Кальцит - Calcite

Кальцит
Calcite-20188.jpg
Общее
КатегорияКарбонатные минералы
Формула
(повторяющийся блок)		CaCO3
Классификация Струнца5.AB.05
Кристаллическая системаТригональный
Кристалл классШестиугольный скаленоэдр (3м)
Символ HM: (3 2 / м)
Космическая группар3c
Ячейкаа = 4.9896(2) Å,
c = 17,0610 (11) Å; Z = 6
Идентификация
цветБесцветный или белый, желтый, красный, оранжевый, синий, зеленый, коричневый, серый и т. Д.
Хрустальная привычкаКристаллический, зернистый, сталактитовый, конкреционный, массивный, ромбоэдрический
TwinningОбщее по четырем двойным законам
РасщеплениеИдеально на {1011} три направления с углом 74 ° 55 '[1]
ПереломКонхоидальный
УпорствоХрупкий
Шкала Мооса твердость3 (определяющий минерал)
БлескСтекловидное до жемчужного на поверхностях декольте
ПолосаБелый
ПрозрачностьОт прозрачного до полупрозрачного
Удельный вес2.71
Оптические свойстваОдноосный (-)
Показатель преломленияпω = 1.640–1.660
пε = 1.486
Двулучепреломлениеδ = 0,154–0,174
РастворимостьРастворим в разбавленных кислотах
Другие характеристикиМожет флуоресцировать красным, синим, желтым и другими цветами как при SW, так и в LW UV; фосфоресцирующий
использованная литература[2][3][4]
Кристаллическая структура кальцита

Кальцит это карбонатный минерал и самый стабильный полиморф из карбонат кальция (CaCO3). В Шкала твердости минералов Мооса, на основе царапина сравнение твердости, определяет значение 3 как «кальцит».

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

Этимология

Кальцит происходит от немецкого Calcit, термин, появившийся в XIX веке от латинского слова Лайм, кал (родительный падеж calcis) с суффиксом -ite, используемым для обозначения минералов. Таким образом, этимологически он связан с мел.[7]

При применении археологи и специалисты по торговле камнем, термин алебастр используется не только в геологии и минералогии, где он предназначен для различных гипс; но также и для похожих на полупрозрачный разновидность мелкозернистых полосчатых отложений кальцита.[8]

Индексы элементарной ячейки и Миллера

В публикациях два разных набора Индексы Миллера используются для описания направлений в кристаллах кальцита - гексагональной системе с тремя индексами h, k, l и ромбоэдрическая система с четырьмя индексами ч, к, л, я. 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 использованием Рентгеновская кристаллография. Морфологическая элементарная ячейка имеет приблизительные размеры а = 10 Å и c = 8.5 Å, а для структурной ячейки они равны а = 5 Å и c = 17 Å. Для той же ориентации c необходимо умножить на 4, чтобы преобразовать морфологические единицы в структурные. Например, расщепление дается как "идеальное на {1 0 1 1} "в морфологических координатах и" идеально на {1 0 1 4} "в структурных единицах. (В гексагональных индексах это {1 0 1} и {1 0 4}.) Двойникование, спайность и кристаллические формы всегда даны в морфологических единицах.[3][9]

Свойства

Форма

Более 800 форм кальцита кристаллы были идентифицированы. Наиболее распространены скаленоэдра, с гранями в шестиугольных направлениях {2 1 1} (морфологическая элементарная ячейка) или {2 1 4} направлениях (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 скаленоэдра. Кальцит демонстрирует несколько побратимство виды, дополняющие 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 перелом раковинный, но получить сложно.

Чешуйчатоэдральные грани хиральный и бывают парами с зеркальной симметрией; на их рост может влиять взаимодействие с хиральными биомолекулами, такими как L- и D-аминокислоты. Ромбоэдрические грани ахиральные.[9]

Твердость

Он имеет определяющее Твердость по Моосу из 3, а удельный вес 2,71, а его блеск стекловидный у кристаллизованных разновидностей. 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

Фотография кальцита поверх абзаца текста.
Фотография кальцита поверх абзаца текста.
Фотография кальцита, демонстрирующая характерные оптические свойства двулучепреломления.

Кальцит от прозрачного до непрозрачного и иногда может проявляться фосфоресценция или флуоресценция. Прозрачный сорт под названием Исландский лонжерон используется в оптических целях. 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 двулучепреломление (двойное лучепреломление). Это сильное двойное лучепреломление заставляет объекты, просматриваемые через прозрачный кусок кальцита, казаться двойными. Эффект двойного лучепреломления (с использованием кальцита) был впервые описан Датский ученый Расмус Бартолин в 1669 году. На длине волны ≈590 нм кальцит имеет обыкновенный и необычный показатели преломления 1,658 и 1,486 соответственно.[11] Между 190 и 1700 нм обычный показатель преломления варьируется примерно от 1,9 до 1,5, в то время как необычный показатель преломления колеблется от 1,6 до 1,4.[12]

Химическая

Кальцит, как и большинство карбонатов, растворяется с большинством кислот. Кальцит может быть растворенный грунтовыми водами или осажденный грунтовыми водами, в зависимости от нескольких факторов, включая температуру воды, pH, и распался ион концентрации. Хотя кальцит практически нерастворим в холодной воде, кислотность может вызвать растворение кальцита и выделение газообразного диоксида углерода. Окружающий диоксид углерода из-за своей кислотности оказывает небольшое солюбилизирующее действие на кальцит. Кальцит демонстрирует необычную характеристику, называемую ретроградной растворимостью, при которой он становится менее растворимым в воде при повышении температуры. Когда условия подходят для выпадения осадков, кальцит образует минеральные покрытия, которые цементируют существующие зерна породы вместе, или он может заполнять трещины. Когда условия подходят для растворения, удаление кальцита может значительно увеличить пористость и проницаемость породы, и если это продолжается в течение длительного периода времени, это может привести к образованию пещеры. В ландшафтном масштабе продолжающееся растворение богатых карбонатом кальция пород может привести к расширению и, в конечном итоге, к разрушению пещерных систем, что приведет к различным формам карстовая топография.

Использование и приложения

Один из нескольких сосудов для духов из кальцита или алебастра из гробницы Тутанхамон, г. 1323 г. до н.э.

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

Прозрачная разновидность кальцита, известная как Исландский лонжерон мог быть использован Викинги для навигации в пасмурные дни.[13]

Высококачественный оптический кальцит использовался во время Второй мировой войны для оружейных прицелов, в частности, для бомбовых прицелов и зенитного оружия.[14] Также были проведены эксперименты по использованию кальцита для плащ невидимости.[15]

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

Кальцит, полученный из образца 80 кг Каррарский мрамор,[16] используется как МАГАТЭ -603 изотопный стандарт в масс-спектрометрии для калибровки δ18O и δ13С.[17]

Естественное явление

Кальцит является частым компонентом осадочные породы, известняк в частности, большая часть которых образована из панцирей мертвых морских организмов. Примерно 10% осадочных пород - известняк. Это основной минерал в метаморфический мрамор. Это также встречается в отложениях из горячие источники как вена минеральная; в пещеры так как сталактиты и сталагмиты; И в вулканический или мантийный камни, такие как карбонатиты, кимберлиты, или редко в перидотиты.

Кальцит часто является основным компонентом снаряды из морские организмы, например, планктон (такие как кокколиты и планктон фораминиферы ), твердые части красного водоросли, немного губки, брахиоподы, иглокожие, немного серпулиды, самый мшанки, и части оболочек некоторых двустворчатые моллюски (такие как устрицы и рудисты ). Кальцит в великолепной форме содержится в Пещера Снежной реки из Нью-Мексико как упоминалось выше, где микроорганизмам приписывают естественные образования. Трилобиты, который стал вымерли четверть миллиарда лет назад У него были уникальные сложные глаза, в которых для формирования линз использовались прозрачные кристаллы кальцита.[18]

Самый крупный зарегистрированный монокристалл кальцита происходил из Исландии, имел размеры 7 × 7 × 2 м и 6 × 6 × 3 м и весил около 250 тонн.[19]

Постельные принадлежности параллельные жилы волокнистого кальцита, часто называемые в карьере «говядина», встречаются в темных, богатых органическими веществами аргиллитах и ​​сланцах, эти жилы образуются за счет увеличения давление жидкости в течение диагенез.[20]

Формирование процессов

Образование кальцита может происходить несколькими путями, начиная с классического модель перегиба выступа террасы[21] к кристаллизации слабоупорядоченных фаз-предшественников (аморфный карбонат кальция, ACC) через Оствальдское созревание процесс, или через агломерацию нанокристаллов.[22]

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.[23] Вторая стадия реакции примерно в 10 раз медленнее. Однако наблюдали, что кристаллизация кальцита зависит от исходного pH и присутствия Mg в растворе.[24] Нейтральный исходный pH во время перемешивания 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.[25] 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-зависимой анаэробное окисление метана, где метан окисляется, а сульфат восстанавливается консорциумом окислителей метана и восстановителей сульфата, что приводит к осаждению кальцита и пирит из произведенного бикарбоната и сульфида. Эти процессы можно проследить по конкретным изотоп углерода состав кальцитов, которые чрезвычайно обеднены 13Изотоп C, на целых -125 промилле PDB (δ13C).[26]

В истории Земли

Кальцитовые моря Существовал в истории Земли, когда первичный неорганический осадок карбоната кальция в морских водах был кальцитом с низким содержанием магния (lmc), в отличие от арагонит и кальцит с высоким содержанием магния (ГМС) выпал сегодня в осадок. Кальцитовые моря чередовались с арагонитовые моря над фанерозоем, будучи наиболее заметным в Ордовик и Юрский. 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.[27] Петрографический свидетельство этих кальцитовых морских условий состоит из кальцитовых ооиды, цементы lmc, жесткие грунты и быстрое растворение арагонита на морском дне.[28] На эволюцию морских организмов с раковинами из карбоната кальция, возможно, повлияли кальцит и арагонит морской цикл.[29]

Кальцит - один из минералов, который, как было показано, катализировать важная биологическая реакция, формальная реакция, и, возможно, сыграл роль в возникновении жизни.[9] Взаимодействие его киральных поверхностей (см. Форма ) с участием аспарагиновая кислота молекулы приводят к небольшому смещению хиральности; это один из возможных механизмов происхождения гомохиральность в живых клетках.[30]

Галерея

  • Кальцит с моттрамитом

  • В глазах трилобита использован кальцит

  • Кристаллы кальцита внутри пробы цистоида Echinosphaerites aurantium (Средний Ордовик, северо-восток Эстония )

  • 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 внутри поверхности кристалла.

  • Тонкая секция кристаллов кальцита внутри перекристаллизованного двустворчатый оболочка в биопельспарит

  • 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 утюг

  • 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)

  • Кальцит и доломит похожи под микроскоп, но тонкие срезы может быть протравлен и окрашен для идентификации минералов. Микрофотография шлифа в поперечном и плоско поляризованном свете: более яркие минеральные зерна на картинке - доломит, более темные - кальцит.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Дана, Джеймс Дуайт; Кляйн, Корнелис и Херлбут, Корнелиус Сирл (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. Получено 4 мая 2018.
  4. ^ Бартелми, Дэйв. «Данные о минералах кальцита». webmineral.com. Получено 6 мая 2018.
  5. ^ Йошиока С .; Китано Ю. (1985). «Превращение арагонита в кальцит при нагревании». Геохимический журнал. 19 (4): 24–249. Дои:10.2343 / geochemj.19.245.
  6. ^ Штаудигель П. Т .; Сварт П. К. (2016). «Изотопное поведение во время перехода арагонит-кальцит: последствия для подготовки проб и интерпретации прокси». Химическая геология. 442: 130–138. Дои:10.1016 / j.chemgeo.2016.09.013.
  7. ^ "кальцит (сущ.)". Интернет-словарь этимологии. Получено 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 г. [1]
  9. ^ а б c d Хейзен, 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. Получено 6 мая 2018.
  11. ^ Элерт, Гленн. «Преломление». Гипертекст по физике.
  12. ^ Томпсон, Д. В .; Devries, M. J .; Tiwald, T. E .; Вуллам, Дж. А. (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. Дои:10.1016 / S0040-6090 (97) 00843-2.
  13. ^ Перкинс, Сид. «Моряки-викинги могли плавать с легендарными кристаллами». sciencemag.org. Американская ассоциация развития науки. Получено 13 июля 2020.
  14. ^ "Следы кальцитовой шахты Боррего хранят чудеса пустыни". Получено 2011-06-03.
  15. ^ 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:2011 НатКо ... 2E.176C. Дои:10.1038 / ncomms1176. ЧВК  3105339. PMID  21285954.
  16. ^ 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 δ13C и δ18O " (PDF). МАГАТЭ. п. 2. Получено 28 февраля 2017.
  17. ^ «МАГАТЭ-603, Кальцит». Эталонные продукты для окружающей среды и торговли. Международное агентство по атомной энергии. Получено 27 февраля 2017.
  18. ^ Анжер, Натали (3 марта 2014 г.). «Когда трилобиты правили миром». Нью-Йорк Таймс. Получено 10 марта 2014.
  19. ^ Риквуд, П. С. (1981). «Самые большие кристаллы» (PDF). Американский минералог. 66: 885–907.
  20. ^ Равье, Эдуард; Мартинес, Матьё; Пелленар, Пьер; Занелла, Ален; Тюпинье, Люси (декабрь 2020 г.). «Отпечаток Миланковича по распределению и мощности залегания параллельных жил (говядина) в материнских породах». Морская и нефтяная геология. 122: 104643. Дои:10.1016 / j.marpetgeo.2020.104643.
  21. ^ De Yoreo, J. J .; Векилов, П. Г. (2003). «Принципы зарождения и роста кристаллов». Обзоры по минералогии и геохимии. 54: 57–93. CiteSeerX  10.1.1.324.6362. Дои:10.2113/0540057.
  22. ^ De Yoreo, J .; Гилберт, PUPA; Sommerdijk, N.A.J. M .; Penn, R.L .; Whitelam, S .; Joester, D .; Zhang, H .; Rimer, J.D .; Навроцкий, А .; Banfield, J. F .; Уоллес, А. Ф .; Michel, F.M .; Meldrum, F.C .; Cölfen, H .; Голубь, П. М. (2015). «Кристаллизация путем прикрепления частиц в синтетических, биогенных и геологических средах» (PDF). Наука. 349 (6247): ааа6760. Дои:10.1126 / science.aaa6760. PMID  26228157. S2CID  14742194.
  23. ^ Rodriguez-Blanco, J.D .; Shaw, S .; Беннинг, Л. Г. (2011). «Кинетика и механизмы кристаллизации аморфного карбоната кальция (ACC) в кальцит через ватерит». Наномасштаб. 3 (1): 265–71. Bibcode:2011Nanos ... 3..265R. Дои:10.1039 / C0NR00589D. PMID  21069231.
  24. ^ Rodriguez-Blanco, J.D .; Shaw, S .; Боты, П .; Roncal-Herrero, T .; Беннинг, Л. Г. (2012). «Роль pH и Mg на стабильность и кристаллизацию аморфного карбоната кальция». Журнал сплавов и соединений. 536: S477 – S479. Дои:10.1016 / j.jallcom.2011.11.057.
  25. ^ Боты, П .; Benning, L.G .; Rodriguez-Blanco, J.D .; Roncal-Herrero, T .; Шоу, С. (2012). «Механистические взгляды на кристаллизацию аморфного карбоната кальция (ACC)». Рост кристаллов и дизайн. 12 (7): 3806–3814. Дои:10.1021 / cg300676b.
  26. ^ Drake, H .; Astrom, M.E .; Heim, C .; Broman, C .; Astrom, J .; Белый дом, М .; Иварссон, М .; Siljestrom, S .; Шовалл, П. (2015). "Экстремальный 13Обеднение карбонатами, образовавшимися при окислении биогенного метана в трещиноватом граните ». Nature Communications. 6: 7020. Bibcode:2015НатКо ... 6.7020D. Дои:10.1038 / ncomms8020. ЧВК  4432592. PMID  25948095.
  27. ^ Портер, С. М. (2007). «Химия морской воды и ранняя биоминерализация карбонатов». Наука. 316 (5829): 1302. Bibcode:2007Научный ... 316.1302P. Дои:10.1126 / science.1137284. PMID  17540895. S2CID  27418253.
  28. ^ Палмер, Тимоти; Уилсон, Марк (2004). «Осаждение кальцита и растворение биогенного арагонита в мелководных кальцитовых морях ордовика». Lethaia. 37 (4): 417–427. Дои:10.1080/00241160410002135.
  29. ^ Харпер, E.M .; Палмер, Т.Дж .; Алфей, Дж. Р. (1997). «Эволюционная реакция двустворчатых моллюсков на изменение химического состава морской воды в фанерозое». Геологический журнал. 134 (3): 403–407. Bibcode:1997ГеоМ..134..403H. Дои:10.1017 / S0016756897007061.
  30. ^ Мейерхенрих, Уве (2008). Аминокислоты и асимметрия жизни, пойманная в процессе формирования. Берлин: Springer. С. 76–78. ISBN  9783540768869.

дальнейшее чтение

  • 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.