Calciet en Aragoniet in de koolstofcyclus van de aarde

Je zou koolstof kunnen beschouwen als een element dat op aarde voornamelijk voorkomt in levende wezens (dat wil zeggen in organische stof) of in de atmosfeer als kooldioxide. Beide geochemische reservoirs zijn natuurlijk belangrijk, maar de overgrote meerderheid van koolstof zit opgesloten carbonaatmineralen. Deze worden geleid door calciumcarbonaat, dat twee minerale vormen aanneemt: calciet en aragoniet.

Aragoniet en calciet hebben dezelfde chemische formule, CaCO₃, maar hun atomen zijn gestapeld in verschillende configuraties. Dat wil zeggen, dat zijn ze 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 oogpunt van de rockhound: hoe je ze kunt identificeren, waar ze worden gevonden, enkele van hun eigenaardigheden.

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

Hoge druk, lage temperatuur rotsen van de blueschist metamorfe facies bevatten vaak aders van aragoniet in plaats van calciet. Het proces om terug te keren naar calciet is traag genoeg zodat aragoniet kan blijven bestaan ​​in een metastabiele toestand, vergelijkbaar met diamant.

Soms wordt een kristal van het ene mineraal omgezet in het andere mineraal met behoud van de oorspronkelijke vorm als een pseudomorf: het lijkt misschien op een typische calcietknop of aragonietnaald, maar de petrografische microscoop toont zijn ware aard. Veel geologen hoeven voor de meeste doeleinden niet de juiste polymorf te kennen en praten alleen over "carbonaat". Het carbonaat in rotsen is meestal calciet.

Calciumcarbonaatchemie is ingewikkelder als het erom gaat te begrijpen welke polymorf uit oplossing zal kristalliseren. Dit proces komt veel voor in de natuur, omdat geen van beide mineralen goed oplosbaar is en de aanwezigheid van opgeloste kooldioxide (CO₂) in water duwt ze in de richting van neerslaan. In water, CO₂ bestaat in evenwicht met het bicarbonaation, HCO₃⁺en koolzuur, H₂CO₃die allemaal zeer goed oplosbaar zijn. Het niveau van CO veranderen₂ beïnvloedt de niveaus van deze andere verbindingen, maar de CaCO₃ in het midden van deze chemische keten heeft vrijwel geen andere keuze dan neer te slaan 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 opstelling de calciumionen (Ca²⁺) en carbonaat-ionen (CO₃^2–) zal 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 koel water. Cavestone-formaties zijn over het algemeen calciet. Minerale cementen in veel kalkstenen en andere sedimentaire gesteenten zijn over het algemeen calciet.

De oceaan is de belangrijkste habitat in het geologische record en de mineralisatie van calciumcarbonaat 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 er vol mee ionen die concurreren met calcium en carbonaat. Magnesium (Mg²⁺) hecht zich aan de calcietstructuur, vertraagt ​​de groei van calciet en dwingt zichzelf in de moleculaire structuur van calciet, maar het interfereert niet met aragoniet. Sulfaation (SO₄^–) onderdrukt ook de groei van calciet. Warmer water en een grotere voorraad opgelost carbonaat bevoordelen aragoniet door het aan te moedigen sneller te groeien dan calciet.

Deze dingen zijn van belang voor de levende wezens die hun schelpen en structuren bouwen uit calciumcarbonaat. Schaaldieren, inclusief tweekleppigen en brachiopoden, zijn bekende voorbeelden. Hun schelpen zijn geen puur mineraal, maar ingewikkelde mengsels van microscopisch kleine carbonaatkristallen die aan elkaar zijn gebonden met eiwitten. De eencellige dieren en planten 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 voorzien van een gemakkelijke CO-voorziening₂ om te helpen met fotosynthese.

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

Dit betekent dat het veranderen van de chemie van een meer of de oceaan sommige soorten benadeelt en andere voordelen biedt. In de geologische tijd is de oceaan verschoven tussen 'aragonietzeeën' en 'calcietzeeën'. Vandaag zitten we in een aragonietzee met een hoog magnesiumgehalte - het bevordert de neerslag van aragoniet plus calciet met een hoog gehalte magnesium. Een calcietzee, lager in magnesium, is voorstander van magnesiumarm calciet.

Het geheim is vers basalt op de zeebodem, waarvan de mineralen reageren met magnesium in zeewater en het uit de circulatie trekken. 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 daartussen is ruwweg wanneer magnesium tweemaal zo overvloedig is als calcium in zeewater.

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

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