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Vous pouvez considérer le carbone comme un élément qui, sur Terre, se trouve principalement dans les êtres vivants (c’est-à-dire dans la matière organique) ou dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Ces deux réservoirs géochimiques sont importants, bien sûr, mais la grande majorité du carbone est enfermée dans des minéraux carbonatés. Ceux-ci sont dirigés par le carbonate de calcium, qui prend deux formes minérales appelées calcite et aragonite.
Les minéraux de carbonate de calcium dans les roches
L’aragonite et la calcite ont la même formule chimique, le CaCO3, mais leurs atomes sont empilés dans des configurations différentes. C’est-à-dire qu’ils sont polymorphes. (Un autre exemple est le trio de la cyanite, de l’andalousite et de la sillimanite.) L’aragonite a une structure orthorhombique et la calcite une structure trigonale. Notre galerie de minéraux carbonatés couvre les bases de ces deux minéraux du point de vue du rocher : comment les identifier, où les trouver, certaines de leurs particularités.
La calcite est plus stable en général que l’aragonite, bien qu’à mesure que les températures et les pressions changent, l’un des deux minéraux peut se transformer en l’autre. Dans les conditions de surface, l’aragonite se transforme spontanément en calcite au cours du temps géologique, mais à des pressions plus élevées, l’aragonite, le plus dense des deux, est la structure préférée. Les températures élevées jouent en faveur de la calcite. À la pression de surface, l’aragonite ne peut pas supporter longtemps des températures supérieures à environ 400°C.
Les roches à haute pression et basse température du faciès métamorphique du schiste bleu contiennent souvent des veines d’aragonite au lieu de calcite. Le processus de retour à la calcite est suffisamment lent pour que l’aragonite puisse persister dans un état métastable, comme le diamant.
Parfois, un cristal d’un minéral se transforme en un autre minéral tout en conservant sa forme originale de pseudomorphe : il peut ressembler à un bouton de calcite typique ou à une aiguille d’aragonite, mais le microscope pétrographique montre sa vraie nature. De nombreux géologues, dans la plupart des cas, n’ont pas besoin de connaître le polymorphe correct et se contentent de parler de « carbonate ». La plupart du temps, le carbonate dans les roches est de la calcite.
Carbonate de calcium minéral dans l’eau
La chimie du carbonate de calcium est plus compliquée lorsqu’il s’agit de comprendre quel polymorphe va cristalliser en solution. Ce processus est courant dans la nature, car aucun des minéraux n’est très soluble, et la présence de dioxyde de carbone (CO2) dissous dans l’eau les pousse à précipiter. Dans l’eau, le CO2 est en équilibre avec l’ion bicarbonate, HCO3+, et l’acide carbonique, H2CO3, qui sont tous très solubles. La modification du niveau de CO2 affecte les niveaux de ces autres composés, mais le CaCO3 au milieu de cette chaîne chimique n’a pratiquement pas d’autre choix que de précipiter sous forme de minéral qui ne peut pas se dissoudre rapidement et retourner dans l’eau. Ce processus à sens unique est l’un des principaux moteurs du cycle géologique du carbone.
La disposition que choisiront les ions calcium (Ca2+) et les ions carbonate (CO32-) lorsqu’ils se joindront au CaCO3 dépend des conditions dans l’eau. Dans l’eau douce propre (et en laboratoire), la calcite prédomine, surtout dans l’eau froide. Les formations de calcaire sont généralement de la calcite. Les ciments minéraux de nombreux calcaires et autres roches sédimentaires sont généralement de la calcite.
L’océan est l’habitat le plus important dans les archives géologiques, et la minéralisation du carbonate de calcium est une partie importante de la vie océanique et de la géochimie marine. Le carbonate de calcium sort directement de la solution pour former des couches minérales sur les minuscules particules rondes appelées ooïdes et pour former le ciment de la boue des fonds marins. Le minéral qui se cristallise, calcite ou aragonite, dépend de la chimie de l’eau.
L’eau de mer est pleine d’ions qui entrent en compétition avec le calcium et le carbonate. Le magnésium (Mg2+) s’accroche à la structure de la calcite, ralentissant la croissance de la calcite et se forçant dans la structure moléculaire de la calcite, mais il n’interfère pas avec l’aragonite. L’ion sulfate (SO4-) supprime également la croissance de la calcite. Une eau plus chaude et une plus grande quantité de carbonate dissous favorisent l’aragonite en l’encourageant à croître plus vite que la calcite ne peut le faire.
Mers de calcite et d’aragonite
Ces choses sont importantes pour les êtres vivants qui construisent leurs coquilles et leurs structures à partir de carbonate de calcium. Les coquillages, y compris les bivalves et les brachiopodes, en sont des exemples familiers. Leur coquille n’est pas un minéral pur, mais un mélange complexe de cristaux de carbonate microscopiques liés à des protéines. Les animaux et les plantes unicellulaires classés comme plancton fabriquent leur coquille, ou test, de la même manière. Un autre facteur important semble être que les algues tirent profit de la fabrication de carbonate en s’assurant un approvisionnement en CO2 pour aider à la photosynthèse.
Toutes ces créatures utilisent des enzymes pour construire le minéral qu’elles préfèrent. L’aragonite produit des cristaux en forme d’aiguilles, tandis que la calcite produit des cristaux en blocs, mais de nombreuses espèces peuvent utiliser les deux. De nombreuses coquilles de mollusques utilisent l’aragonite à l’intérieur et la calcite à l’extérieur. Quoi qu’ils fassent, ils utilisent de l’énergie, et lorsque les conditions océaniques favorisent l’un ou l’autre carbonate, le processus de construction des coquilles nécessite une énergie supplémentaire pour aller à l’encontre des impératifs de la chimie pure.
Cela signifie que changer la chimie d’un lac ou de l’océan pénalise certaines espèces et en favorise d’autres. Au cours du temps géologique, l’océan s’est déplacé entre les « mers d’aragonite » et les « mers de calcite ». Aujourd’hui, nous sommes dans une mer d’aragonite qui est riche en magnésium – ce qui favorise la précipitation d’aragonite et de calcite riche en magnésium. Une mer de calcite, plus faible en magnésium, favorise la calcite à faible teneur en magnésium.
Le secret est le basalte frais des fonds marins, dont les minéraux réagissent avec le magnésium de l’eau de mer et l’arrachent à la circulation. Lorsque l’activité tectonique des plaques est vigoureuse, on obtient des mers de calcite. Lorsque l’activité est plus lente et que les zones d’expansion sont plus courtes, on obtient des mers d’aragonite. Bien sûr, il y a plus que cela. L’important est que les deux régimes différents existent, et la limite entre eux est à peu près lorsque le magnésium est deux fois plus abondant que le calcium dans l’eau de mer.
La Terre possède une mer d’aragonite depuis environ 40 millions d’années (40 Ma). La période la plus récente de la mer d’aragonite se situe entre le Mississippien tardif et le Jurassique précoce (environ 330 à 180 Ma), et la période suivante est le Précambrien le plus récent, avant 550 Ma. Entre ces périodes, la Terre a connu des mers de calcite. D’autres périodes d’aragonite et de calcite sont en train d’être cartographiées plus loin dans le temps.
On pense qu’au cours du temps géologique, ces modèles à grande échelle ont fait une différence dans le mélange des organismes qui ont construit les récifs dans la mer. Il est également important de savoir ce que nous apprenons sur la minéralisation des carbonates et sa réaction à la chimie des océans, alors que nous essayons de comprendre comment la mer réagira aux changements de l’atmosphère et du climat provoqués par l’homme.
