Puoi pensare al carbonio come a un elemento che si trova principalmente sulla terra (cioè nella materia organica) o nell'atmosfera come anidride carbonica. Entrambi questi serbatoi geochimici sono importanti, ovviamente, ma la stragrande maggioranza del carbonio è bloccata minerali carbonatici. Questi sono guidati dal carbonato di calcio, che assume due forme minerali chiamate calcite e aragonite.
Minerali di carbonato di calcio nelle rocce
Aragonite e calcite hanno la stessa formula chimica, CaCO3, ma i loro atomi sono impilati in diverse configurazioni. Cioè, lo sono polimorfi. (Un altro esempio è il trio di cianite, andalusite e sillimanite.) L'aragonite ha una struttura ortorombica e calcite una struttura trigonale. La nostra galleria di minerali carbonatici copre le basi di entrambi i minerali dal punto di vista del rockhound: come identificarli, dove si trovano, alcune delle loro peculiarità.
La calcite è più stabile in generale dell'aragonite, sebbene quando le temperature e le pressioni cambiano uno dei due minerali può convertirsi nell'altro. In condizioni di superficie, l'aragonite si trasforma spontaneamente in calcite nel tempo geologico, ma a pressioni più elevate l'aragonite, la più densa delle due, è la struttura preferita. Le alte temperature funzionano a favore della calcite. Alla pressione superficiale, l'aragonite non può resistere a temperature superiori a circa 400 ° C a lungo.
Rocce ad alta pressione e bassa temperatura del scisti blu le facies metamorfiche spesso contengono vene di aragonite anziché calcite. Il processo di ritorno alla calcite è abbastanza lento che l'aragonite può persistere in uno stato metastabile, simile a diamante.
A volte un cristallo di un minerale si converte in un altro minerale mantenendo la sua forma originale come a pseudomorfo: può apparire come una tipica manopola di calcite o ago di aragonite, ma il microscopio petrografico mostra il suo natura vera. Molti geologi, per la maggior parte degli scopi, non hanno bisogno di conoscere il polimorfo corretto e parlano solo di "carbonato". Il più delle volte, il carbonato nelle rocce è calcite.
Minerali di carbonato di calcio in acqua
La chimica del carbonato di calcio è più complicata quando si tratta di capire quale polimorfo si cristallizzerà dalla soluzione. Questo processo è di natura comune, poiché nessuno dei minerali è altamente solubile e la presenza di anidride carbonica disciolta (CO2) in acqua li spinge verso la precipitazione. In acqua, CO2 esiste in equilibrio con lo ione bicarbonato, HCO3+e acido carbonico, H2CO3, tutti altamente solubili. Modifica del livello di CO2 influenza i livelli di questi altri composti, ma il CaCO3 nel mezzo di questa catena chimica praticamente non ha altra scelta che precipitare come un minerale che non può dissolversi rapidamente e tornare in acqua. Questo processo a senso unico è un fattore trainante del ciclo del carbonio geologico.
Quale disposizione degli ioni calcio (Ca2+) e ioni carbonato (CO32–) sceglieranno quando si uniranno a CaCO3 dipende dalle condizioni nell'acqua. In acqua dolce pulita (e in laboratorio) predomina la calcite, specialmente in acqua fredda. Le formazioni di pietra calcarea sono generalmente calcite. I cementi minerali in molti calcari e altre rocce sedimentarie sono generalmente calcite.
L'oceano è l'habitat più importante della documentazione geologica e la mineralizzazione del carbonato di calcio è una parte importante della vita oceanica e della geochimica marina. Il carbonato di calcio esce direttamente dalla soluzione per formare strati minerali sulle minuscole particelle rotonde chiamate ooidi e per formare il cemento del fango del fondo marino. Quale minerale cristallizza, calcite o aragonite, dipende dalla chimica dell'acqua.
L'acqua di mare è piena di ioni che competono con calcio e carbonato. Magnesio (Mg2+) si aggrappa alla struttura della calcite, rallentando la crescita della calcite e forzandosi nella struttura molecolare della calcite, ma non interferisce con l'aragonite. Ione solfato (SO4–) sopprime anche la crescita della calcite. Acqua più calda e una maggiore quantità di carbonato disciolto favoriscono l'aragonite incoraggiandola a crescere più velocemente di quanto possa fare la calcite.
Mari di calcite e aragonite
Queste cose contano per le cose viventi che costruiscono i loro gusci e strutture dal carbonato di calcio. Molluschi, compreso bivalvi e i brachiopodi, sono esempi familiari. I loro gusci non sono minerali puri, ma intricate miscele di microscopici cristalli di carbonato legati insieme alle proteine. Gli animali e le piante monocellulari classificati come plancton fanno i loro gusci o test allo stesso modo. Un altro fattore importante sembra essere che le alghe traggano beneficio dalla produzione di carbonato assicurandosi una pronta fornitura di CO2 per aiutare con la fotosintesi.
Tutte queste creature usano enzimi per costruire il minerale che preferiscono. L'aragonite produce cristalli simili ad aghi, mentre la calcite rende quelli a blocchi, ma molte specie possono farne uso. Molti gusci di molluschi usano l'aragonite all'interno e la calcite all'esterno. Qualunque cosa facciano usa energia e quando le condizioni degli oceani favoriscono un carbonato o l'altro, il processo di costruzione delle conchiglie richiede energia extra per lavorare contro i dettami della chimica pura.
Ciò significa che cambiare la chimica di un lago o dell'oceano penalizza alcune specie e ne avvantaggia altre. Nel corso del tempo geologico l'oceano si è spostato tra "mari di aragonite" e "mari di calcite". Oggi siamo in un mare di aragonite ad alto contenuto di magnesio: favorisce la precipitazione di aragonite e calcite ad alto contenuto di magnesio. Un mare di calcite, a basso contenuto di magnesio, favorisce la calcite a basso contenuto di magnesio.
Il segreto è il basalto fresco del fondo marino, i cui minerali reagiscono con il magnesio nell'acqua di mare e lo estraggono dalla circolazione. Quando l'attività tettonica delle placche è vigorosa, otteniamo mari di calcite. Quando è più lento e le zone di diffusione sono più brevi, otteniamo mari di aragonite. C'è di più, ovviamente. L'importante è che esistano i due diversi regimi e il confine tra loro è all'incirca quando il magnesio è due volte più abbondante del calcio nell'acqua di mare.
La Terra ha avuto un mare di aragonite da circa 40 milioni di anni fa (40 Ma). Il più recente periodo di mare aragonite precedente era tra la fine del Mississippiano e l'inizio del Giurassico (circa 330-180 Ma), e il prossimo tornare indietro nel tempo era l'ultimo Precambrian, prima di 550 Ma. Tra questi periodi, la Terra aveva calcite mari. Altri periodi di aragonite e calcite vengono mappati più indietro nel tempo.
Si pensa che nel corso del tempo geologico, questi modelli su larga scala abbiano fatto la differenza nel mix di organismi che hanno costruito barriere nel mare. Anche le cose che apprendiamo sulla mineralizzazione del carbonato e la sua risposta alla chimica degli oceani sono importanti di sapere mentre proviamo a capire come il mare risponderà ai cambiamenti causati dall'uomo nell'atmosfera e clima.