Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кристаллическая структура кальцита

Кальцит является карбонат минеральным и наиболее стабильный полиморфный из карбоната кальция (СаСО 3 ). Шкала твердости минералов Мооса , основанная на сравнении твердости по царапинам , определяет значение 3 как «кальцит».

Другие полиморфы карбоната кальция - это минералы арагонит и фатерит . Арагонит превратится в кальцит в течение нескольких дней или меньше при температурах, превышающих 300 ° C [5] [6], а фатерит еще менее стабилен.

Этимология [ править ]

Кальцит происходит от немецкого Calcit , термина, появившегося в 19 веке от латинского слова « известь» , calx (родительный падеж calcis) с суффиксом -ite, используемым для обозначения минералов. Таким образом, этимологически оно связано с мелом . [7]

В применении к археологам и профессионалам в области торговли камнем термин « алебастр» используется не только в геологии и минералогии, где он используется для обозначения различных видов гипса ; но также и для похожей на вид полупрозрачной разновидности мелкозернистых полосчатых отложений кальцита. [8]

Индексы элементарной ячейки и Миллера [ править ]

В публикациях для описания направлений в кристаллах кальцита используются два разных набора индексов Миллера - гексагональная система с тремя индексами h, k, l и ромбоэдрическая система с четырьмя индексами h, k, l, i . Чтобы усложнить ситуацию, есть также два определения элементарной ячейки для кальцита. Один из них, более старая «морфологическая» элементарная ячейка, был выведен путем измерения углов между гранями кристаллов и поиска наименьших подходящих чисел. Позже «структурная» элементарная ячейка была определена с помощью рентгеновской кристаллографии . Морфологическая элементарная ячейка имеет приблизительные размеры a = 10 Å и c = 8,5 Å., а для структурной ячейки они равны a = 5 Å и c = 17 Å . Для той же ориентации c необходимо умножить на 4, чтобы преобразовать морфологические единицы в структурные. В качестве примера расщепление дается как «идеальное на {1 0 1 1}» в морфологических координатах и ​​«идеальное на {1 0 1 4}» в структурных единицах. (В гексагональных индексах это {1 0 1} и {1 0 4}.) Формы двойникования, спайности и кристаллов всегда указываются в морфологических единицах. [3] [9]

Свойства [ править ]

Форма [ править ]

Выявлено более 800 форм кристаллов кальцита . Наиболее распространены скаленоэдры с гранями в шестиугольных направлениях {2 1 1} (морфологическая элементарная ячейка) или направлениях {2 1 4} (структурная элементарная ячейка); и ромбоэдрические, с гранями в направлениях {1 0 1} или {1 0 4} (наиболее распространенная плоскость спайности). [9] Привычки включают ромбоэдры от острых до тупых, табличные формы, призмы или различные скаленоэдры . Кальцит проявляет несколько типов двойникования, что дополняет разнообразие наблюдаемых форм. Он может быть волокнистым, зернистым, пластинчатым или компактным. Волокнистая, выцветшая форма известна как люблинит . [10]Спайность обычно идет в трех направлениях, параллельных форме ромбоэдра. Его трещина раковистая , но получить ее сложно.

Масштабные грани хиральны и попадают в пары с зеркальной симметрией; на их рост может влиять взаимодействие с хиральными биомолекулами, такими как L- и D- аминокислоты . Ромбоэдрические грани ахиральные. [9]

Твердость [ править ]

Кальцит имеет твердость по шкале Мооса 3, удельный вес 2,71, а его блеск у кристаллизованных разновидностей стекловидный. Цвет белый или отсутствует, хотя могут возникать оттенки серого, красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, фиолетового, коричневого или даже черного цветов, когда минерал содержит примеси.

Оптический [ править ]

Кальцит прозрачен до непрозрачности и иногда может проявлять фосфоресценцию или флуоресценцию . В оптических целях используется прозрачная разновидность, называемая исландским шпатом . Острые скаленоэдрические кристаллы иногда называют «зубчатым лонжероном», а ромбоэдрическую форму иногда называют «лонжероном с шляпкой гвоздя».

Демонстрация двойного лучепреломления в кальците с помощью лазера 445 нм

Одиночные кристаллы кальцита обладают оптическим свойством, называемым двойным лучепреломлением (двойное лучепреломление). Это сильное двойное лучепреломление заставляет объекты, просматриваемые через прозрачный кусок кальцита, казаться двойными. Эффект двойного лучепреломления (с использованием кальцита) был впервые описан датским ученым Расмусом Бартолином в 1669 году. При длине волны ≈590 нм кальцит имеет обычный и необычный показатели преломления 1,658 и 1,486 соответственно. [11] Между 190 и 1700 нм обычный показатель преломления колеблется примерно от 1,9 до 1,5, в то время как необычный показатель преломления варьируется от 1,6 до 1,4. [12]

Химическая [ править ]

Кальцит, как и большинство карбонатов, растворяется в кислотах в результате реакции

CaCO
3
(s) + 2H+
(водн.) → Са 2+ (водн.) + H
2
O + CO
2
(грамм)

Диоксид углерода, выделяющийся в результате этой реакции, вызывает характерное шипение, когда разбавленная соляная кислота падает на образец кальцита.

Окружающий диоксид углерода из-за своей кислотности оказывает небольшое солюбилизирующее действие на кальцит. Общая реакция

CaCO
3
(s) + H
2
O + CO
2
(водн.) → Ca 2+ (водн.) + 2HCO-
3
(водн.)

Если количество растворенного диоксида углерода падает, реакция меняется на осаждение кальцита. В результате кальцит может растворяться в грунтовых водах или осаждаться грунтовыми водами, в зависимости от таких факторов, как температура воды, pH и концентрация растворенных ионов . Когда условия подходят для выпадения осадков, кальцит образует минеральные покрытия, которые цементируют зерна породы вместе и могут заполнять трещины. Когда условия подходят для растворения, удаление кальцита может резко увеличить пористость и проницаемость породы, а если оно будет продолжаться в течение длительного периода времени, может привести к образованию пещер.. Продолжающееся растворение пластов, богатых карбонатом кальция, может привести к расширению и, в конечном итоге, разрушению пещерных систем, что приведет к различным формам карстовой топографии . [13]

Кальцит демонстрирует необычную характеристику, называемую ретроградной растворимостью, при которой он становится менее растворимым в воде при повышении температуры. Кальцит также более растворим при более высоких давлениях. [14]

Чистый кальцит имеет состав CaCO
3
. Однако кальцит в известняке часто содержит несколько процентов магния . Кальцит в известняке делится на кальцит с низким содержанием магния и кальцит с высоким содержанием магния, при этом разделительная линия соответствует составу 4% магния. Кальцит с высоким содержанием магния сохраняет минеральную структуру кальцита, отличную от структуры доломита , MgCa (CO
3
)
2
. [15] Кальцит также может содержать небольшое количество железа и марганца . [16] Марганец может быть ответственным за флюоресценцию нечистого кальцита, как и следы органических соединений. [17]

Использование и приложения [ править ]

Один из нескольких кальцитовых или алебастровых сосудов для духов из гробницы Тутанхамона , ум. 1323 г. до н.э.

Древние египтяне вырезали из кальцита множество предметов, связывая его со своей богиней Баст , чье имя связано с термином алебастр из-за тесной связи. Многие другие культуры использовали этот материал для изготовления подобных резных предметов и аппликаций. [18]

Прозрачный кальцит, известный как исландский шпат, возможно, использовался викингами для навигации в пасмурные дни. [19]

Высококачественный оптический кальцит использовался во время Второй мировой войны для оружейных прицелов, в частности, для бомбовых прицелов и зенитного оружия. [20] Также были проведены эксперименты по использованию кальцита в качестве мантии-невидимки . [21]

Микробиологически осажденный кальцит имеет широкий спектр применения, например, для восстановления почвы, стабилизации почвы и ремонта бетона.

Кальцит, полученный из 80 кг образца каррарского мрамора , [22] используются как МАГАТЭ~D -603 изотопного стандарт в массе - спектрометрии для калибровки б 18 O и δ 13 ° С [23]

Естественное явление [ править ]

Кальцит является обычным компонентом осадочных пород , в частности известняка , большая часть которого образована из раковин мертвых морских организмов. Примерно 10% осадочных пород - известняк. Это первичный минерал в метаморфическом мраморе . Он также встречается в отложениях горячих источников как жильный минерал; в пещерах в виде сталактитов и сталагмитов ; и в вулканических породах или породах мантийного происхождения, таких как карбонатиты , кимберлиты , или, реже, в перидотитах .

Кальцит часто основной составляющей из раковин из морских организмов , например, планктон (например, кокколиты и планктонных фораминифер ), твердые части красных водорослей , некоторых губок , брахиопод , иглокожих , некоторые serpulids , большинство мшанок и частей оболочек некоторых двустворчатых моллюсков (например, устриц и рудистов ). Кальцит находится в удивительной форме в пещере Снежной реки в Нью-Мексико.как упоминалось выше, где микроорганизмам приписывают естественные образования. Трилобиты , вымершие четверть миллиарда лет назад , обладали уникальными сложными глазами, в которых для формирования линз использовались прозрачные кристаллы кальцита. [24]

Самый крупный зарегистрированный монокристалл кальцита происходил из Исландии, имел размеры 7 × 7 × 2 м и 6 × 6 × 3 м и весил около 250 тонн. [25]

Заложение параллельных жил волокнистого кальцита, часто называемого на языке карьеров «говядиной», встречается в темных богатых органическими веществами аргиллитах и ​​сланцах. Эти жилы образуются в результате увеличения давления флюида во время диагенеза . [26]

Процессы формирования [ править ]

Образование кальцита может протекать несколькими путями, от классической модели перегиба уступа уступа [27] до кристаллизации плохо упорядоченных фаз-предшественников (аморфный карбонат кальция, ACC) через процесс созревания Оствальда или через агломерацию нанокристаллов. [28]

Кристаллизация ACC может происходить в две стадии: во-первых, наночастицы ACC быстро дегидратируются и кристаллизуются с образованием отдельных частиц ватерита. Во-вторых, фатерит превращается в кальцит по механизму растворения и повторного осаждения, при этом скорость реакции регулируется площадью поверхности кальцита. [29] Вторая стадия реакции примерно в 10 раз медленнее. Однако наблюдали, что кристаллизация кальцита зависит от исходного pH и присутствия Mg в растворе. [30] Нейтральный исходный pH во время смешивания способствует прямому превращению АСС в кальцит. И наоборот, когда АСС образуется в растворе, который начинается с основного начального pH, превращение в кальцит происходит через метастабильный ватерит, который образуется по механизму сферолитового роста.[31] На второй стадии этот фатерит превращается в кальцит посредством механизма растворения и перекристаллизации с контролируемой поверхностью. Mg оказывает заметное влияние как на стабильность ACC, так и на его превращение в кристаллический CaCO 3 , что приводит к образованию кальцита непосредственно из ACC, поскольку этот ион дестабилизирует структуру ватерита.

Кальцит может образовываться под поверхностью в ответ на активность микроорганизмов, например, во время сульфат-зависимого анаэробного окисления метана , когда метан окисляется, а сульфат восстанавливается консорциумом окислителей метана и восстановителей сульфата, что приводит к осаждению кальцита и пирита из произведенный бикарбонат и сульфид. Эти процессы можно проследить по определенному изотопному составу углерода кальцитов, которые чрезвычайно обеднены изотопом 13 C, на целых -125 промилле PDB (δ 13 C). [32]

В истории Земли [ править ]

Кальцитовые моря существовали в истории Земли, когда первичный неорганический осадок карбоната кальция в морских водах был кальцитом с низким содержанием магния (lmc), в отличие от арагонита и кальцита с высоким содержанием магния (hmc), выпавших сегодня. В фанерозое моря кальцита чередовались с морями арагонита , которые наиболее заметны в ордовике и юре . Линии эволюционировали, чтобы использовать ту форму карбоната кальция, которая подходила для океана в то время, когда они стали минерализованными, и сохранили эту минералогию до конца своей эволюционной истории. [33] Петрографическое доказательства этих кальцита морских условий состоит из кальцитовых ooids , LMC цементов,твердые грунты и быстрое растворение арагонита на морском дне. [34] На эволюцию морских организмов с раковинами из карбоната кальция мог повлиять морской цикл кальцита и арагонита . [35]

Кальцит - один из минералов, который, как было показано, катализирует важную биологическую реакцию, реакцию формозы , и, возможно, сыграл роль в возникновении жизни. [9] Взаимодействие его хиральных поверхностей (см. Форму ) с молекулами аспарагиновой кислоты приводит к небольшому смещению хиральности; это один из возможных механизмов возникновения гомохиральности в живых клетках. [36]

Галерея [ править ]

  • Кальцит с моттрамитом

  • В глазах трилобита применен кальцит

  • Кристаллы кальцита в пробе цистоида Echinosphaerites aurantium (средний ордовик , северо-восток Эстонии )

  • Ромбоэдры кальцита, которые выглядят почти как книги из лепестков, трехмерно сложенные на матрице

  • Кристалл кальцита скошен под углом, с маленькими шариками гематита и кристаллами халькопирита как на его поверхности, так и на внутренней поверхности кристалла.

  • Тонкий срез кристаллов кальцита внутри перекристаллизованной раковины двустворчатого моллюска в биопельспарите

  • Несколько хорошо сформированных молочно-белых слепков, состоящих из множества мелких острых кристаллов кальцита, добытых на серных рудниках в Агридженто, Сицилия.

  • Красноватые ромбоэдрические кристаллы кальцита из Китая. Его красный цвет обусловлен наличием железа.

  • Кальцит (вариант: кобальтовый кальцит)

  • Песчаные кальциты (кальциты, в значительной степени включенные в песок пустыни) в Южной Дакоте

  • Кальцит, двойник-бабочка, 4,0 × 3,3 × 1,6 см . Хосе Мария Патони, Сан-Хуан-дель-Рио, Дуранго (Мексика)

  • Под микроскопом кальцит и доломит выглядят одинаково , но тонкие срезы можно протравить и окрасить, чтобы идентифицировать минералы. Микрофотография шлифа в поперечном и плоско поляризованном свете: более яркие зерна минерала на снимке - доломит, более темные - кальцит.

См. Также [ править ]

  • Икаите , CaCO 3 · 6H 2 O
  • Список минералов
  • Лизоклин
  • Кальцит марганцевый , (Ca, Mn) CO 3
  • Моногидрокальцит , CaCO 3 · H 2 O
  • Закисление океана
  • Улексит

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дана, Джеймс Дуайт; Кляйн, Корнелис и Херлбут, Корнелиус Сёрл (1985) Руководство по минералогии , Wiley, стр. 329, ISBN  0-471-80580-7 .
  2. ^ Энтони, Джон В .; Бидо, Ричард А .; Bladh, Kenneth W .; Николс, Монте С., ред. (2003). «Кальцит» (PDF) . Справочник по минералогии . V (бораты, карбонаты, сульфаты). Шантильи, Вирджиния, США: Минералогическое общество Америки. ISBN  978-0962209741.
  3. ^ а б «Кальцит» . mindat.org . Дата обращения 4 мая 2018 .
  4. ^ Бартелми, Дэйв. «Данные о минералах кальцита» . webmineral.com . Проверено 6 мая 2018 .
  5. ^ Йошиока S .; Китано Ю. (1985). «Превращение арагонита в кальцит при нагревании» . Геохимический журнал . 19 (4): 24–249. DOI : 10,2343 / geochemj.19.245 .
  6. ^ Staudigel PT; Сварт ПК (2016). «Изотопное поведение во время перехода арагонит-кальцит: последствия для подготовки проб и интерпретации прокси». Химическая геология . 442 : 130–138. DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2016.09.013 .
  7. ^ "кальцит (сущ.)" . Интернет-словарь этимологии . Проверено 6 мая 2018 .
  8. ^ Подробнее об алебастре и травертине , краткое руководство, объясняющее различное использование одних и тех же терминов геологами, археологами и торговцами камнем. Музей естественной истории Оксфордского университета, 2012 [1]
  9. ^ a b c d Hazen, Роберт М. (2004). «Хиральные грани кристаллов распространенных породообразующих минералов». В Палы, Ц .; Zucchi, C .; Калиоти, Л. (ред.). Прогресс в биологической хиральности . Оксфорд: Эльзевир. стр.  137 -151.
  10. ^ "Люблинит" . mindat.org . Проверено 6 мая 2018 .
  11. ^ Элерт, Гленн. «Преломление» . Гипертекст по физике .
  12. ^ Томпсон, DW; Деврис, MJ; Tiwald, TE; Woollam, JA (1998). «Определение оптической анизотропии в кальците от ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона с помощью обобщенной эллипсометрии». Тонкие твердые пленки . 313–314 (1–2): 341–346. Bibcode : 1998TSF ... 313..341T . DOI : 10.1016 / S0040-6090 (97) 00843-2 .
  13. ^ Вольфганг, Дрейбродт (2004). «Растворение: карбонатные породы» . Энциклопедия пещер и карстовой науки . С. 295–298 . Проверено 26 декабря 2020 года .
  14. ^ Sharp, МЫ; Кеннеди, GC (март 1965 г.). «Система CaO-CO 2 -H 2 O в двухфазной области кальцит + водный раствор». Журнал геологии . 73 (2): 391–403. DOI : 10.1086 / 627069 .
  15. ^ Блатт, Харви; Миддлтон, Джерард; Мюррей, Раймонд (1980). Происхождение осадочных пород (2-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. С. 448–449. ISBN 0136427103.}
  16. ^ Dromgoole, Эдвард L .; Уолтер, Линн М. (февраль 1990 г.). «Включение железа и марганца в кальцит: влияние кинетики роста, температуры и химического состава раствора». Химическая геология . 81 (4): 311–336. DOI : 10.1016 / 0009-2541 (90) 90053-A .
  17. ^ Педоне, Вики А .; Черконе, Карен Роуз; Burruss, RC (октябрь 1990 г.). «Активаторы фотолюминесценции в кальците: данные спектроскопии люминесценции с возбуждением лазером высокого разрешения». Химическая геология . 88 (1–2): 183–190. DOI : 10.1016 / 0009-2541 (90) 90112-K .
  18. ^ Рид, Кристина (весна 2017 г.). «Витрина» (PDF) . Ла Сьерра-Дигс (5: 2). Университет Ла Сьерра . Проверено 6 февраля 2021 года .
  19. ^ Перкинс, Сид. «Моряки-викинги могли плавать с легендарными кристаллами» . sciencemag.org . Американская ассоциация развития науки . Дата обращения 13 июля 2020 .
  20. Листер, Присцилла (5 декабря 2010 г.). «Следы кальцитовой шахты Боррего хранят чудеса пустыни» . Сан-Диего Юнион-Трибюн . Проверено 8 января 2021 года .
  21. ^ Чен, Сяньчжун; Луо, Ю; Чжан, Цзинцзин; Цзян, Кайл; Пендри, Джон Б.; Чжан, Шуанг (2011). «Маскировка макроскопической невидимости видимого света» . Nature Communications . 2 (2): 176. arXiv : 1012.2783 . Bibcode : 2011NatCo ... 2E.176C . DOI : 10.1038 / ncomms1176 . PMC 3105339 . PMID 21285954 .  
  22. ^ Департамент ядерных наук и приложений, Лаборатории окружающей среды МАГАТЭ (16 июля 2016 г.). «Справочный лист: Сертифицированный стандартный образец: IAEA-603 (кальцит) - стандартный изотопный образец для δ 13 C и δ 18(PDF) . МАГАТЭ . п. 2 . Проверено 28 февраля 2017 года .
  23. ^ "МАГАТЭ-603, Кальцит" . Справочные продукты для окружающей среды и торговли . Международное агентство по атомной энергии . Проверено 27 февраля 2017 года .
  24. ^ Angier, Натали (3 марта 2014). «Когда трилобиты правили миром» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 10 марта 2014 .
  25. ^ Rickwood, PC (1981). «Самые большие кристаллы» (PDF) . Американский минералог . 66 : 885–907.
  26. ^ Равье, Эдуард; Мартинес, Матьё; Пелленар, Пьер; Занелла, Ален; Тюпинье, Люси (декабрь 2020 г.). «Отпечаток Миланковича по распространению и мощности залегания параллельных жил (говядина) в нефтематеринских породах». Морская и нефтяная геология . 122 : 104643. DOI : 10.1016 / j.marpetgeo.2020.104643 .
  27. ^ Де Йорео, JJ; Векилов П.Г. (2003). «Принципы зарождения и роста кристаллов». Обзоры по минералогии и геохимии . 54 : 57–93. CiteSeerX 10.1.1.324.6362 . DOI : 10.2113 / 0540057 . 
  28. ^ Де Йорео, Дж .; Гилберт, PUPA; Sommerdijk, NAJM; Penn, RL; Whitelam, S .; Joester, D .; Zhang, H .; Rimer, JD; Навроцкий, А .; Banfield, JF; Уоллес, AF; Мишель, FM; Мелдрам, ФК; Cölfen, H .; Голубь, PM (2015). «Кристаллизация путем прикрепления частиц в синтетических, биогенных и геологических средах» (PDF) . Наука . 349 (6247): ааа6760. DOI : 10.1126 / science.aaa6760 . PMID 26228157 . S2CID 14742194 .   
  29. ^ Родригес-Бланко, JD; Shaw, S .; Беннинг, LG (2011). «Кинетика и механизмы кристаллизации аморфного карбоната кальция (ACC) в кальцит через ватерит». Наноразмер . 3 (1): 265–71. Bibcode : 2011Nanos ... 3..265R . DOI : 10.1039 / C0NR00589D . PMID 21069231 . 
  30. ^ Родригес-Бланко, JD; Shaw, S .; Боты, П .; Roncal-Herrero, T .; Беннинг, LG (2012). «Роль pH и Mg на стабильность и кристаллизацию аморфного карбоната кальция». Журнал сплавов и соединений . 536 : S477 – S479. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2011.11.057 .
  31. ^ Боты, P .; Беннинг, LG; Родригес-Бланко, JD; Roncal-Herrero, T .; Шоу, С. (2012). «Механистические взгляды на кристаллизацию аморфного карбоната кальция (ACC)». Выращивание кристаллов и дизайн . 12 (7): 3806–3814. DOI : 10.1021 / cg300676b .
  32. ^ Дрейк, H .; Astrom, ME; Heim, C .; Broman, C .; Astrom, J .; Белый дом, М .; Иварссон, М .; Siljestrom, S .; Шовалл, П. (2015). «Экстремальное истощение 13 C карбонатов, образовавшихся при окислении биогенного метана в трещиноватом граните» . Nature Communications . 6 : 7020. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7020D . DOI : 10.1038 / ncomms8020 . PMC 4432592 . PMID 25948095 .  
  33. ^ Портер, SM (2007). «Химия морской воды и ранняя биоминерализация карбонатов». Наука . 316 (5829): 1302. Bibcode : 2007Sci ... 316.1302P . DOI : 10.1126 / science.1137284 . PMID 17540895 . S2CID 27418253 .  
  34. ^ Палмер, Тимоти; Уилсон, Марк (2004). «Осаждение кальцита и растворение биогенного арагонита в мелководных кальцитовых морях ордовика». Летая . 37 (4): 417–427. DOI : 10.1080 / 00241160410002135 .
  35. ^ Харпер, EM; Палмер, Т.Дж.; Алфей, младший (1997). «Эволюционная реакция двустворчатых моллюсков на изменение химического состава морской воды фанерозоя». Геологический журнал . 134 (3): 403–407. Bibcode : 1997GeoM..134..403H . DOI : 10.1017 / S0016756897007061 .
  36. ^ Meierhenrich, Uwe (2008). Аминокислоты и асимметрия жизни уловлены в акте образования . Берлин: Springer. С. 76–78. ISBN 9783540768869.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Шмиттнер, Карл-Эрих; и Жирес, Пьер; 1999. "Микроэкологический контроль биоминерализации: поверхностные процессы осаждения апатита и кальцита в четвертичных почвах", Руссильон, Франция. Седиментология 46/3: 463–476.