你可能会认为碳是一种元素，在地球上主要存在于生物（即有机物）中，或者作为二氧化碳存在于大气中。当然，这两种地球化学储层都很重要，但绝大多数碳都被锁定在碳酸盐矿物中。这是由碳酸钙，其中有两种矿物形式命名为方解石和文石。

岩石中的碳酸钙矿物

文石和方解石具有相同的化学式CaCO3，但它们的原子以不同的构型堆积。也就是说，它们是变形体。（另一个例子是蓝晶石、红柱石和硅线石的三重体。）文石具有正交结构，方解石具有三角结构。我们的碳酸盐矿物画廊从岩石猎犬的角度介绍了这两种矿物的基本知识：如何识别它们，在哪里发现它们，它们的一些特性。

方解石一般比文石更稳定，尽管随着温度和压力的变化，这两种矿物中的一种可能转化为另一种。在地表条件下，文石在地质时期会自发转变为方解石，但在较高压力下，文石（两者中密度较大的）是首选结构。高温对方解石有利。在表面压力下，文石无法长期承受400℃左右的温度。

蓝片岩变质相的高压、低温岩石通常含有文石脉，而不是方解石。返回方解石的过程非常缓慢，文石可以保持亚稳状态，类似于钻石。

有时，一种矿物的晶体转化为另一种矿物，同时保持其原始形状为假象：它可能看起来像一个典型的方解石旋钮或文石针，但岩相显微镜显示了它的真实性质。在大多数情况下，许多地质学家不需要知道正确的多晶型，只需要谈论“碳酸盐”。大多数时候，岩石中的碳酸盐是方解石。

水中的碳酸钙矿物

碳酸钙化学在理解哪种晶型会从溶液中结晶时更为复杂。这一过程在自然界中很常见，因为两种矿物都不易溶解，水中溶解的二氧化碳（CO2）促使它们沉淀。在水中，CO2与碳酸氢根离子HCO3+和碳酸H2CO3平衡存在，所有这些都是高度可溶的。改变CO2的水平会影响这些其他化合物的水平，但是在这个化学链中间的碳酸钙几乎没有别的选择，只能沉淀成一种不能快速溶解并返回水中的矿物质。这种单向过程是地质碳循环的主要驱动力。

钙离子（Ca2+）和碳酸盐离子（CO32-）在加入CaCO3时将选择哪种排列取决于水中的条件。在干净的淡水中（以及在实验室中），方解石占主导地位，尤其是在冷水中。洞穴灰岩地层通常为方解石。许多石灰岩和其他沉积岩中的矿物胶结物通常为方解石。

海洋是地质记录中最重要的栖息地，碳酸钙矿化是海洋生物和海洋地球化学的重要组成部分。碳酸钙直接从溶液中出来，在称为鲕粒的微小圆形颗粒上形成矿物层，并形成海底泥浆的水泥。哪种矿物结晶，方解石还是文石，取决于水的化学性质。

海水中充满了与钙和碳酸盐竞争的离子。镁（Mg2+）粘附在方解石结构上，减缓方解石的生长并迫使其自身进入方解石的分子结构，但它不干扰文石。硫酸根离子（SO4-）也抑制方解石的生长。温暖的海水和大量的溶解碳酸盐有利于文石的生长，因为文石的生长速度比方解石快。

方解石和文石海

这些东西对用碳酸钙建造外壳和结构的生物很重要。贝类，包括双壳类和腕足类，是常见的例子。它们的外壳不是纯矿物，而是由微小的碳酸盐晶体与蛋白质结合而成的复杂混合物。被归类为浮游生物的单细胞动植物以同样的方式制造外壳或进行测试。另一个重要因素似乎是藻类通过确保自身随时提供二氧化碳来帮助光合作用，从而从碳酸盐的生成中获益。

所有这些生物都使用酶来构建它们喜欢的矿物质。文石制造针状晶体，而方解石制造块状晶体，但许多物种可以利用这两种晶体。许多软体动物的贝壳内部使用文石，外部使用方解石。无论它们做什么都会消耗能量，当海洋条件有利于碳酸盐或其他碳酸盐时，建造贝壳的过程需要额外的能量来对抗纯化学的要求。

这意味着改变湖泊或海洋的化学成分会惩罚某些物种，而对其他物种有利。随着地质时间的推移，海洋在“文石海”和“方解石海”之间发生了变化。今天，我们处在一个高镁的文石海中，它有利于高镁的文石和方解石的沉淀。镁含量较低的方解石海有利于低镁方解石。

秘密在于新鲜的海底玄武岩，其矿物质与海水中的镁发生反应，将其从循环中拉出。当板块构造活动剧烈时，我们会看到方解石海。当它变慢，扩散带变短时，我们会看到文石海。当然，事情远不止这些。重要的是存在两种不同的状态，当海水中镁的含量是钙含量的两倍时，这两种状态之间的界限大致相同。

从大约4000万年前（40 Ma）起，地球就有一个文石海。最近的前一个文石海时期是在密西西比晚期和早侏罗世之间（约330至180 Ma），下一个回溯时间是最晚的前寒武纪，550 Ma之前。在这两个时期之间，地球有方解石海。更多的文石和方解石时期被绘制在时间更远的地方。

人们认为，随着地质年代的推移，这些大规模的模式已经改变了在海洋中建造珊瑚礁的生物组合。当我们试图弄清楚海洋将如何应对人为造成的大气和气候变化时，我们了解碳酸盐矿化及其对海洋化学的反应也很重要。