الكالسيت والأراجونيت في دورة الكربون في الأرض

قد تفكر في الكربون كعنصر موجود على الأرض بشكل أساسي في الكائنات الحية (أي في المواد العضوية) أو في الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون. كل من هذه الخزانات الجيوكيميائية مهمة بالطبع ، ولكن الغالبية العظمى من الكربون محبوسة معادن كربونية. ويقودها كربونات الكالسيوم ، التي تأخذ شكلين معدنيين يسمى الكالسيت والأراجونيت.

تحتوي الأراجونيت والكالسيت على نفس الصيغة الكيميائية ، CaCO₃، لكن ذراتها مكدسة في تكوينات مختلفة. أي أنهم كذلك الأشكال المتعددة. (مثال آخر هو ثلاثي الكيانيت والأندلس والسيليمانيت). الأراجونيت لهيكل اصطناعي و كالسيت بنية ثلاثية. يغطي معرضنا لمعادن الكربونات أساسيات كلا المعدنين من وجهة نظر كلاب الصخور: كيفية التعرف عليها ، حيث توجد ، بعض خصائصها.

الكالسيت أكثر استقرارًا بشكل عام من الأراجونيت ، على الرغم من تغير درجات الحرارة والضغوط قد يتحول أحد المعدنين إلى الآخر. في الظروف السطحية ، يتحول الأراجونيت تلقائيًا إلى الكالسيت على مدار الوقت الجيولوجي ، ولكن عند الضغوط المرتفعة ، يكون الأراجونيت ، الأكثر كثافة ، هما الهيكل المفضل. تعمل درجات الحرارة العالية لصالح الكالسيت. عند الضغط السطحي ، لا يمكن للأراجونيت تحمل درجات حرارة أعلى من حوالي 400 درجة مئوية لفترة طويلة.

ارتفاع ضغط الصخور ذات درجة الحرارة المنخفضة البلوز غالبًا ما تحتوي الأوجه المتحولة على عروق الأراجونيت بدلاً من الكالسيت. عملية العودة إلى الكالسيت بطيئة بما يكفي بحيث يمكن للأراجونيت أن تستمر في حالة غير مستقرة ، على غرار الماس.

في بعض الأحيان تتحول بلورة من أحد المعادن إلى المعدن الآخر مع الحفاظ على شكله الأصلي على هيئة الكاذبة: قد تبدو كمقبض كالسيت نموذجي أو إبرة أراغونيت ، لكن المجهر الصخري يظهر الطبيعة الحقيقية. لا يحتاج العديد من الجيولوجيين ، لمعظم الأغراض ، إلى معرفة الشكل الصحيح والتحدث فقط عن "الكربونات". معظم الوقت ، الكربونات الموجودة في الصخور كالسيت.

تكون كيمياء كربونات الكالسيوم أكثر تعقيدًا عندما يتعلق الأمر بفهم الأشكال المتعددة التي تتبلور من المحلول. هذه العملية شائعة في الطبيعة ، لأنه لا يوجد أي معدن قابل للذوبان بشكل كبير ، ووجود ثاني أكسيد الكربون المذاب (CO₂) في الماء يدفعهم نحو الترسيب. في الماء ، CO₂ موجود في توازن مع أيون البيكربونات ، HCO₃⁺وحمض الكربونيك H₂CO₃وكلها قابلة للذوبان بشكل كبير. تغيير مستوى ثاني أكسيد الكربون₂ يؤثر على مستويات هذه المركبات الأخرى ، ولكن CaCO₃ في منتصف هذه السلسلة الكيميائية ليس أمامها خيار سوى الرواسب كمعدن لا يمكنه الذوبان بسرعة والعودة إلى الماء. هذه العملية ذات الاتجاه الواحد هي المحرك الرئيسي لدورة الكربون الجيولوجية.

ترتيب أيونات الكالسيوم (Ca²⁺) وأيونات الكربونات (CO₃^2–) عند انضمامهم إلى CaCO₃ يعتمد على الظروف في الماء. في المياه العذبة النظيفة (وفي المختبر) ، يسود الكالسيت ، خاصة في الماء البارد. تكون تشكيلات الكافستون بشكل عام كالسيت. تكون الإسمنتات المعدنية في العديد من الحجر الجيري والصخور الرسوبية الأخرى كالسيت بشكل عام.

المحيط هو الموطن الأكثر أهمية في السجل الجيولوجي ، وتمعدن كربونات الكالسيوم جزء مهم من حياة المحيطات والكيمياء الجيولوجية البحرية. تخرج كربونات الكالسيوم مباشرة من المحلول لتكوين طبقات معدنية على جزيئات دائرية صغيرة تسمى أوويدس وتشكيل أسمنت طين قاع البحر. يعتمد أي معدن متبلور أو كالسيت أو أراجونيت على كيمياء الماء.

مياه البحر مليئة أيونات تتنافس مع الكالسيوم والكربونات. المغنيسيوم (ملغ²⁺) يتشبث ببنية الكالسيت ، مما يبطئ نمو الكالسيت ويدفع نفسه إلى التركيب الجزيئي للكالسيت ، لكنه لا يتداخل مع الأراغونيت. أيون الكبريتات (SO₄^–) يمنع نمو الكالسيت. يفضل الماء الدافئ والإمداد الأكبر من الكربونات المذابة الأراجونيت من خلال تشجيعه على النمو بشكل أسرع من الكالسيت.

هذه الأشياء مهمة للكائنات الحية التي تبني أصدافها وهياكلها من كربونات الكالسيوم. المحار بما في ذلك ذات الصدفتين و brachiopods ، هي أمثلة مألوفة. قذائفها ليست معدنية نقية ، ولكنها خليط معقد من بلورات كربونية مجهرية مرتبطة بالبروتينات. الحيوانات والنباتات أحادية الخلية المصنفة على أنها عوالق تصنع أصدافها أو اختباراتها بنفس الطريقة. يبدو أن هناك عاملًا مهمًا آخر هو أن الطحالب تستفيد من صنع الكربونات من خلال ضمان نفسها كمصدر جاهز لثاني أكسيد الكربون₂ للمساعدة في عملية التمثيل الضوئي.

كل هذه المخلوقات تستخدم الإنزيمات لبناء المعادن التي تفضلها. يصنع الأراجونيت بلورات تشبه الإبرة بينما يصنع الكالسيت بلورات متكتلة ، ولكن العديد من الأنواع يمكن أن تستخدم أيًا منها. تستخدم العديد من قذائف الرخويات الأراجونيت من الداخل والكالسيت من الخارج. مهما فعلوا يستخدمون الطاقة ، وعندما تفضل ظروف المحيطات كربونات أو أخرى ، فإن عملية بناء القشرة تأخذ طاقة إضافية للعمل ضد إملاءات الكيمياء البحتة.

وهذا يعني أن تغيير كيمياء البحيرة أو المحيط يعاقب بعض الأنواع ويفيد الآخرين. مع مرور الزمن الجيولوجي ، تحول المحيط بين "بحار الأراجونيت" و "بحار الكالسيت". اليوم نحن في بحر أراغونيت يحتوي على نسبة عالية من المغنيسيوم - يفضل ترسيب أراغونيت بالإضافة إلى الكالسيت المرتفع المغنيسيوم. يفضل بحر الكالسيت ، الذي يحتوي على نسبة أقل من المغنيسيوم ، الكالسيت منخفض المغنيسيوم.

السر هو البازلت في قاع البحر الطازج ، الذي تتفاعل معادنه مع المغنيسيوم في مياه البحر وتسحبه من الدورة الدموية. عندما يكون النشاط التكتوني الصفيحي قوياً ، نحصل على بحار الكالسيت. عندما يكون الطقس أبطأ وتكون مناطق الانتشار أقصر ، نحصل على بحار الأراجونيت. هناك ما هو أكثر من ذلك بالطبع. الشيء المهم هو أن النظامين المختلفين موجودان ، والحدود بينهما تقريبًا عندما يكون المغنيسيوم أكثر وفرة مرتين من الكالسيوم في مياه البحر.

كان للأرض بحر أراغونيت منذ حوالي 40 مليون سنة (40 سنة ما). كانت آخر فترة بحر أراغونيت سابقة بين أواخر ولاية ميسيسيبي وأوائل العصر الجوراسي (حوالي 330 إلى 180 ما) ، والعودة في الوقت التالي كان أحدث ما قبل الكمبري ، قبل 550 ما. بين هذه الفترات ، كان للأرض الكالسيت البحار. يتم رسم المزيد من فترات الأراغونيت والكالسيت في وقت بعيد.

يُعتقد أنه على مدار الوقت الجيولوجي ، أحدثت هذه الأنماط واسعة النطاق فرقًا في مزيج الكائنات الحية التي بنيت الشعاب المرجانية في البحر. الأشياء التي نتعلمها عن تمعدن الكربونات واستجابتها لكيمياء المحيطات مهمة أيضًا لنعرف ونحن نحاول معرفة كيف سيستجيب البحر للتغيرات التي يسببها الإنسان في الغلاف الجوي و مناخ.