Кальцит минералы: қасиеттері мен құрамы

Кіріспе

Кальций карбонаты минералы

Кальцит – карбонат минералы және кальций карбонатының (CaCO3) ең тұрақты полиморфы. Бұл өте көп таралған минерал, әсіресе әктастың құрамында кездеседі. Кальцит минералдардың қаттылығы бойынша Моос шкаласында 3 қаттылық деңгейін анықтайды, бұл сызат арқылы салыстыруға негіделген. Ірі кальцит кристалдары оптикалық құралдарда қолданылады, ал көбінесе кальциттен тұратын әктас көптеген мақсаттарда пайдаланылады. Кальций карбонатының басқа полиморфтары – арагонит және ватерит минералдары. Арагонит 300°C-тан жоғары температурада бірнеше күннің ішінде немесе одан да аз уақытта кальцитке айналады, ал ватерит одан да тұрақсыз.

Этимология

Кальцит – 19 ғасырдағы неміс тіліндегі «кальцит» сөзінен туындаған. Бұл сөз латын тіліндегі әк тасын білдіретін «calx» (жатыс жағдайында «calcis») сөзінен және минералдарды атау үшін қолданылатын «-ite» жұрнағынан құралған. Осылайша, бұл сөз «бор» сөзімен мағыналас болып табылады. Археологтар мен тас саудасымен айналысатын мамандар «алабастр» терминін геология мен минералогияда қолданылатындай, тек гипстің бір түріне ғана емес, сонымен қатар ұқсас көрінісі бар, мөлдір, ұсақ түйіршікті, қабатталған кальцит кендеріне де қолданады.

Бөлшектік ұяшықтар мен Миллер индекстері

Басылымдарда алтыбұрышты және ромбоэдрлі кристалдардағы бағыттарды сипаттау үшін Миллер индекстерінің екі түрлі жиынтығы қолданылады, соның ішінде кальцит кристалдары: бағыттардағы үш Миллер индексі h, k, l немесе бағыттардағы төрт Браве Миллер индексі h, k, i, l, мұндағы i артық, бірақ пермутациялық симметрияларды визуализациялауда пайдалы. Құрделілікті арттыра түсетіні, кальцит үшін бірлік жасушаның екі анықтамасы бар. Бірі, ескі "морфологиялық" бірлік жасуша, кристалдардың жақтары арасындағы бұрыштарды өлшеу арқылы, әдетте гониометрмен анықталып, сәйкес келетін ең кіші сандар ізделді. Кейіннен рентгендік кристаллография арқылы "құрылымдық" бірлік жасуша анықталды. Морфологиялық бірлік жасуша шамамен өлшемдерімен , ал құрылымдық бірлік жасуша алтыбұрышты (яғни ромбтық призма) және шамамен өлшемдерімен сипатталады. Бірдей бағдар үшін c морфологиялық бірліктерден құрылымдық бірліктерге түрлендіру үшін 4-ке көбейтілуі керек. Мысалы, кальциттің жарылуы морфологиялық координаттарда "{1 0 1} бойынша толық" және құрылымдық бірліктерде "{1 0 4} бойынша толық" деп беріледі. Индекстерде бұл сәйкесінше {1 0 1} және {1 0 4} болып табылады. Жұптасу, жарылу және кристалл пішіндері көбінесе морфологиялық бірліктерде беріледі.

Қасиеттері

Кальциттің диагностикалық қасиеттеріне Мосс шкаласы бойынша 3 қаттылығы, 2,71 меншікті салмағы және кристалдық түрлерінде шыны тәрізді жылтырлығы жатады. Түсі ақ немесе түссіз болуы мүмкін, бірақ минерал қоспалармен зарядталғанда сұр, қызыл, қызғылт сары, сары, жасыл, көк, күлгін, қоңыр, тіпті қара түстерге ие болуы мүмкін. Жарылу әдетте ромбоэдр пішініне параллель үш бағытта кездеседі. Оның сынуы бақа жанынан, бірақ оны алу қиын. Скаланогедралды жақтары хиралды және көздеріңіздегідей айналысқан симметриялы жұптар түрінде болады; олардың өсуіне L және D аминқышқылдары сияқты хиралды биомолекулалармен өзара әрекеттесу ықпал етуі мүмкін. Ромбоэдрлі жақтары хиралды емес.

Оптикалық

Кальцит мөлдірден мөлдір емес болуы мүмкін және кейде фосфоресценция немесе флуоресценция көрсетеді. "Исландия шыршасы" деп аталатын мөлдір түрі оптикалық мақсаттар үшін қолданылады. Жылдам өсетін скаленогедралды кристаллдар кейде "ит тісінің шпары" деп, ал ромбогедралды пішіні кейде "шеге бас шпары" деп аталады. Ромбоэдрлі пішін сонымен қатар "күн тасы" болған, оны викингтер теңіз саяхаттарында қолданғандығы Исландия сагаларында айтылады. Жеке кальцит кристалдары қос сыну деп аталатын оптикалық қасиетті көрсетеді. Бұл күшті қос сыну кальциттен қарағанда заттар екі рет көрінуіне себеп болады. Қос сыну әсерін (кальцитті пайдалану арқылы) алғаш 1669 жылы даниялық ғалым Расмус Бартолин сипаттаған. Шамамен 590 нм толқын ұзындығында кальциттің қалыпты және ерекше сыну көрсеткіштері тиісінше 1.658 және 1.486-ны құрайды. 190 және 1700 нм аралығында қалыпты сыну көрсеткіші шамамен 1.9 мен 1.5 аралығында, ал ерекше сыну көрсеткіші 1.6 мен 1.4 аралығында өзгереді.

Термолюминесценция

Кальциттің термолюминесценттік қасиеттері негізінен манганың еківалентті ионынан (Mn(2+)) туындайды. Кальцит үлгілеріне Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb және Bi иондары сияқты белсендірушілер қосылып, олардың жылу немесе жарық шығаратыны байқау үшін тәжірибе жүргізілді. Нәтижелер көрсеткендей, Cu+, Cu(2+), Zn(2+), Ag+, Bi(3+), Fe(2+), Fe(3+), Co(2+), Ni(2+) иондарын қосу ешқандай реакция тудырмады. Кальцит ретроградты ерігіштік деп аталатын ерекше қасиетке ие: температураның көтерілуімен суда ерігіштігі азаяды. Кальцит жоғары қысымда да жақсырақ ериді. Таза кальциттің химиялық формуласы CaCO3. Дегенмен, әктастағы кальцит көбінесе бірнеше проценттей магний қоспасын қамтиды. Әктастағы кальцит магнийдің аз мөлшерлі және көп мөлшерлі кальциті болып екіге бөлінеді, бұл шекара 4% магний құрамында белгіленеді. Көп магнийлі кальцит кальцит минералының құрылымын сақтайды, ол доломиттен, MgCa(CO3)2, ерекшеленеді. Кальцитте темір мен марганецтің шағын мөлшерде болуы мүмкін. Манганец қоспалы кальциттің флуоресценциясына, сондай-ақ органикалық заттардың іздеріне жауапты болуы мүмкін.

АҚШ

Кальцит Америка Құрама Штаттарының көптеген түрлі аймақтарында табылады. Міне, ең жақсы мысалдардың бірі – Мичиган штатындағы Кальцит карьері. Кальцит карьері әлемдегі ең ірі карбонат кені және 85 жылдан бері пайдаланылып келеді.

Мексика

Мексиканың Чиуауа штатындағы Санта-Эулалия кен ауданында мол кальцит өндіріледі.

Исландия

Исландияда кальциттің көп бөлігі Хельгустадир кенішінде шоғырланған. Бұл кеніш бір кезде "Исландия шпарының" негізгі өндіріс орны болған. Дегенмен, қазір ол табиғат қорығы болып табылады және кальцит кенін өндіруге рұқсат жоқ. Викингтер бұлтты күндері бағытталған үшін мөлдір кальцит – "Исландия шпарынан" пайдаланған болуы мүмкін. Кальциттің өте таза кристаллы күн сәулесінің сәулесін екіге бөледі, себебі поляризацияланған жарық негізгі сәуледен сәл ауытқиды. Кристалл арқылы аспанды қарап, екі бейне де бірдей жарықтанғанша айналдырсаңыз, тіпті бұлтты күндері де күннің айналасындағы поляризацияланған жарық сақиналарын көруге болады. Күннің орнын анықтау теңізшілерге ұзақ теңіз сапарларында бағыт табуға көмектесетін. Екінші дүниежүзілік соғыста жоғары сапалы оптикалық кальцит қару-жараққа арналған нысаналарда, әсіресе бомба нысаналарында және зениттік қаруларда қолданылды. Ол поляризатор ретінде (Николь призмаларында) поляроидтық пластиналар ойлап табылғанға дейін қолданылды және қазір де оптикалық құралдарда қолданылады. Сондай-ақ, кальцитті көрінбейтін жамылғы ретінде пайдалану бойынша тәжірибелер жүргізілді. Микробиологиялық тұнба кальциттің топырақты қалпына келтіру, топырақты бекіту және бетонды жөндеу сияқты көптеген қолданыс салалары бар. Ол сонымен қатар қалдықтарды басқару үшін де қолданылуы мүмкін және тау-кен өнеркәсібінің тұрақты дамуын дамытуға бағытталған. Кальцит тұндырылған кальций карбонатын (PCC) (көбінесе қағаз өнеркәсібінде қолданылады) синтездеуге және карбонацияны арттыруға көмектеседі. Бұдан әрі, ромбоэдр, гексагональды призма сияқты ерекше кристалдық пішіндерінің арқасында ол белгілі пішіндер мен бөлшек өлшемдерімен PCC өндірісін ынталандырады. Δ18O және δ13C калибрлеу үшін массалық спектрометрияда МАГАТЭ 603 изотоптық стандарты ретінде қолданылады. Кальцит табиғатта немесе синтезделген түрде кездесе алады. Алайда, жасанды кальцит сүйек тінін жасау үшін қолданылатын материал ретінде артықшылыққа ие, себебі оның қасиеттерін бақылауға және қайталайтын нәтижелер алуға болады. Кальцит цианобактериялардың шамадан тыс өсуінен туындаған судың ластануын азайтуға көмектеседі. Көлдер мен өзендердегі эвтрофикация салдарынан цианобактериялар гүлдейді, бұл су ресурстарын ластайды. Фосфор (P) цианобактериялардың шамадан тыс өсуінің басты себебі болып табылады. Ол сонымен қатар құстардың жұмыртқа қабықтарының маңызды құрамы болып табылады және диетаның δC көрсеткіші қабықтың кальцитінің δC көрсеткішінен көрінеді. Ең ірі кальцит кристаллы Исландиядан табылды, оның өлшемдері және салмағы шамамен 250 тоннаға жетеді. Классикалық үлгілер Онтарио штатының Банкрофт қаласының жанындағы Мадаваска кенішінде өндірілді. Кеніште кездесетін, көбінесе "мал еті" деп аталатын, талшықты кальциттің қабаттармен орналасқан тамырлары, қара, органикалық заттарға толы сазды және тақтатас тастарда кездеседі, бұл тамырлар диагенез кезінде сұйықтық қысымының артуынан пайда болады.

Large quantities of calcite in Iceland are concentrated in the Helgustadir mine. The mine was once the primary mining location of "Iceland spar." However, it currently serves as a nature reserve, and calcite mining will not be allowed. A transparent variety of calcite known as Iceland spar may have been used by Vikings for navigating on cloudy days. A very pure crystal of calcite can split a beam of sunlight into dual images, as the polarized light deviates slightly from the main beam. By observing the sky through the crystal and then rotating it so that the two images are of equal brightness, the rings of polarized light that surround the sun can be seen even under overcast skies. Identifying the sun's location would give seafarers a reference point for navigating on their lengthy sea voyages. In World War II, high grade optical calcite was used for gun sights, specifically in bomb sights and anti aircraft weaponry. It was used as a polarizer (in Nicol prisms) before the invention of Polaroid plates and still finds use in optical instruments. Also, experiments have been conducted to use calcite for a cloak of invisibility. Microbiologically precipitated calcite has a wide range of applications, such as soil remediation, soil stabilization and concrete repair. It also can be used for tailings management and is designed to promote sustainable development in the mining industry. Calcite can help synthesize precipitated calcium carbonate (PCC) (mainly used in the paper industry) and increase carbonation. Furthermore, due to its particular crystal habit, such as rhombohedron, hexagonal prism, etc., it promotes the production of PCC with specific shapes and particle sizes. is used as the IAEA 603 isotopic standard in mass spectrometry for the calibration of δ18O and δ13C. Calcite can be formed naturally or synthesized. However, artificial calcite is the preferred material to be used as a scaffold in bone tissue engineering due to its controllable and repeatable properties. Calcite can be used to alleviate water pollution caused by the excessive growth of cyanobacteria. Lakes and rivers can lead to cyanobacteria blooms due to eutrophication, which pollutes water resources. Phosphorus (P) is the leading cause of excessive growth of cyanobacteria. It also forms a substantial part of birds' eggshells, and the δC of the diet is reflected in the δC of the calcite of the shell. The largest documented single crystal of calcite originated from Iceland, measured and and weighed about 250 tons. Classic samples have been produced at Madawaska Mine, near Bancroft, Ontario. Bedding parallel veins of fibrous calcite, often referred to in quarrying parlance as beef, occur in dark organic rich mudstones and shales, these veins are formed by increasing fluid pressure during diagenesis.

Құрылу процестері

Кальцит түзілуі классикалық террасалық шеттер модельінен бастап, Оствальд пісіп-жетілу процесі арқылы аморфты кальций карбонаты (АКК) сияқты нашар реттелген алдын-алағы фазалардың кристалдануына немесе нанокристалдардың агломерациясына дейін бірнеше жолмен жүзеге асуы мүмкін. АКК кристалдануы екі сатыда өтуі мүмкін. Біріншіден, АКК нанобөлшектері жылдам дегидратацияланып, кристалданып, ватериттің жеке бөлшектерін құрайды. Екіншіден, ватерит еріу және қайта тұндыру механизмі арқылы кальцитке айналады, реакция жылдамдығы кальцит кристаллының беттік ауданымен бақыланады. Реакцияның екінші сатысы шамамен 10 есе баяу. Дегенмен, кальциттің кристалдануы бастапқы pH және ерітіндідегі магний концентрациясына байланысты екені анықталды. Араластыру кезінде бейтарап бастапқы pH АКК-нің ватерит аралық сатысынсыз тікелей кальцитке айналуына жағдай жасайды. Ал егер АКК негізді бастапқы pH-ы бар ерітіндіде түзілсе, кальцитке айналу жоғарыда сипатталғандай, тұрақсыз ватерит арқылы жүзеге асады. Бұл айырмашылықтар, қабаттардың бірігу динамикасына беттік тегістіктің әсерінен туындайды. Кальцит микроорганизмдердің қызметіне жауап ретінде, мысалы, метанның сульфатқа тәуелді анаэробтық тотығуы нәтижесінде жер астында түзілуі мүмкін, онда метан тотығады, ал сульфат тотығуға ұшырайды, бұл өндірілген бикарбонат пен сульфидтен кальцит пен пириттің түсуына әкеледі. Бұл процестерді кальциттердің спецификалық көміртек изотоптық құрамы арқылы бақылауға болады, олар 13C изотопына қатысты өте төмендеген, -125‰ PDB (δ13C) дейін.

Жер тарихында

Кальцитті теңіздер Жер тарихында болған, онда теңіз суларындағы кальций карбонатының негізгі бейорганикалық шөгіндісі магнийдің азырақ мөлшерін қамтитын кальцит (lmc) болған, бүгінгі күні шөгіндіге айналатын арагонит пен жоғары магнийлі кальциттен (hmc) өзгеше. Кальцитті теңіздер фанерозой дәуірінде арагонитті теңіздермен алмасып, ордовик және юра кезеңдерінде ең көп кездесетін. Эволюциялық тармақтар минералдану кезінде мұхиттағы жағдайға сәйкес кальций карбонатының кез келген түрін пайдалануға бейімделді және осы минералдық құрамын эволюциялық тарихының соңына дейін сақтап келді. Бұл кальцитті теңіз жағдайларын көрсететін петрографиялық дәлелдерге кальцитті ооидтар, lmc цементтері, қатты тау жыныстары және теңіз түбінде арагониттің жылдам еріюі жатады. Кальций карбонаты қабықтары бар теңіз жануарларының эволюциясына кальцит және арагонит теңіз циклының әсері тиген болуы мүмкін. Кальцит – маңызды биологиялық реакцияны, формаза реакциясын катализдеуге қабілетті минералдардың бірі және тіршіліктің пайда болуына ықпал еткен болуы мүмкін.

Климаттың өзгеруі

Климаттың өзгеруі мұхиттардың қышқылдануын күшейтіп, табиғи кальцит өндірісінің төмендеуіне әкелуі мүмкін. Мұхиттар ауаға шығарылатын жанармайлардан туындаған көміртегі диоксидінің (CO2) үлкен мөлшерін сіңіреді. Мұхиттардың сіңірген жалпы жасанды CO2 мөлшері 118 ± 19 Гт С есебінде жүргізілген. Егер үлкен мөлшерде CO2 теңізде ерісе, теңіз суының қышқылдығы артып, мұхиттың pH көрсеткішіне әсер етеді. Теңіздегі моллюскалар, фораминифералар, шаянкөзділер, тікенқұйрықтар және кораллдар сияқты кальцийленетін организмдер pH өзгерістеріне сезімтал. Сонымен қатар, осы кальцийленетін организмдер кальциттің маңызды көзі болып табылады. Мұхиттың қышқылдануы pH төмендеуіне себеп болғандықтан, карбонат иондарының концентрациясы төмендеп, табиғи кальцит өндірісінің азаюына әкелуі мүмкін.