Kalsit dan Aragonit dalam Siklus Karbon Bumi

Anda mungkin menganggap karbon sebagai unsur yang di Bumi ditemukan terutama pada makhluk hidup (yaitu, dalam bahan organik) atau di atmosfer sebagai karbon dioksida. Kedua reservoir geokimia itu penting, tentu saja, tetapi sebagian besar karbon terkunci di dalamnya mineral karbonat. Ini dipimpin oleh kalsium karbonat, yang mengambil dua bentuk mineral bernama kalsit dan aragonit.

Aragonit dan kalsit memiliki rumus kimia yang sama, CaCO₃, tetapi atom mereka ditumpuk dalam konfigurasi yang berbeda. Yaitu mereka polimorf. (Contoh lain adalah trio kyanit, andalusite, dan sillimanite.) Aragonit memiliki struktur ortorombik dan kalsit sebagai struktur trigonal. Galeri mineral karbonat kami mencakup dasar-dasar kedua mineral dari sudut pandang rockhound: cara mengidentifikasi mereka, di mana mereka ditemukan, beberapa keunikannya.

Kalsit lebih stabil secara umum daripada aragonit, meskipun karena suhu dan tekanan berubah, salah satu dari dua mineral tersebut dapat berubah menjadi yang lain. Pada kondisi permukaan, aragonit secara spontan berubah menjadi kalsit seiring waktu geologis, tetapi pada tekanan yang lebih tinggi, aragonit, yang lebih padat dari keduanya, adalah struktur yang disukai. Temperatur yang tinggi mendukung kalsit. Pada tekanan permukaan, aragonit tidak tahan suhu di atas sekitar 400 ° C lama.

Batuan bertekanan tinggi dan bersuhu rendah blueschist fasi metamorf sering mengandung vena aragonit, bukan kalsit. Proses kembali ke kalsit cukup lambat sehingga aragonit dapat bertahan dalam kondisi metastabil, mirip dengan berlian.

Terkadang kristal dari satu mineral dikonversi ke mineral lain sambil mempertahankan bentuk aslinya sebagai a pseudomorph: mungkin terlihat seperti tombol kalsit atau jarum aragonit yang khas, tetapi mikroskop petrografi menunjukkan sifat sejati. Banyak ahli geologi, untuk sebagian besar tujuan, tidak perlu mengetahui polimorf yang benar dan hanya berbicara tentang "karbonat." Sebagian besar waktu, karbonat dalam batuan adalah kalsit.

Kimia kalsium karbonat lebih rumit dalam memahami polimorf mana yang akan mengkristal keluar dari larutan. Proses ini umum di alam, karena tidak ada mineral yang sangat larut, dan adanya karbon dioksida terlarut (CO₂) dalam air mendorong mereka ke arah endapan. Dalam air, CO₂ ada dalam keseimbangan dengan ion bikarbonat, HCO₃⁺, dan asam karbonat, H₂BERSAMA₃, yang semuanya sangat larut. Mengubah level CO₂ mempengaruhi tingkat senyawa lain ini, tetapi CaCO₃ di tengah-tengah rantai kimia ini tidak ada pilihan lain selain mengendap sebagai mineral yang tidak dapat larut dengan cepat dan kembali ke air. Proses satu arah ini merupakan pendorong utama siklus karbon geologis.

Yang mengatur ion kalsium (Ca²⁺) dan ion karbonat (CO₃^2–) akan memilih ketika mereka bergabung ke CaCO₃ tergantung kondisi di dalam air. Dalam air tawar bersih (dan di laboratorium), kalsit mendominasi, terutama dalam air dingin. Formasi batu kapur umumnya kalsit. Semen mineral di banyak batu gamping dan batuan sedimen lainnya umumnya kalsit.

Lautan adalah habitat paling penting dalam catatan geologis, dan mineralisasi kalsium karbonat adalah bagian penting dari kehidupan samudera dan geokimia laut. Kalsium karbonat langsung keluar dari solusi untuk membentuk lapisan mineral pada partikel bundar kecil yang disebut ooid dan untuk membentuk semen lumpur dasar laut. Mineral mana yang mengkristal, kalsit atau aragonit, tergantung pada kimia air.

Air laut penuh ion yang bersaing dengan kalsium dan karbonat. Magnesium (Mg²⁺) menempel pada struktur kalsit, memperlambat pertumbuhan kalsit dan memaksakan dirinya ke dalam struktur molekul kalsit, tetapi tidak mengganggu aragonit. Ion sulfat (SO₄^–) juga menekan pertumbuhan kalsit. Air yang lebih hangat dan pasokan karbonat terlarut yang lebih besar mendukung aragonit dengan mendorongnya tumbuh lebih cepat daripada yang bisa dilakukan kalsit.

Hal-hal ini penting bagi makhluk hidup yang membangun cangkang dan strukturnya dari kalsium karbonat. Kerang, termasuk bivalvia dan brachiopoda, adalah contoh yang umum. Kulitnya bukan mineral murni, tetapi campuran rumit dari kristal karbonat mikroskopis yang diikat bersama dengan protein. Hewan dan tumbuhan bersel satu yang digolongkan sebagai plankton membuat cangkang, atau tes, dengan cara yang sama. Faktor lain yang penting tampaknya adalah bahwa alga mendapat manfaat dari membuat karbonat dengan memastikan bahwa mereka telah siap memasok CO₂ untuk membantu fotosintesis.

Semua makhluk ini menggunakan enzim untuk membangun mineral yang mereka sukai. Aragonite membuat kristal seperti jarum sedangkan kalsit membuat kristal gumpal, tetapi banyak spesies dapat memanfaatkan keduanya. Banyak cangkang moluska menggunakan aragonit di bagian dalam dan kalsit di luar. Apa pun yang mereka lakukan menggunakan energi, dan ketika kondisi laut mendukung satu karbonat atau yang lain, proses pembangunan kulit membutuhkan energi ekstra untuk bekerja melawan perintah kimia murni.

Ini berarti bahwa mengubah kimiawi danau atau laut menghukum beberapa spesies dan keuntungan lainnya. Seiring waktu geologis, lautan telah bergeser antara "laut aragonit" dan "laut kalsit". Hari ini kita berada di sebuah laut aragonit yang tinggi magnesium — ia mendukung pengendapan aragonit plus kalsit yang tinggi magnesium. Lautan kalsit, lebih rendah magnesium, lebih disukai kalsit rendah-magnesium.

Rahasianya adalah basal dasar laut segar, yang mineralnya bereaksi dengan magnesium dalam air laut dan menariknya keluar dari sirkulasi. Ketika aktivitas lempeng tektonik kuat, kita mendapatkan lautan kalsit. Ketika lebih lambat dan zona penyebaran lebih pendek, kita mendapatkan laut aragonit. Tentu saja ada lebih dari itu. Yang penting adalah bahwa dua rezim yang berbeda ada, dan batas di antara mereka kira-kira ketika magnesium dua kali lebih banyak dari kalsium dalam air laut.

Bumi telah memiliki laut aragonit sejak sekitar 40 juta tahun yang lalu (40 Ma). Periode laut aragonit sebelumnya yang paling baru adalah antara akhir Mississippian dan waktu Jurassic awal (sekitar 330 hingga 180 ), Dan yang akan kembali ke masa lalu adalah Prakambria terbaru, sebelum 550 Ma. Di antara periode-periode ini, Bumi memiliki kalsit lautan Lebih banyak periode aragonit dan kalsit sedang dipetakan lebih jauh ke masa lalu.

Diperkirakan bahwa dari waktu ke waktu geologis, pola skala besar ini telah membuat perbedaan dalam campuran organisme yang dibangun terumbu di laut. Hal-hal yang kita pelajari tentang mineralisasi karbonat dan responsnya terhadap kimia lautan juga penting untuk mengetahui saat kami mencoba mencari tahu bagaimana laut akan menanggapi perubahan yang disebabkan oleh manusia di atmosfer dan iklim.