Введение

Кальцит — карбонатный минерал и наиболее стабильная полиморфная модификация карбоната кальция (CaCO3). Это очень распространенный минерал, особенно как компонент известняка. Кальцит имеет твердость 3 по шкале Мооса, определяемой по устойчивости к царапинам. Крупные кристаллы кальцита применяются в оптических приборах, а известняк, состоящий преимущественно из кальцита, имеет множество областей применения. Другими полиморфами карбоната кальция являются минералы арагонит и ватерит. Арагонит переходит в кальцит в течение нескольких дней или менее при температурах выше 300 °C, а ватерит ещё менее стабилен.

Этимология

Кальцит происходит от немецкого слова Calcit, термина XIX века, восходящего к латинскому слову для извести, calx (родительный падеж calcis), с минералообразующим суффиксом -ite. Таким образом, это двойник слова "мел". Археологи и специалисты по торговле камнем используют термин "алабастр" не только в геологии и минералогии, где он обозначает разновидность гипса, но и для схожей по виду, полупрозрачной разновидности мелкозернистого полосчатого образования кальцита.

Индекс ячейки и индекс Миллера

В публикациях для описания направлений в гексагональных и ромбоэдрических кристаллах, включая кристаллы кальцита, используются два различных набора индексов Миллера: три индекса Миллера h, k, l в направлениях или четыре индекса Миллера Браве h, k, i, l в направлениях, где i избыточен, но полезен для визуализации симметрий перестановок. Усложняют ситуацию и два определения элементарной ячейки для кальцита. Одно, более старое, "морфологическое", было получено путем измерения углов между гранями кристаллов, как правило, с помощью гониометра, и подбора наименьших подходящих чисел. Позднее, с использованием рентгеновской кристаллографии, была определена "структурная" элементарная ячейка. Морфологическая элементарная ячейка имеет ромбоэдрическую форму с приблизительными размерами a и c, а структурная элементарная ячейка – гексагональную (то есть ромбическую призму) с приблизительными размерами a и c. Для одной и той же ориентации координату c необходимо умножить на 4 для перевода из морфологических единиц в структурные. Например, спайность кальцита описывается как "совершенная по {1 0 1}" в морфологических координатах и "совершенная по {1 0 4}" в структурных единицах. В индексах Миллера это соответственно {1 0 1} и {1 0 4}. Двойникование, спайность и формы кристаллов часто приводятся в морфологических единицах.

Свойства

Диагностические свойства кальцита включают в себя определяющую твердость по Моосу, равную 3, удельную массу 2,71 и, в кристаллических разновидностях, стеклянный блеск. Цвет обычно белый или отсутствует, однако при наличии примесей в минерале могут возникать оттенки серого, красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, фиолетового, коричневого или даже черного. Отделимость обычно проявляется в трех направлениях, параллельных ромбоэдрической форме. Перелом конхоидальный, но его трудно получить. Скаленоэдральные грани хиральны и существуют парами с зеркальной симметрией; на их рост может влиять взаимодействие с хиральными биомолекулами, такими как L- и D-аминокислоты. Ромбоэдральные грани не являются хиральными.

Оптические

Кальцит может быть прозрачным или непрозрачным и иногда проявляет фосфоресценцию или флуоресценцию. Прозрачная разновидность, известная как "исландский шпат", используется в оптических приборах. Острые скаленоэдрические кристаллы иногда называют "зубчатым шпатом", а ромбоэдрическая форма – "гвоздичным шпатом". Ромбоэдрическая форма могла также быть тем самым "солнечным камнем", об использовании которого викингами-мореплавателями упоминается в исландских сагах. Отдельные кристаллы кальцита демонстрируют оптическое свойство, называемое двойным лучепреломлением. Это сильное двойное лучепреломление приводит к тому, что объекты, рассматриваемые сквозь прозрачный кусок кальцита, кажутся двойными. Эффект двойного лучепреломления (с использованием кальцита) впервые был описан датским ученым Расмусом Бартолином в 1669 году. При длине волны около 590 нм кальцит имеет показатели обыкновенного и необыкновенного преломления 1,658 и 1,486 соответственно. В диапазоне от 190 до 1700 нм показатель обыкновенного преломления приблизительно изменяется от 1,9 до 1,5, а показатель необыкновенного преломления – от 1,6 до 1,4.

Термолюминесценция

Кальцит обладает термолюминесцентными свойствами, главным образом благодаря двухвалентному марганцу (|Mn(2+)). Был проведен эксперимент, в ходе которого к образцам кальцита добавлялись активаторы, такие как ионы Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb и Bi, для наблюдения за излучением тепла или света. Результаты показали, что добавление ионов (|Cu+, |Cu(2+), |Zn(2+), |Ag+, |Bi(3+), |Fe(2+), |Fe(3+), |Co(2+), |Ni(2+)) не вызвало реакции. Кальцит демонстрирует необычную характеристику, называемую ретроградной растворимостью: его растворимость в воде уменьшается с повышением температуры. Кальцит также более растворим при более высоких давлениях. Чистый кальцит имеет состав |CaCO3. Однако кальцит в известняке часто содержит несколько процентов магния. Кальцит в известняке подразделяется на низкомагниевый и высокомагниевый, граница между которыми проходит при содержании 4% магния. Высокомагниевый кальцит сохраняет минеральную структуру кальцита, отличную от структуры доломита, |MgCa(CO3)2. Кальцит также может содержать небольшие количества железа и марганца. Манганец может быть причиной флуоресценции примесного кальцита, равно как и следы органических соединений.

Соединенные Штаты

Кальцит встречается во многих различных районах Соединенных Штатов. Одним из лучших примеров является Кальцитовый карьер в штате Мичиган. Кальцитовый карьер – крупнейший в мире карьер по добыче карбонатов и эксплуатируется уже более 85 лет.

Мексика

В горнодобывающем районе Санта-Эулалия, штат Чиуауа, Мексика, добывается большое количество кальцита.

Исландия

Большое количество кальцита в Исландии сосредоточено в шахте Helgustadir. Когда-то эта шахта была основным местом добычи "исландского шпата". Однако в настоящее время она является природоохранной зоной, и добыча кальцита не допускается. Прозрачную разновидность кальцита, известную как исландский шпат, викинги могли использовать для навигации в пасмурные дни. Очень чистый кристалл кальцита способен разделить луч солнечного света на два изображения, поскольку поляризованный свет незначительно отклоняется от основного луча. Наблюдая за небом через кристалл и вращая его до достижения одинаковой яркости двух изображений, можно увидеть кольца поляризованного света, окружающие Солнце, даже в пасмурную погоду. Определение местоположения солнца давало бы морякам ориентир для навигации во время длительных морских путешествий. Во время Второй мировой войны высококачественный оптический кальцит использовался в прицелах для оружия, в частности, в бомбовых прицелах и средствах противовоздушной обороны. Он применялся в качестве поляризатора (в призмах Ниcola) до изобретения поляризационных пластин и до сих пор используется в оптических приборах. Также проводились эксперименты по использованию кальцита для создания плаща-невидимки. Микробиологически осажденный кальцит имеет широкий спектр применения, включая восстановление почв, стабилизацию грунтов и ремонт бетона. Он также может использоваться для управления отходами горнодобывающей промышленности и способствует устойчивому развитию в горнодобывающей отрасли. Кальцит может способствовать синтезу осажденного карбоната кальция (ОКК) (в основном используемого в бумажной промышленности) и увеличению карбонизации. Кроме того, благодаря своей специфической кристаллической форме, такой как ромбоэдр, гексагональная призма и т.д., он способствует производству ОКК с определенными формами и размерами частиц. Он используется в качестве изотопного стандарта МАГАТЭ 603 в масс-спектрометрии для калибровки δ18O и δ13C. Кальцит может образовываться естественным путем или синтезироваться. Однако искусственный кальцит является предпочтительным материалом для использования в качестве каркаса в тканевой инженерии костной ткани благодаря его контролируемым и воспроизводимым свойствам. Кальцит может использоваться для снижения загрязнения воды, вызванного чрезмерным ростом цианобактерий. Эвтрофикация может приводить к цветению цианобактерий в озерах и реках, что загрязняет водные ресурсы. Фосфор (P) является основной причиной чрезмерного роста цианобактерий. Он также составляет значительную часть скорлупы птичьих яиц, и изотопный состав углерода (δC) рациона отражается в изотопном составе углерода (δC) кальцита скорлупы. Самый крупный задокументированный монокристалл кальцита был найден в Исландии, его размеры составляли и и вес около 250 тонн. Классические образцы были получены в шахте Мадаваска, недалеко от Банкрофта, провинция Онтарио. Параллельные жилы волокнистого кальцита, часто называемые "говядиной" в терминологии карьеров, встречаются в темных органических глина и сланцах и образуются в результате увеличения давления флюида в процессе диагенеза.

Процессы формирования

Образование кальцита может протекать несколькими путями, от классической модели изгиба террас до кристаллизации плохо упорядоченных фаз-предшественников, таких как аморфный карбонат кальция (АКК), посредством процесса созревания Оствальда или через агломерацию нанокристаллов. Кристаллизация АКК может происходить в два этапа. Сначала наночастицы АКК быстро обезвоживаются и кристаллизуются, образуя отдельные частицы ватерита. Затем ватерит превращается в кальцит посредством механизма растворения и повторного осаждения, при этом скорость реакции контролируется площадью поверхности кристалла кальцита. Вторая стадия реакции примерно в 10 раз медленнее. Однако было установлено, что кристаллизация кальцита зависит от начального pH и концентрации магния в растворе. Нейтральный начальный pH при смешивании способствует прямому превращению АКК в кальцит, минуя стадию ватерита. Но когда АКК образуется в растворе с щелочным начальным pH, превращение в кальцит происходит через метастабильный ватерит, следуя описанному выше пути. Эти различия, по-видимому, связаны с влиянием шероховатости поверхности на динамику коалесценции слоев. Кальцит может образовываться в подповерхностных слоях в ответ на активность микроорганизмов, например, сульфат-зависимое анаэробное окисление метана, где метан окисляется, а сульфат восстанавливается, что приводит к осаждению кальцита и пирита из образовавшегося бикарбоната и сульфида. Эти процессы можно отследить по специфическому изотопному составу углерода кальцитов, которые крайне обеднены изотопом 13C, вплоть до −125 промилле PDB (δ13C).

В истории Земли

Кальцитовые моря существовали в истории Земли, когда основным неорганическим осадком карбоната кальция в морских водах был низкомагниевый кальцит (lmc), в отличие от арагонита и высокомагниевого кальцита (hmc), осаждающихся сегодня. Кальцитовые моря сменялись арагонитовыми морями на протяжении фанерозоя, будучи наиболее распространёнными в ордовикском и юрском периодах. Линии организмов эволюционировали, чтобы использовать ту морфную форму карбоната кальция, которая была наиболее благоприятной в океане в момент их минерализации, и сохраняли эту минералогию на протяжении всей дальнейшей эволюционной истории. Петрографические свидетельства существования этих кальцитовых морских условий включают кальцитовые оолиты, цементы lmc, твердые основания и быстрое раннее растворение арагонита на морском дне. Эволюция морских организмов с карбонатными раковинами могла быть подвержена влиянию цикла смены кальцитовых и арагонитовых морей. Кальцит – один из минералов, который, как было показано, катализирует важную биологическую реакцию – реакцию формозы, и мог играть роль в происхождении жизни.

Изменение климата

Изменение климата усугубляет подкисление океана, что может привести к снижению естественного производства кальцита. Океаны поглощают большие объемы CO2, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Общее количество антропогенного CO2, поглощенного океанами, оценивается в 118 ± 19 Гт C. При растворении значительного количества CO2 в морской воде повышается ее кислотность, что влияет на значение pH океана. Кальцифицирующие организмы, такие как моллюски, фораминиферы, ракообразные, иглокожие и кораллы, чувствительны к изменениям pH. Эти организмы также являются важным источником кальцита. Поскольку подкисление океана вызывает снижение pH, концентрация карбонат-ионов уменьшается, что потенциально может привести к сокращению естественного производства кальцита.