Calcite vs Aragonite

Vous pouvez considérer le carbone comme un élément qui se trouve sur Terre principalement dans les êtres vivants (c'est-à-dire dans la matière organique) ou dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Ces deux réservoirs géochimiques sont importants, bien sûr, mais la grande majorité du carbone est enfermée dans des minéraux carbonatés. Ceux-ci sont dirigés par le carbonate de calcium, qui prend deux formes minérales appelées calcite et aragonite.

Minéraux de carbonate de calcium dans les roches

L'aragonite et la calcite ont la même formule chimique, CaCO₃, mais leurs atomes sont empilés dans différentes configurations. Autrement dit, ils sont polymorphes. (Un autre exemple est le trio de kyanite, andalousite et sillimanite.) L'aragonite a une structure orthorhombique et la calcite une structure trigonale. Notre galerie de minéraux carbonatés couvre les bases des deux minéraux du point de vue du rockhound: comment les identifier, où ils se trouvent, certaines de leurs particularités.

La calcite est en général plus stable que l'aragonite, bien que les températures et les pressions changent, l'un des deux minéraux peut se convertir en l'autre. Aux conditions de surface, l'aragonite se transforme spontanément en calcite au cours du temps géologique, mais à des pressions plus élevées, l'aragonite, la plus dense des deux, est la structure préférée. Les températures élevées jouent en faveur de la calcite. À la pression de surface, l'aragonite ne peut pas supporter longtemps des températures supérieures à environ 400 ° C.

Les roches à haute pression et à basse température du faciès métamorphique blueschiste contiennent souvent des veines d'aragonite au lieu de calcite. Le processus de retour à la calcite est suffisamment lent pour que l'aragonite puisse persister dans un état métastable, semblable au diamant.

Parfois, un cristal d'un minéral se convertit en l'autre minéral tout en conservant sa forme d'origine en tant que pseudomorphe: il peut ressembler à un bouton de calcite typique ou à une aiguille d'aragonite, mais le microscope pétrographique montre sa vraie nature. De nombreux géologues, dans la plupart des cas, n'ont pas besoin de connaître le bon polymorphe et parlent simplement de «carbonate». La plupart du temps, le carbonate des roches est de la calcite.

Minéraux de carbonate de calcium dans l'eau

La chimie du carbonate de calcium est plus compliquée lorsqu'il s'agit de comprendre quel polymorphe va cristalliser hors de la solution. Ce processus est courant dans la nature, car aucun des minéraux n'est hautement soluble et la présence de dioxyde de carbone dissous (CO₂) dans l'eau les pousse vers la précipitation. Dans l'eau, CO₂ existe en équilibre avec l'ion bicarbonate, HCO₃⁺, et acide carbonique, H₂CO₃, qui sont tous très solubles. Changer le niveau de CO₂ affecte les niveaux de ces autres composés, mais le CaCO₃ au milieu de cette chaîne chimique n'a pratiquement pas d'autre choix que de précipiter comme un minéral qui ne peut pas se dissoudre rapidement et retourner dans l'eau. Ce processus à sens unique est un moteur majeur du cycle géologique du carbone.

Quel arrangement les ions calcium (Ca²⁺) et des ions carbonate (CO₃^2-) choisiront lors de leur adhésion au CaCO₃ dépend des conditions dans l'eau. Dans l'eau douce propre (et en laboratoire), la calcite prédomine, surtout dans l'eau froide. Les formations caverneuses sont généralement de la calcite. Les ciments minéraux dans de nombreux calcaires et autres roches sédimentaires sont généralement de la calcite.

L'océan est l'habitat le plus important dans les archives géologiques, et la minéralisation de carbonate de calcium est une partie importante de la vie océanique et de la géochimie marine. Le carbonate de calcium sort directement de la solution pour former des couches minérales sur les minuscules particules rondes appelées ooïdes et pour former le ciment de la boue du fond marin. Le minéral qui cristallise, la calcite ou l'aragonite, dépend de la chimie de l'eau.

L'eau de mer est pleine d'ions qui rivalisent avec le calcium et le carbonate. Magnésium (Mg²⁺) s'accroche à la structure de la calcite, ralentissant la croissance de la calcite et se forçant dans la structure moléculaire de la calcite, mais elle n'interfère pas avec l'aragonite. Ion sulfate (SO₄^-) supprime également la croissance de la calcite. Une eau plus chaude et une plus grande quantité de carbonate dissous favorisent l'aragonite en l'encourageant à croître plus rapidement que la calcite..

Mers de calcite et d'aragonite

Ces choses sont importantes pour les êtres vivants qui construisent leurs coquilles et leurs structures à partir de carbonate de calcium. Les crustacés, y compris les bivalves et les brachiopodes, sont des exemples familiers. Leurs coquilles ne sont pas des minéraux purs, mais des mélanges complexes de cristaux de carbonate microscopiques liés ensemble à des protéines. Les animaux et les plantes unicellulaires classés comme plancton fabriquent leurs coquilles ou tests de la même manière. Un autre facteur important semble être que les algues tirent profit de la production de carbonate en s'assurant elles-mêmes un approvisionnement rapide en CO₂ pour aider à la photosynthèse.

Toutes ces créatures utilisent des enzymes pour construire le minéral qu'elles préfèrent. L'aragonite produit des cristaux semblables à des aiguilles tandis que la calcite en fait des blocs, mais de nombreuses espèces peuvent utiliser l'une ou l'autre. De nombreux coquilles de mollusques utilisent de l'aragonite à l'intérieur et de la calcite à l'extérieur. Quoi qu'ils fassent, ils utilisent de l'énergie, et lorsque les conditions océaniques favorisent l'un ou l'autre carbonate, le processus de construction de la coquille nécessite plus d'énergie pour contrer les exigences de la chimie pure.

Cela signifie que la modification de la chimie d'un lac ou de l'océan pénalise certaines espèces et en avantage d'autres. Au fil du temps géologique, l'océan s'est déplacé entre les «mers aragonites» et les «mers calcites». Aujourd'hui, nous sommes dans une mer d'aragonite riche en magnésium - elle favorise la précipitation de l'aragonite et de la calcite riche en magnésium. Une mer de calcite, plus faible en magnésium, favorise la calcite à faible teneur en magnésium.

Le secret est le basalte du fond marin, dont les minéraux réagissent avec le magnésium dans l'eau de mer et le retirent de la circulation. Lorsque l'activité tectonique des plaques est vigoureuse, nous obtenons des mers de calcite. Quand il est plus lent et que les zones de propagation sont plus courtes, nous obtenons des mers d'aragonite. Bien sûr, il y a plus que cela. L'important est que les deux régimes différents existent, et la frontière entre eux est à peu près lorsque le magnésium est deux fois plus abondant que le calcium dans l'eau de mer.

La Terre a une mer aragonite depuis environ 40 millions d'années (40 Ma). La dernière période de la mer aragonite précédente se situait entre la fin du Mississippien et le début du Jurassique (environ 330 à 180 Ma), et le retour dans le temps était le dernier Précambrien, avant 550 Ma. Entre ces périodes, la Terre avait des mers de calcite. Plus de périodes d'aragonite et de calcite sont cartographiées plus loin dans le temps.

On pense qu'au fil du temps géologique, ces modèles à grande échelle ont fait une différence dans le mélange d'organismes qui ont construit des récifs dans la mer. Les choses que nous apprenons sur la minéralisation carbonatée et sa réponse à la chimie des océans sont également importantes à savoir lorsque nous essayons de comprendre comment la mer réagira aux changements anthropiques de l'atmosphère et du climat.