方解石 vs アラゴナイト

方解石、ブルー アラゴナイト、オパール、ソーダライトの破片。

ドーリングキンダースリー/ゲッティイメージズ

炭素は、地球上で主に生物 (つまり、有機物) に存在する元素、または大気中に二酸化炭素として存在する元素と考えることができます。もちろん、これらの地球化学貯留層は両方とも重要ですが、炭素の大部分は、 炭酸塩鉱物 .これらは炭酸カルシウムによって導かれ、方解石とあられ石という名前の 2 つの鉱物形態を取ります。

岩石中の炭酸カルシウム鉱物

アラゴナイトと方解石は同じ化学式で、CaCO₃、しかしそれらの原子は異なる構成で積み重ねられています。つまり、彼らは 多形 . (別の例は、カイヤナイト、アンダルサイ​​ト、およびシリマナイトのトリオです。) アラゴナイトは斜方晶構造を持ち、方解石は三方晶構造を持っています。炭酸塩ミネラルのギャラリーでは、ロックハウンドの視点から両方のミネラルの基本をカバーしています。

カルサイトはアラゴナイトよりも一般的に安定していますが、温度と圧力が変化すると、2 つの鉱物の一方が他方に変化する可能性があります。地表条件では、アラゴナイトは地質学的な時間の経過とともに自然に方解石に変わりますが、より高い圧力では、2 つのうち密度の高いアラゴナイトが好ましい構造になります。高温は方解石に有利に働きます。表面圧力では、アラゴナイトは約 400°C を超える温度に長時間耐えることができません。

高圧低温の岩石 ブルーシスト 変成相には、カルサイトの代わりにアラゴナイトの鉱脈が含まれていることがよくあります。方解石に戻るプロセスは十分に遅いため、アラゴナイトは次のような準安定状態を維持できます。 ダイヤモンド .

1 つの鉱物の結晶が、元の形状を疑似形態として維持しながら、別の鉱物に変換されることがあります。典型的な方解石のノブまたはアラゴナイトの針のように見えるかもしれませんが、岩石顕微鏡はその真の性質を示しています。多くの地質学者は、ほとんどの場合、正しい多形を知る必要はなく、「炭酸塩」について話すだけです。ほとんどの場合、岩石の炭酸塩は方解石です。

水中の炭酸カルシウムミネラル

どの結晶多形が溶液から結晶化するかを理解することになると、炭酸カルシウムの化学はより複雑になります。どちらのミネラルも溶解度が高くなく、溶存二酸化炭素 (CO₂）水中でそれらを沈殿させる方向に押します。水中、CO₂重炭酸イオンHCOとバランスをとって存在する₃⁺、および炭酸、H₂CO₃、いずれも溶解性が高い。 COのレベルを変える₂これらの他の化合物のレベルに影響を与えますが、CaCO₃この化学連鎖の途中で、すぐに溶解できずに水に戻るミネラルとして沈殿するしかありません.この一方向のプロセスは、地質炭素循環の主要な原動力です。

カルシウムイオン（Ca²⁺）および炭酸イオン（CO₃^2-) は、CaCO に参加するときに選択します₃水中の状況によります。きれいな淡水 (および実験室) では、方解石が優勢であり、特に冷水では優勢です。洞窟石層は一般的に方解石です。多くの石灰岩やその他の堆積岩に含まれるミネラル セメントは、一般に方解石です。

海は地質記録の中で最も重要な生息地であり、炭酸カルシウムの鉱化作用は海洋生物と海洋地球化学の重要な部分です。炭酸カルシウムは溶液から直接出てきて、オーイドと呼ばれる小さな丸い粒子の上にミネラル層を形成し、海底泥のセメントを形成します.方解石とアラゴナイトのどちらが結晶化するかは、水の化学的性質によって異なります。

海水がいっぱい イオン カルシウムや炭酸塩と競合します。マグネシウム（Mg²⁺) 方解石の構造にくっつき、方解石の成長を遅らせ、方解石の分子構造に自分自身を押し込みますが、アラゴナイトには干渉しません。硫酸イオン (SO₄^–) も方解石の成長を抑制します。温かい水と溶存炭酸塩の供給量が多いと、方解石よりも速く成長するよう促され、アラゴナイトに有利に働きます。

方解石とアラゴナイトの海

これらは、炭酸カルシウムから殻や構造を構築する生物にとって重要です.甲殻類など 二枚貝 と腕足類はおなじみの例です。それらの殻は純粋な鉱物ではなく、タンパク質と結合した微視的な炭酸塩結晶の複雑な混合物です.プランクトンに分類される単細胞の動物や植物も、同じように殻を作ります。もう1つの重要な要因は、藻類が二酸化炭素の供給を確実にすることによって炭酸塩を作ることから利益を得ているようです.₂光合成を助けるために。

これらの生物はすべて酵素を使用して、好みのミネラルを構築します。アラゴナイトは針状の結晶を作り、方解石はブロック状の結晶を作りますが、多くの種はどちらかを利用できます.多くの軟体動物の貝殻は、内側にアラゴナイト、外側に方解石を使用しています。彼らが何をするにしてもエネルギーを消費し、海洋条件がいずれかの炭酸塩に有利な場合、純粋な化学の指示に逆らうために、殻を構築するプロセスに余分なエネルギーが必要になります.

これは、湖や海の化学的性質を変えると、一部の種が不利になり、他の種が有利になることを意味します。地質学的な時間の経過とともに、海洋は「アラゴナイトの海」と「方解石の海」の間で変化しました。今日、私たちはマグネシウムが豊富なアラゴナイトの海にいます。これは、アラゴナイトとマグネシウムが豊富な方解石の沈殿を促進します.マグネシウムが少ない方解石の海は、低マグネシウムの方解石を好みます。

その秘密は新鮮な海底玄武岩で、そのミネラルは海水中のマグネシウムと反応し、循環から引き出されます。プレートテクトニクスの活動が活発になると、方解石の海ができます。速度が遅くなり、拡散ゾーンが短くなると、アラゴナイトの海になります。もちろん、それだけではありません。重要なことは、2 つの異なるレジームが存在することであり、それらの境界はおおよそ、マグネシウムが海水中のカルシウムの 2 倍の量にあるときです。

地球には、約 4000 万年前 (40 Ma) からアラゴナイトの海がありました。直近のアラゴナイト海期は、ミシシッピ後期からジュラ紀前期 (約 330 ～ 180 Ma) であり、次に時間をさかのぼるのは、550 Ma より前の最新の先カンブリア紀でした。これらの期間の間に、地球には方解石の海がありました。より多くのアラゴナイトと方解石の時代が、さらに遡ってマッピングされています。

地質学的な時間の経過とともに、これらの大規模なパターンが、構築された生物の混合に違いをもたらしたと考えられています サンゴ礁 海中。人間が引き起こした大気や気候の変化に海がどのように反応するかを解明しようとするとき、炭酸塩の無機化と海洋化学への反応について私たちが学んだことも重要です。