图1:这片凝灰岩景观是由一种叫凝灰岩的白色黄色到灰色的物质所覆盖。凝灰岩主要由矿物方解石构成。方解石是从暖钙质地下水中析出的。嗜钙植物生长在凝灰岩基质上。照片由Andy Fyon于7月17日/19日在不列颠哥伦比亚省北部的阿特林湖暖湾拍摄。
钙质的栖息地
方解石是赋存于钙质生境中的主要含钙矿物。钙质栖息地是不寻常的和罕见的。它们是一些不寻常的植物、鸟类和昆虫的家园。了解导致方解石沉淀或溶解的地质和地球化学过程，有助于我们了解形成钙质栖息地的化学步骤。反过来，这有助于我们了解一些钙质栖息地的位置和物理特征，以及生活在这种不寻常栖息地的植物群的类型和分布。
控制钙质栖息地形成的化学过程可能非常复杂。虽然我的合成非常简单，但这是一个开始了解一些地质、物理和化学因素的地方，这些因素可能在一些钙质栖息地的形成中发挥了作用。
外卖合成
如果你不想读到描述方解石(CaCO3)、二氧化碳气体(CO2)和水(H2O)稳定性的化学反应，这里有四个重要的“要点”:
增加系统中二氧化碳气体的压力会使方解石溶解并进入溶液;
降低系统中CO2气体的压力会导致方解石从溶液中析出;
水温升高会降低水中CO2的溶解量，导致方解石析出;
降低水温会增加水中溶解的二氧化碳量，导致方解石溶解。
现在，来点化学
化学家用反应方程式描述化学反应。反应方程式描述了当方程式一边的组分一起反应形成方程式另一边的组分时发生的情况。例如:
A + b => c + d
化学家将A和B定义为反应物，C和D定义为生成物。
反应的方向:
化学家使用的一个重要惯例是化学方程式的移动方向。化学反应可以朝任何一个方向进行，这取决于条件。例如，使用假想的化学反应:
A + B => C + D(前进方向)
反应是用指向右边的箭头写的，“=>”。这意味着反应物A和B一起反应产生生成物C和d。反应沿着“正向反应方向”进行，从左到右。
或者，我们也可以写出化学方程式，让它显示反应的方向相反，或者从右向左:
A + B <= C + D(反向)
相反，组分C和D一起反应生成产物A和B。
最后，有一个更一般的反应符号告诉我们反应可以朝任何一个方向进行，取决于条件:
A + B <=> C + D(任意方向)
化学反应可以“正向”(从左到右)也可以“反向”(从右到左)，这取决于我们是否或如何改变影响反应的条件，或者是否保持稳定状态。化学家也使用化学平衡这个术语。化学平衡是可逆化学反应的一种状态，在这种状态下，反应物和生成物的数量没有净变化。
方解石的稳定性
了解矿物方解石(CaCO3)在地球表面或接近地球表面的行为的一种方法是考虑二氧化碳气体(CO2)如何在大气或土壤气体和水(H2O)之间分布。化学家用“分割”这个词来描述一种成分的分布，比如二氧化碳在空气和水之间的分布。
溶解于水的二氧化碳(CO2):
我们的大气主要由氮气(N2)和氧气(O2)组成，但它也含有少量的二氧化碳气体(CO2)。让我们用反应符号来描述二氧化碳气体(CO2)和水(H2O)之间的关系。反应[1]是这样写的
空气中的CO2 <=>水中溶解的CO2 [1]
当雨滴穿过大气时，二氧化碳气体在雨滴和大气之间分布。符号<=>表示二氧化碳气体在大气和雨滴之间来回移动。换句话说，大气中的少量二氧化碳气体溶解在水中。与此同时，少量溶解的二氧化碳逃逸回大气中。二氧化碳在空气和水之间来回交换，直到达到稳定状态或平衡状态。在平衡状态下，只要温度和压力不变，水中二氧化碳的含量就保持不变。如果我们改变大气或水的温度或压力，溶解在水中的二氧化碳气体的比例也会改变。
二氧化碳(CO2)压力的影响:
如果我们增加大气中二氧化碳气体(CO2)的压力，那么反应[1]就会通过将反应“向前”推到右边来调节。也就是说，雨滴或水杯中的二氧化碳气体(CO2)的数量增加，因为更多的二氧化碳气体(CO2)被推入或溶解在水中(图3)。反应继续进行，直到大气中二氧化碳气体(CO2)的数量与雨滴之间达到新的平衡状态。
图3:增加大气中二氧化碳气体(CO2)的压力，通过增加烧杯上方的红点数量来表示，通过向右推“向前”来增加水中二氧化碳气体(CO2)的数量，从而使反应进行调整。反应继续进行，直到大气中二氧化碳气体(CO2)和水的数量达到新的平衡状态。图片由E. Ginn提供。
如果我们降低空气中二氧化碳气体(CO2)的压力，反应[1]通过将反应“反向”推到左边来补偿。也就是说，当二氧化碳气体(CO2)离开雨滴并进入大气时，溶解在水滴或烧杯水中的二氧化碳气体(CO2)的数量会减少(图4)。
图4:减少大气中二氧化碳气体(CO2)的压力，通过减少烧杯上方的红点数量来表示，通过将反应“反向”推到左边，以减少溶解在水中的二氧化碳气体(CO2)的量，从而引起反应的补偿。反应继续进行，直到大气中二氧化碳气体(CO2)和水的数量达到新的平衡状态。图片由E. Ginn提供。
矿物方解石(CaCO3)与碳酸(H2CO3)的反应:
这些反应告诉我们矿物方解石(CaCO3)的稳定性是什么?影响陆地表面或接近陆地表面的矿物方解石(CaCO3)行为的一种化学反应是:
CaCO3 + H2CO3 => Ca+2 + 2HCO-3 [2]
方解石+碳酸=>钙离子+碳酸氢盐离子
这个化学反应说明了什么?想象一碗水。在水中加入一些自然产生的弱碳酸(H2CO3)。然后在水中放一块方解石(CaCO3)。碳酸与方解石反应并溶解，生成两种产物:钙离子(Ca+2)和碳酸氢盐离子(HCO-3)，两者都溶解在水中。
碳酸(H2CO3)在自然界中是如何形成的?
碳酸(H2CO3)是由雨水、地表水或地下水中的水(H2O)与大气或土壤中的二氧化碳(CO2)反应生成的。
H2o + co2 = h2co3 [3]
水+二氧化碳=碳酸
方解石和碳酸:
我们可以写一个化学反应来说明[2]和[3]是如何相互关联的:
双头箭头符号表示可能发生的化学反应。
如果我们把所有这些成分混合在一个密封的罐子里，在固定的温度和压力下，这样就没有任何成分从罐子里逸出，混合物将达到平衡，假设没有一个反应物被完全用完。当达到平衡时，水(H2O)、二氧化碳(CO2)、方解石(CaCO3)、碳酸(H2CO3)、钙离子(Ca+2)和碳酸氢盐离子(HCO-3)的相对量是固定的。
变化中的二氧化碳(CO2)压力:
如果我们在保持温度不变的情况下，增加罐子里二氧化碳的压力或数量，会发生什么?：
在图5中，反应[3]向右或向前或向下移动，以消耗多余的二氧化碳(CO2)并产生更多的碳酸(H2CO3);
增加的碳酸(H2CO3)将反应[2]“向前”推进，向右，方解石(CaCO3)溶解(图5)。
图5:增加二氧化碳(CO2)压力导致方解石(CaCO3)溶解。
简单地说，如果我们增加容器中二氧化碳的压力或量，在恒温下，更多的方解石溶解到溶液中。
如果我们降低二氧化碳(CO2)的压力，或者在恒定温度下将二氧化碳从反应中“抽离”，则会发生相反的情况。在这种情况下，化学反应[2]被拉向“相反”的方向，即向左，方解石就会析出(图6)。
图6:降低二氧化碳(CO2)压力导致方解石(CaCO3)沉淀。
改变温度:
当我们加热或冷却水时，溶解在水中的二氧化碳的量会发生什么变化?
二氧化碳气体(CO2)在温水中比在冷水中更难溶解。这意味着与冷水相比，热水中溶解的二氧化碳气体(CO2)更少。因此，如果我们加热水，溶解在水中的二氧化碳(CO2)就会减少(图7)。如果我们减少水中二氧化碳(CO2)的含量，公式[3]就会向左移动(“反向”)，通过消耗碳酸(H2CO3)产生更多的二氧化碳来补偿。通过消耗碳酸(H2CO3)，化学反应[2]向左移动(“反向”)，以产生更多的碳酸作为补偿。方解石(CaCO3)沉淀(图6):
图7:与常温水相比，热水中溶解的二氧化碳(CO2)更少。相反，与室温的水相比，更多的二氧化碳(CO2)溶解在冷水中。图片来源:E. Ginn, 2020。
相反，如果我们冷却水，更多的二氧化碳(CO2)溶解在水中(图7)，方解石(CaCO3)溶解(图5)。
重申一下，如果我们提高水温，溶解在水中的二氧化碳量就会减少，方解石就会沉淀。如果我们降低水温，溶解在水中的二氧化碳量就会增加，方解石就会溶解。
实际应用:
了解温度和压力的这些简单变化可以帮助我们理解凝灰岩(图1)、泥灰岩湖(图2)和日晒岩石上的水垢是如何形成的，以及为什么我们在深海沉积物中看不到矿物方解石。这些主题将在单独的讨论说明中讨论。
在现实中，影响方解石矿物稳定性的化学条件是复杂的，但这是一个简单的分析来开始我们的认识。
总结
方解石溶解或沉淀的自然条件是复杂的。但是，我们可以简化这些化学反应，将压力和温度对方解石矿物稳定性的影响总结如下:
系统中二氧化碳(CO2)气体压力的增加导致方解石溶解并进入溶液;
系统中二氧化碳(CO2)压力的降低导致方解石从溶液中析出;
系统水温升高会减少水中溶解的二氧化碳(CO2)，导致方解石析出;
降低系统水温会增加溶解在水中的二氧化碳(CO2)的量，并导致方解石溶解。
安迪·菲恩:2020年9月27日;10月4日/ 20。