρόνο.

Θεωρείται ότι, πέρα ​​από τη γεωλογική στιγμή, αυτά τα σχέδια μεγάλης κλίμακας έχουν κάνει τη διαφορά στο μίγμα των οργανισμών που έχτισαν υφάλους στη θάλασσα. Τα πράγματα που μαθαίνουμε για την μεταλλοποίηση του ανθρακικού άλατος και η ανταπόκρισή του στη χημεία των ωκεανών είναι επίσης σημαντικά να γνωρίζουμε καθώς προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς η θάλασσα θα ανταποκριθεί στις αλλαγές που προκαλούνται από τον άνθρωπο στην ατμόσφαιρα και κλίμα.