Calcit gegen Aragonit

Sie können sich Kohlenstoff als ein Element vorstellen, das auf der Erde hauptsächlich in Lebewesen (dh in organischen Stoffen) oder in der Atmosphäre als Kohlendioxid vorkommt. Beide geochemischen Reservoire sind natürlich wichtig, aber der größte Teil des Kohlenstoffs ist in Carbonatmineralien gebunden. Diese werden von Kalziumkarbonat geleitet, das zwei Mineralformen hat, Calcit und Aragonit.

Calciumcarbonat-Mineralien in Gesteinen

Aragonit und Calcit haben die gleiche chemische Formel, CaCO₃, aber ihre Atome sind in verschiedenen Konfigurationen gestapelt. Das heißt, sie sind Polymorphe. (Ein anderes Beispiel ist das Trio von Kyanit, Andalusit und Sillimanit.) Aragonit hat eine orthorhombische Struktur und Calcit eine trigonale Struktur. Unsere Galerie mit Carbonatmineralien befasst sich mit den Grundlagen beider Mineralien aus der Sicht des Rockhounds: Wie können sie identifiziert werden, wo sie gefunden werden und welche Besonderheiten sie aufweisen?.

Calcit ist im Allgemeinen stabiler als Aragonit, obwohl sich bei Änderungen der Temperaturen und Drücke eines der beiden Mineralien in das andere umwandeln kann. Unter Oberflächenbedingungen verwandelt sich Aragonit im Laufe der geologischen Zeit spontan in Calcit. Bei höheren Drücken ist Aragonit, das dichtere der beiden, die bevorzugte Struktur. Hohe Temperaturen begünstigen Kalzit. Bei Oberflächendruck kann Aragonit Temperaturen über 400 ° C nicht lange aushalten.

Hochdruck- und Niedrigtemperaturgesteine ​​der blueschistischen metamorphen Fazies enthalten häufig Adern von Aragonit anstelle von Calcit. Der Prozess der Rückkehr zu Calcit ist langsam genug, dass Aragonit in einem metastabilen Zustand, ähnlich wie Diamant, bestehen bleibt.

Manchmal wandelt sich ein Kristall eines Minerals in ein anderes Mineral um, wobei seine ursprüngliche Form als Pseudomorph erhalten bleibt: Es mag wie ein typischer Calcitknopf oder eine Aragonitnadel aussehen, aber das petrographische Mikroskop zeigt seine wahre Natur. Viele Geologen brauchen für die meisten Zwecke nicht das richtige Polymorph zu kennen und sprechen nur über "Karbonat". Das Karbonat in Gesteinen ist meistens Kalzit.

Calciumcarbonat-Mineralien in Wasser

Die Calciumcarbonat-Chemie ist komplizierter, wenn es darum geht zu verstehen, welches Polymorph aus der Lösung kristallisiert. Dieser Prozess ist in der Natur weit verbreitet, da keines der Mineralien in hohem Maße löslich ist und das Vorhandensein von gelöstem Kohlendioxid (CO₂) in Wasser drückt sie in Richtung Niederschlag. In Wasser CO₂ liegt im Gleichgewicht mit dem Bicarbonation HCO vor₃⁺, und Kohlensäure, H₂CO₃, alle von denen sind sehr gut löslich. Ändern des CO-Gehalts₂ beeinflusst die Gehalte dieser anderen Verbindungen, aber die CaCO₃ In der Mitte dieser chemischen Kette bleibt so gut wie nichts anderes übrig, als als Mineral auszufällen, das sich nicht schnell auflöst und ins Wasser zurückkehrt. Dieser Einwegprozess ist ein Hauptantrieb für den geologischen Kohlenstoffkreislauf.

Welche Anordnung haben die Calciumionen (Ca²⁺) und Carbonationen (CO₃^2-) wählen aus, wann sie sich CaCO anschließen₃ hängt von den Bedingungen im Wasser ab. In sauberem Süßwasser (und im Labor) überwiegt Calcit, insbesondere in kaltem Wasser. Cavestone Formationen sind in der Regel Calcit. Mineralzemente in vielen Kalksteinen und anderen Sedimentgesteinen sind in der Regel Calcit.

Der Ozean ist der wichtigste Lebensraum in der geologischen Aufzeichnung, und die Kalziumkarbonatmineralisierung ist ein wichtiger Bestandteil des ozeanischen Lebens und der marinen Geochemie. Calciumcarbonat kommt direkt aus der Lösung und bildet Mineralschichten auf den kleinen runden Partikeln, den sogenannten Ooiden, und bildet den Zement des Meeresbodenschlamms. Welches Mineral Calcit oder Aragonit kristallisiert, hängt von der Wasserchemie ab.

Meerwasser ist voll von Ionen, die mit Kalzium und Karbonat konkurrieren. Magnesium (Mg²⁺) haftet an der Kalzitstruktur, verlangsamt das Wachstum von Kalzit und drängt sich in die Molekülstruktur von Kalzit ein, stört jedoch Aragonit nicht. Sulfation (SO₄^-) unterdrückt auch das Calcitwachstum. Wärmeres Wasser und ein größerer Vorrat an gelöstem Carbonat begünstigen Aragonit, indem es zu einem schnelleren Wachstum als Calcit angeregt wird.

Kalzit und Aragonit Meere

Diese Dinge sind für die Lebewesen wichtig, die ihre Hüllen und Strukturen aus Kalziumkarbonat aufbauen. Muscheln, einschließlich Muscheln und Brachiopoden, sind bekannte Beispiele. Ihre Schalen sind keine reinen Mineralien, sondern komplizierte Mischungen von mikroskopisch kleinen Carbonatkristallen, die mit Proteinen verbunden sind. Die als Plankton klassifizierten einzelligen Tiere und Pflanzen machen ihre Schalen oder Tests auf die gleiche Weise. Ein weiterer wichtiger Faktor scheint zu sein, dass Algen davon profitieren, Carbonat herzustellen, indem sie sich eine sofortige Versorgung mit CO sichern₂ um bei der Photosynthese zu helfen.

Alle diese Kreaturen verwenden Enzyme, um das Mineral zu konstruieren, das sie bevorzugen. Aragonit bildet nadelförmige Kristalle, während Calcit blockartige Kristalle bildet, aber viele Arten können beides verwenden. Viele Muschelschalen verwenden innen Aragonit und außen Calcit. Was auch immer sie tun, sie verbrauchen Energie, und wenn die Bedingungen im Ozean das eine oder andere Karbonat begünstigen, benötigt der Muschelaufbau zusätzliche Energie, um gegen das Diktat der reinen Chemie vorzugehen.

Dies bedeutet, dass die Veränderung der Chemie eines Sees oder Ozeans einige Arten benachteiligt und andere begünstigt. Im Laufe der geologischen Zeit hat sich der Ozean zwischen "Aragonitmeeren" und "Kalzitmeeren" verschoben. Heute befinden wir uns in einem Aragonitmeer mit hohem Magnesiumgehalt - es begünstigt die Ausfällung von Aragonit plus Calcit mit hohem Magnesiumgehalt. Ein Meer aus Kalzit mit niedrigem Magnesiumgehalt bevorzugt Kalzit mit niedrigem Magnesiumgehalt.

Das Geheimnis ist frischer Meeresbodenbasalt, dessen Mineralien mit Magnesium im Meerwasser reagieren und es aus dem Verkehr ziehen. Wenn die plattentektonische Aktivität stark ist, erhalten wir Kalzitmeere. Wenn es langsamer ist und die Ausbreitungszonen kürzer sind, bekommen wir Aragonitmeere. Natürlich steckt noch mehr dahinter. Wichtig ist, dass die beiden unterschiedlichen Regime existieren und die Grenze zwischen ihnen ungefähr dann ist, wenn Magnesium im Meerwasser doppelt so häufig vorkommt wie Kalzium.

Die Erde hat seit ungefähr 40 Millionen Jahren ein Aragonitmeer (40 Ma). Die jüngste vorangegangene Aragonitmeerperiode lag zwischen dem späten Mississippi und dem frühen Jura (etwa 330 bis 180 Ma), und die nächste Zeitreise war die jüngste vorkambrische Zeit vor 550 Ma. In der Zwischenzeit hatte die Erde Kalzitmeere. Weitere Aragonit- und Calcitperioden werden weiter zurück in die Vergangenheit kartiert.

Es wird angenommen, dass diese großflächigen Muster im Laufe der geologischen Zeit einen Unterschied in der Mischung der Organismen gemacht haben, die Riffe im Meer gebaut haben. Die Dinge, die wir über die Carbonatmineralisierung und ihre Reaktion auf die Chemie der Ozeane lernen, sind ebenfalls wichtig, um herauszufinden, wie das Meer auf vom Menschen verursachte Veränderungen in der Atmosphäre und im Klima reagiert.