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.
Calcite is a carbonate mineral and the most stable polymorph of calcium carbonate (CaCO3). It is a very common mineral, particularly as a component of limestone. Calcite defines hardness 3 on the Mohs scale of mineral hardness, based on scratch hardness comparison. Large calcite crystals are used in optical equipment, and limestone composed mostly of calcite has numerous uses. Other polymorphs of calcium carbonate are the minerals aragonite and vaterite. Aragonite will change to calcite over timescales of days or less at temperatures exceeding 300 °C, and vaterite is even less stable.
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.