background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 52, 3, BRATISLAVA, JUNE 2001

139—146

LOW TEMPERATURE ABIOGENIC SYNTHESIS OF DOLOMITE

JÁN BABČAN

1

 and JAROSLAV ŠEVC

2*

1

Department of Geochemistry, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

2

Geological Institute, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

(Manuscript received September 8, 2000; accepted in revised form March 15, 2001)

Abstract: Endowed with the theoretical knowledge of carbonate evaporation and the precipitation of CaMg carbon-
ates  from  aqueous  solutions  the  authors  systematically  researched  the  low  temperature  formation  of  dolomite-like
carbonates. The results obtained at 40 °C indicate that the formation of rhombohedral CaMg carbonates depends on
the solid matter/water ratio (solidus index Is). The higher the ratio, the more MgCO

3

 enters into the carbonate struc-

ture. The results also confirm a gradual transition of these relationships from calcite, through Mg-calcite, Ca-dolomite
and Q-dolomite (Quasi-dolomite) to Mg-dolomite (Ca

44

Mg

56

). The structure of these synthesised carbonates is disor-

dered, much like their natural counterparts in lagoons, sabkhas, soils etc. When studying Ca-dolomite in the labora-
tory it was found to restructure into stable dolomite at 100 °C and into calcite at 180 °C. Synthetized dolomite (Ca

50

Mg

50

)

does not show superstructural X-ray reflections and hence it was denominated as a Quasi-dolomite (Q-D).

Key words: hydrothermal alterations, synthesis, Q-dolomite, dolomite, Ca-dolomite, Mg-calcite.

Introduction

In 1850 Naumann wrote that Arduino was the first to publish
his genetic considerations of Ca-Mg carbonates, later termed
dolomites.  He  attributed  them  to:”...  replacement  of  lime-
stone by agents coming from depth”. It is clear that Arduino
considered  that  metasomatic  reactions  were  the  main  agent
responsible  for  the  origin  of  dolomite.  But  this  was  not  an
isolated opinion. Sometime earlier Heim (1806, cit. in Nau-
mann  1850)  also  assumed  that  dolomite  was  a  limestone
metamorphosed through “vaporous explosions (Dampfexplo-
sionen)”.

The  presumption  that  dolomite  developed  at  relatively

high temperatures, was also supported by experimental mod-
elling results. Von Morlot (1847 cit. in Naumann 1850) was
probably the first to confirm the metasomatic origin of dolo-
mite  when  he  reacted  limestone  with  “bitter  salt”  solution
(MgSO

4

)  at  220  °C.  Furthermore,  Marignac  (1847  cit.  in

Naumann 1850) is alleged to have made a successful experi-
ment  using  chloride  MgCl

2

  instead  of  sulphate,  but  at  the

lower temperature of 200 °C.

The view that the secondary origin of dolomite was at the

expense of primary CaCO

3

 remained practically unchanged

until  the  1960’s.  The  opinion  prevailed  that  all  dolomite
formed via metasomatic replacement of calcite or aragonite.
In the light of increased experimental results, views as to the
mechanisms of this process have shifted away from assum-
ing  that  it  occurs  at  endogenous  –  high  temperatures  to
more  recently  the  assumption  that  it  can  also  take  place  at
low  temperatures.  However  the  experiments  ruled  out  the
possibility  that  it  could  occur  below  100  °C  which  once
again contradicts obervations made in nature of mineral asso-
ciations with dolomite.

A breakthrough came with the recent finding of, dolomite-

like minerals in littoral sabkhas, lagoons and salt lakes. Until
then,  attempts  to  produce  dolomite  under  conditions  either
corresponding  to,  or  similar  to  sabkhas  were  unsuccessful.
The only exceptions were Oppenheimer’s experiments (1964
cit. in Hsü 1967) which succeeded in changing natural Mg-
calcite into dolomite in a synthetic marine environment with
the addition of pepton, ferrous phosphate, a hydrous solution
of peat and quartz. The temperatures during this experiment
ranged between 22 and 25 °C. We note that this genetic mod-
el of dolomite was not generally accepted and most authors
did not refer to it when dealing with the dolomite problem.
Usdowski (1989) was the only experimentor into synthetized
dolomite at temperatures below 100 °C (i.e. 60 and 90 °C).

The genesis of dolomite is a geological problem which has

been  referred  as  the  “dolomite  question”  or  “  the  dolomite
problem” since the mid 19th century, when Sorby (1856 cit.
in Hardie 1987) found dolomite in unconsolidated sediments.
The key point to this question was formulated by Friedman
& Sanders (1967) and it persisted for a long time in its origi-
nal form: “to reliably explain the origin of dolomite and do-
lomitic rocks one can neither use the comparison with natu-
ral dolomite, nor the experiments”.

It would take a lot of time and space to synthesize only a

fraction of previous reviews on the dolomite problem. Such
reviews  appear  from  time  to  time  in  the  literature  and  we
shall  mention  some  studies  referring  to  this  problem  in  the
discussion.

During our studies we recorded evidence of dolomite for-

mation  produced  through  low  temperature  reactions.  The
partial results were interpreted and presented at the XVII In-
ternational Geological Congress in Moscow (Babčan 1984)
and  in  this  paper  we  present  the  complete  data  and  other

*Corresponding  author:  kgee@fns.uniba.sk

background image

140                                                                                     BABČAN  and  ŠEVC

details about the low temperature abiogenic synthesis of do-
lomite.

Experiments

Experimental procedures and identification of reaction products

We used varied experimental procedures and therefore de-

tailed  descriptions  will  be  given  separately  for  each  group.
The  analytical  and  mineral  determination  methods  of  the
products were similar.

In most cases we have characterized the reaction environ-

ment  before  and  after  the  reactions  by  using  the  pH  values
measured with a Radelkies pH-meter with a reproducibility
of  measurements  ±0.05  units.  The  contents  of  the  basic
chemical components were measured only in solutions (che-
latometrically). We did not determine the chemical composi-
tion of solid reaction products because of their varied miner-
al  compositions.  The  contents  of  Ca,  or  Mg  in  the  reaction
products were determined by using the content differences in
input  materials  and  in  solutions  once  the  experiments  were
over. The CaCO

3

 and MgCO

3

 contents in synthesized dolo-

mite  were  tentatively  determined  using  the  Lumsden’s
(1979) principle, which was extended to include Mg-calcite
and Ca-dolomite.

In agreement with Baron (1960) we consider X-ray diffrac-

tion  to  be  the  only  suitable  method  to  determine  mineral
composition of very fine-grained and heterogeneous carbon-
ate products. X-ray analysis was made on a DRON UM 1 in-
strument using Cu-radiation, Ni-filter, 30—40 kV and an elec-
tric  current  of  25—30  mA.  To  ensure  the  accuracy  of  the
lattice parameter determinations of the newly formed prod-
ucts, NaCl was used as the internal standard.

Because most natural minerals and synthetic precipitates are

mixtures of various CaMg carbonates, one of the most reliable
methods  of  determining  their  CaCO

3

  and  MgCO

3

  content  is

X-ray diffractometric analysis and the associated d

10.4

 reflec-

tion  values.  The  mol  %  CaCO

content  in  a  rhombohedral

CaMg carbonate is then calculated using Lumsden’s equation

NCaCO

3

 = M.d

10.4

 + B

where N = mol % CaCO

3

, d is the (10.4) reflection value in

angström  (Å)  and  M  and  B  are  constants  whose  values  are
333.333  and  911.99  respectively.  In  contrast  to  Lippmann

(1973), Reeder (1983) reported that the relation between the
lattice  parameters  and  chemical  composition  is  linear  only
when the CaCO

3

 content ranges between 48 and 57 mol %.

The recent classification of unconsolidated carbonates based

on low magnesia (<4 mol % MgCO

3

) and high magnesia (>5

mol  %  MgCO

3

)  content,  is  insufficient  and  too  broad.  In

agreement  with  Lippmann’s  proposal  (1973)  we  suggest  in-
cluding Ca-dolomite as an independent member of the nomen-
clature within a given range of d

10.4

 reflexion values. For dolo-

mite,  that  is  Q-dolomite,  we  outline  a  field  representing  the
carbonate  compositions  ranging  within  Ca

55—45

Mg

45—55

.  For

carbonates  with  the  composition  Ca

45—25

Mg

55—75

  we  employ

the name Mg-dolomite and with the composition Ca

25—5

Mg

75—95

the name Ca-magnesite.

Trigonal CaMg carbonates obtained during our experiments,

and classified using the system proposed by us are mentioned
below (Fig. 1).

Evaporite formation modelling at 50 

°C

These experiments were originally aimed at elucidating the

problems of magnesite formation in eastern Slovak gypsum-
anhydrite  deposits  (Babčan  1980).  We  ran  experiments  with
solutions  containing  0.4  M  CaCl

2

,  0.4  M  MgCl

2

,  0.5  M

Na

2

SO

4

 and 1 M NaHCO

3

, while the controls were carried out

with the CaCl

2

, or MgCl

2

 solutions, separately. The precipita-

tion kinetics were evaluated in relation to the degree of evapo-
ration and to the amounts of Ca, or Mg that entered into reac-
tion products. The procedure included heating all reagents to
50 °C prior to mixing and the addition of NaHCO

3

 in its solid

form. The amounts of reacted Ca and Mg were calculated by
using the difference between the amount added to the experi-
ment and the amount remaining in the solution at a given time.
The solid components were separated using filtration and then
submitted to X-ray diffraction analysis, microscopic study and
DTA. The results are listed in Table 1.

In systems containing dissolved CaCl

2

,

 

the results showed

that gypsum crystallized in a very well ordered form immedi-
ately after the addition of Na

2

SO

4

. X-ray diffraction was sen-

sitive enough to indicate even a small admixture of calcite.
However, after 6 hours the gypsum crystals had totally van-
ished through evaporation. In systems with MgCl

2

 the solid

phases  did  not  precipitate  unless  25  %  of  the  solution  was
evaporated. This process was accompanied by the formation
of nesquehonite. Once the solution gelatinized, hydromagne-
site formed.

Fig. 1. A system proposed to classify metastable rhombohedral CaMg carbonates (d

10.4

 spacings values are given in nm

×

10).

3.036                                                               2.888                                                               2.741

    l––––––––––––––––––––––––––––––I–––––––––––––––––––––––––––––-I

Calcite                                                          Dolomite                                                    Magnesite

      3.021                   2.962                  2.903       2.873                  2.814                  2.756

        I–––––––––––I–––––––––––I––––––I–––––––––––I––––––––––-I

    Mg-calcite         Ca-dolomite    Q-dolomite    Mg-dolomite      Ca-magnesite

background image

LOW  TEMPERATURE  ABIOGENIC  SYNTHESIS  OF  DOLOMITE                                           141

In mixed CaCl

and MgCl

2

 solutions, gypsum co-precipi-

tated with aragonite and as soon as 25 % of the solution was
evaporated,  Mg-calcite  began  to  precipitate.  A  remarkable
feature was that as a progressive amount of Mg reacted, the
d-values  of  (10.4)  reflections  in  the  resulting  Mg-calcite
shifted towards the Ca-dolomite field (d

10.4

 = 2.970

×

10

—1

 nm

to 2.928

×

10

—1

 nm).

A study of reactions in the gypsum—MgSO

4

—Na

2

CO

systems

at 40 

°C

Apart from Cl

—SO

4

2—

—CO

3

2—

 systems we also investigated

evaporation in other systems, and the results differed consid-
erably. Thus, in a nitrate environment (NaNO

3

 was used in-

stead of Na

2

SO

4

) calcite was the main product, while nesque-

honite and brucite were rare. In the presence of NaCl calcite
formed almost alone, while hydromagnesite was sporadic and
magnesite rare. When we used Na

2

B

4

O

7

, calcite was identi-

fied among the products along with an unidentified calcium
borate and hydromagnesite.

Because  the  above  mentioned  experiments  indicated  the

distinct influence of a sulphate environment upon the forma-
tion of Mg-calcite; we carried out a series of experiments us-
ing sulphates – natural gypsum (from Kateřinky near Opa-
va, Czech Republic) and MgSO

4

 solution instead of chloride

compounds. In contrast to the mixed chloride-sulphate envi-
ronments,  in  these  environments  the  Mg-calcite  developed
even  at  5 °C.  The  experimental  results  achieved  in  the  sul-
phate—carbonate  systems,  were  very  interesting,  because  of
their changing pH values.

The basic material was finely powdered gypsum (651 mg)

suspended in 40 ml of 0.1 M MgSO

4

 (92.25 mg). One ml of

a 0.75 M Na

2

CO

3

 solution with pH 10.69 was added to each

batch  of  solution.  To  preserve  roughly  equal  volume  and
mass concentrations of MgSO

4

, the volume of water was re-

duced. These systems were then left for 14 days to react at
40 °C.  The  pH  of  the  resulting  suspensions  was  measured,
the  solid  components  were  filtered  away  and  then  finally
submitted  to  X-ray  diffraction  analysis.  We  measured  the
contents of unreacted Mg in the solution. A summary of the
results is given in Table 2. The sequence of minerals corre-
sponds to visually estimated abundances from X-ray records.
In experiments with high concentrations of Na

2

CO

3

 and high

pH, the formation of Q-dolomite was evident.

Thermodynamic presupposition of dolomite formation

Observations of nature clearly show that dolomite associ-

ates with other minerals in the sediments. In the majority of
cases, it is unlikely that this is occurring under elevated tem-
peratures.  Dolomite  formation  should  be  easily  reproduced
in  the  laboratory  but  surprisingly  there  is  a  lack  of  experi-
ments confirming this. As stated above, the only low temper-
ature dolomite synthesis achieved at 25 °C was that, report-
ed by Oppenheimer & Master (1965), which, however has,
not been widely accepted.

Apart  from  natural  observations,  theoretical  calculations

also clearly indicate that it should be easy to produce dolo-
mite in a lab. With this in mind we checked theoretical cal-
culations that confirm this presumption using thermodynam-

CaCl

2

 systems

MgCl

systems

CaCl

2

 + MgCl

2

 systems

% evapo-

ration

% react Ca

products

% react Mg

products

% react Ca

% react Mg

products

         0

78.4

G, C

           0

0

62.2

9.9

G, A

25

99.5

C, A

13.2

N

96.0

4.5

A, MgC

50

99.9

C, A

83.4

N

89.9

41.9

MgC, A

75

99.9

C, A

83.1

N

85.3

39.9

MgC, A

100

100.0

C, A

87.4

HM,N

99.9

99.8

CaD, A

Table 1: Results of evaporite formation modelling (experiments series No. 742, for more details see text).

A – aragonite, C – calcite, CaD – Ca-dolomite, G – gypsum,  HM – hydromagnesite, MgC –  Mg-calcite,  N – nesquehonite, O – solution without precipitate

exper.

ml

pH in solution

% of reacted

products of

No.

Na

2

CO

3

     begin.

end.

Mg

reactions

769 a

0

7.18

7.70

                 0

G, C

b

1

9.31

8.08

1.51

G, A, C

c

2

9.46

8.09

3.11

G, A, C

d

3

9.52

8.13

0.77

G, A, C

e

4

9.41

8.14

1.91

G, A, C

f

5

9.45

8.14

5.68

C, A, HM

g

6

9.49

8.14

16.51

C, HM, A,evid.of QD

h

7

9.51

8.75

24.16

C, A, HM,evid.of QD

i

8

9.64

8.97

35.75

C, A, HM,evid.of QD

j

9

9.81

8.92

56.86

C, A, HM, N, QD

k

10

9.86

8.96

67.66

C, A, HM, QD

l

11

9.83

9.19

76.38

C, A, HM, QD

m

12

9.90

9.24

86.25

C, A, HM, QD

n

14

10.07

9.82

93.89

C, A, HM, QD

Table 2: Reaction results in systems gypsum—MgSO

4

—Na

2

CO

3

 in relation to pH values of the environment (temperature 40 °C, for more

details see text).

Note: Besides  of  40 

°C we have  also experimented at 4, 5, 25 and 100 °C;  Abbreviations see Table 2, QD — Quasi-dolomite

background image

142                                                                                     BABČAN  and  ŠEVC

ic  probability.  We  calculated  equilibrium  constant  values
(from  the  Gibbs  energies)  for  11  reactions  postulating  either
direct,  or  indirect  syntheses  of  dolomite  (Table  3).  The  data
used for these thermodynamic calculations were obtained from
the  monographic  volumes  of  Garrels  &  Christ  (1965),  Nau-
mov et al. (1971) and Me nik (1972).

Three important conclusions can be drawn from these calcu-

lations:

1. The highest equilibrium constant corresponds to reaction

No. 11. We postulate that the input of all components into the
reaction are in ionic form. However, owing to distinct hydrata-
tion properties of both ions, and especially of Mg

2+

 the reac-

tion is unrealistic.

2. Most reactions in purely carbonate systems are thermody-

namically improbable, while the systems with sulphate partici-
pation are much more probable.

3. The high thermodynamic probability of systems with sol-

uble neutral molecules (CaCO

3

0

, MgCO

3

0

, MgSO

4

) is a re-

markable feature.

In view of these conclusions our experimental work was fo-

cused on creating reaction conditions that would comply with
the criteria stated on pps 140 and 141. A sulphate environment
was established using gypsum and magnesium sulphate (reac-
tions Nos. 8 to 10). To prepare soluble undissociated CaCO

3

0

and  MgSO

4

0

  molecules,  we  used  our  experience  from  the

evaporite study, especially the preparation of evaporation ex-
periments,  when  gypsum  crystals  formed,  immediately  after
the solutions were mixed and after 6 hours of evaporation the
gypsum was totally replaced by aragonite and Mg-calcite. We
presuppose  that  dissolved  CaCO

3

0

  and  MgCO

3

0

  molecules

form as a transitional product during the formation of crystal-
line CaCO

3

 and MgCO

3

.3H

2

O on account of original gypsum

and epsomite.

The  first  series  of  experiments  conducted  using  these  pre-

conditions brought remarkable results (listed in Table 4). Nev-

ertheless, we assume that they are accidental, because the re-
peated experiments deviated to some extent from the original
ones, especially from those conducted at 40 °C. Many carbon-
ates formed within these systems, but the dolomite reflections
are clearly visible on the X-ray records. The experiments last-
ed 14 days and the repetitions (841 series) took 10 more days.
The results of repeated experiments, made at 40 °C differed,
mainly in the order in which the minerals were represented in
the products.

Experimental  results  in  systems  with  changeable  component
vs. water ratios

In the next series of experiments we changed both the con-

tent  of  gypsum  and  the  amount  of  magnesium  sulphate  and
water.  The  water  appeared  to  be  crucial,  because  when  its
amount  in  a  given  system  dropped,  the  d

10.4

  reflections  of

rhombohedral  carbonates  shifted  toward  lower  values  (more
MgCO

3

, Table 5).

We prepared for testing a mixture of solid basic materials –

gypsum,  epsomite  (MgSO

4

.7H

2

O)  and  Na

2

CO

3

  in  the

amounts corresponding to molal ratios 1:1:2. The mixture was
thoroughly  stirred,  ground  in  an  agate  mortar  and  constant
amounts were then inserted into glass ampules. Water (as shown
in Table 5) was then added. The ampules were then welded to-
gether  and  constantly  stirred.  They  were  kept  for  7  days  at  a
temperature  of  40  °C.  After  this  period  the  ampules  were
opened, and the pH of the suspension and X-ray diffractograms
of the solids were measured. The results are listed in Table 5.

In the next series of experiments we changed the contents

of  gypsum  and  epsomite  in  the  original  materials.  Calcite
was the only mineral that formed in the presence of pure gyp-
sum at 40 °C in systems similar to those of No. 868 of the ex-
periment series, while hydromagnesite and magnesite formed
in Mg systems.

Number

reaction type

log K

1

2 CaCO

3

  +  Mg

2+

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  Ca

2+

-1.28

2

CaCO

3

  +  Mg

2+

  +  HCO

3

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  H

+

-3.25

3

2 CaCO

3

  +  MgSO

4

o

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  CaSO

4

o

-1.08

4

Ca

2+

  +  Mg

2+

  +  2 HCO

3

-

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  2 H

+

-5.21

5

CaCO

3

  +  MgCO

3

   

→   CaMg(CO

3

)

2

+1.90

6

CaCO

3

o

  +  MgCO

3

o

   

→   CaMg(CO

3

)

2

+8.86

7

2 CaCO

3

o

  +  Mg

2+

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  Ca

2+

+9.04

8

2 CaCO

3

o

  +  MgSO

4

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  CaSO

4

+11.24

9

2 CaCO

3

o

  +  MgSO

4

o

  +  2 H

2

O   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  CaSO

4

.2 H

2

O

+11.42

10

CaSO

4

.2 H

2

O  +  Mg

2+

  +  2 CO

3

2-

   

→   CaMg(CO

3

)

2

  +  SO

4

2-

  +  2 H

2

O

+10.89

11

Ca

2+

  +  Mg

2+

  +  2 CO

3

2-

   

→   CaMg(CO

3

)

2

+15.45

Table 3: Presumed reaction types leading to formation of dolomite and their equilibrium constants.

Table 4: Experimental results for No. 840 series.

exper.

Temp.

Gypsum

Na

2

CO

3

MgSO

4

H

2

O

pH

products

No.

°C

g

g

g

ml

begin.

end.

a

25

6.15

6.42

1.24

520

9.85

9.14

A,CaD

2.943

b

25

6.15

6.42

2.48

520

9.40

8.85

A, MhK

c

25

6.15

6.42

4.95

520

9.40

8.85

N, A

d

40

6.15

6.42

1.24

520

9.72

9.06

QD

2.894

, HM, A

e

40

6.15

6.42

2.48

520

9.35

8.70

QD

2.877,

 A,HM,

f

40

6.15

6.42

4.95

520

9.14

8.60

A, HM, QD

2.894

Note: Abbreviations see Table 2,  MhK

 — monohydrocalcite CaCO

3

.H

2

O

background image

LOW  TEMPERATURE  ABIOGENIC  SYNTHESIS  OF  DOLOMITE                                           143

Hydrothermal alteration of synthetic Ca-dolomite

According to Malinin (1970), calcite has minimal solubility

in water at 150 °C. This information lead us to believe that it
may  be  a  key  to  the  transition  problem  between  unstable
CaMg  carbonate  and  stable  minerals.  Therefore,  we  made  a
series of tentative experiments with 4 synthetic carbonate mix-
tures  of  aragonite,  Mg-calcite,  Ca-dolomite  and  water  em-
placed the glass ampules, sealed and then exposed to elevated
temperatures. After 11 days of exposition at 100 °C and 5 days
of exposition at 180 °C we observed distinct changes in all but
one  sample  (No.  831e):  at  100  °C  the  Ca-dolomite  was  re-
placed by Q-dolomite and at 180 °C by calcite, as shows by
the d values of (10.4) reflections in Table 8.

In  the  experiments  in  which  CaCl

2

  was  used  instead  of

gypsum the products were similar to those identified in pre-
vious  sulphate—carbonate  systems.  The  used  components,
their amounts and reaction results are listed in Table 6.

The experiments corresponding to the results listed in Ta-

bles  5  and  6 confirm  that  the  solid  matter/water  ratio has a
crucial effect upon the formation of rhombohedral CaMg car-
bonates. Some problems occurred in experiments Nos. 872d
and 872e. Despite being similar, calcite formed in the former
and Mg-dolomite + calcite in the latter. These anomalies oc-
curred in samples with the addition of CaCl

2

 in which mini-

mal  water  was  used.  This  feature  developed  because  the
CaCl

2

, which we used in the reaction contained surplus con-

stitutional water, thus, we had to use a concentrated solution
in  which  the  CaCl

2

  content  was  analytically  determined  to

exactly measure the amount of water in the reaction mixture.

Experimental results in systems with precise amount of water
in the reaction environment at 40 

°C

The  results  of  previous  experiments  indicated  that  it  is

mainly the amount of water in the environment that influenc-
es the composition of the reaction products. Because not only
the solid substances (CaSO

4

.2H

2

O, MgSO

4

.7H

2

O), but also

solutions (saturated CaCl

2

 solution) released water to the re-

actional environment we made calculations for each experi-
ment separately to exactly determine the amounts of water.
The solid matter/water ratio was expressed by solidus index
Is, calculated according to the formula:

                                solid matter (g)
                        Is =             

                 ×

 100

                                 sum water (g)

The results of these experiments are listed in Table 7 and are

shown graphically in Fig. 2. The graph illustrates how the d
values  of  (10.4)  reflections  depend  on  the  solidus  index  of
rhombohedral metastable CaMg carbonates. At the same time
the graph shows how a gradual thickening contributes to the
formation of products from calcite to Mg-dolomite.

Table 5: A review of results No. 868 series.

No of

experim.

ml H

2

O

pH

components

d-values  (nm

×10)

of main lines

a

7

8.26

MgC,  CaD

2.970,  very weak 2.919

b

4

8.18

CaD,  MgC

2.922,  2.988

c

2

7.79

CaD,  CaD-QD

2.907,  2.943

d

1

undeterm.

CaD,  C,  HM

2.918,  3.035,  6.27

e

0.5

undeterm.

QD-MgD,  MgC,  HM

2.870,  2.990,  6.30

Table 6: A review of results No. 872 series.

No. of

CaCl

2

MgSO

4

.7H

2

O

Na

2

CO

3

pH

ml

products d (nm

×10)

experim.

g

g

g

H

2

O

of  main  lines

a

0.30

0.28

0.24

8.01

6.07

CaD-QD

2.904

b

0.39

0.35

0.30

7.68

3.92

QD

2.896

,  MgC

2.993

c

0.48

0.44

0.38

6.83

2.42

QD

2.896

d

0.46

0.41

0.35

undet.

1.11

C

3.044

e

0.46

0.41

0.35

undet.

0.55

MgD

2.854

,  C

3.010

Fig. 2. Relationship between d

10.4

 reflexions from synthetic rhom-

bohedral CaMg carbonates and solidus index.

background image

144                                                                                     BABČAN  and  ŠEVC

Discussion

The results presented in the attached tables, as well as the

diagram  of  relation  solid  matter/water  clearly  indicate  that
the  entry  of  magnesium  into  the  structure  of  rhombohedral
CaMg carbonates not only depends on the substance concen-
tration, but mainly on the water content in the reactional en-
vironment.  Provided  that  a  given  environment  contains
enough Ca, Mg and CO

3

 ions, rhombohedral carbonate min-

erals  with  chemical  composition  corresponding  to  calcite
through  Mg-calcite,  Ca-dolomite,  Q-dolomite  to  Mg-dolo-
mite may form at relatively low temperatures. The formation
of  these  individual  substances  at  equal  incipient  concentra-
tions of the mentioned compounds depends on the amount of
available water. The lower the amount of water in relation to
other  compounds,  the  more  Mg  enters  the  structure  of  the
newly  formed  carbonates.  When  the  solidus  index  exceeds
65, not only the products chemically corresponding to ideal
Q-dolomite  (Ca

50

Mg

50

)  are  formed,  but  also  the  Mg  richer

members, such as Mg-dolomite (Ca

45—25

Mg

55—75

).

The mechanism of these processes is not yet fully under-

stood.  But  a  clue  to  the  explanation  in  agreement  with  Us-
dowski’s opinion (1994), may be due to the properties of the
magnesium atom, or ion. Obviously, the entry of Mg into the
crystal structures with calcium is prevented by a large num-
ber  of  water  molecules  that  form  a  hydration  envelope
around  the  Mg

2+

  ion.  The  values  of  the  heat  of  hydratation

clearly indicate how big the differences are between the hy-
dration properties of Ca

2+

 and Mg

2+

 ions. For Ca

2+

 it is 1510

kJ.mol

—1

,  for  Mg

2+

  1828  kJ.mol

—1

  (Gažo  et  al.  1974).  It

seems probable that both, high salinity and increased temper-
atures, lower the hydration of Mg

2+

 ions to enable Mg to en-

ter  reactions  with  Ca,  accompanied  by  the  formation  of
mixed CaMg structures.

However, there is another important point which we have

already mentioned in relation to thermodynamic calculations
–  the  formation  of  nondissociated  soluble  CaCO

3

0

  and

MgCO

3

0

 molecules. The transition of a chemical component

from  one  solid  mineral  form  into  another  may  take  place
when  transitional  members  form,  such  as  the  above  men-
tioned undissociated molecules in the presence of water. As
an example we note the change of gypsum into calcite in our
experiments, when it seems probable that as soon as the gyp-
sum dissolves, the Ca

2+

 ions react with available CO

3

2—

 ions

to  form  undissociated  CaCO

3

0

  molecules,  from  which  first

nuclei and then crystals of calcite form when the concentra-
tion  reaches  the  required  level.  Should  there  be  MgCO

3

0

molecules  that  in  similar  way  the  mixed  CaMg  minerals
would  form.  The  possible  participation  of  CaCO

3

0

  and

MgCO

3

0

  molecules  in  reactions  of  carbonate  formation  are

also cited by Brady et al. (1996) and Pokrovsky (1998).

Several  remarkable  features  applicable  to  this  problem

were recorded during research into the kinetics of CaMg car-
bonate  precipitation  from  water  solutions  (Babčan  et  al.
1992). From purely chloride Ca and Mg solutions (with mo-
lal Ca/Mg ratio 3:1) and from mixed chloride-sulphate solu-
tions of a similar composition only calcite precipitated from
two minutes to as much as 1 hour of reaction with CO

3

2—

 at

temperatures  of  5  °C  and  25  °C  (the  amount  of  reacted  Ca
was  87  to  89  %).  After  24  hours  the  only  reaction  product

No of experim.

solidus index Is

pH

products

d

10.4

 values in nm

×10

868e

106.7

undeterm.

HM, A, MgD-QD, MgC

2.870,  2.990

874b

77.5

undeterm.

QD, MgC

2.881,  2.985

868d

65.4

undeterm.

HM, QD, CaD

2.893,  2.939

874c

52.6

undeterm.

QD

2.899

867d

43.2

7.52

QD, MgC

2.896,  2.976

868c

36.9

7.79

CaD-QD, CaD

2.907,  2.944

868b

19.7

8.18

HM, CaD, MgC

2.922,  2.988

866a

12.7

7.95

A, CaD

2.924,  2.933

874f

9.7

8.30

CaD, MgC

2.936,  2.979

866b

6.2

8.05

CaD, A

2.948

874g

5.6

8.50

CaD, A

2.947

866c

3.1

8.16

CaD-MgC, A

2.960,  2.972

866d

1.6

8.35

MgC, A

2.975

874i

0.9

8.94

MgC, A

2.988

866e

0.4

8.82

MgC, A

2.988

874j

0.2

8.62

MgC, A

3.004

879k

 0.04

9.23

C

3.035

Table 7: Experimental results in system with exactly adjusted solid matter/water ratio.

Table  8:   The results of hydrothermal alteration of synthetic Ca-dolomite and Mg-calcite.

Exp.

components

d

10.4

products

d

10

.

4

products

d

10.4

No.

of orig.sampl.

nm

×10

100 °C

nm

×10

180 °C

nm

×10

831a

A, CaD

2.94

A, D

2.90

A, C

3.05

831b

A, CaD

2.94

A, D

2.89

A, C

3.03

831c

A, MgC

2.97

A, D

2.90

A, C

3.04

831e

A, MgC

2.96

A, CaD

2.92

A, CaD

2.91

Note: Abbreviations see Table 2

Note: Abbreviations see Table 2

background image

LOW  TEMPERATURE  ABIOGENIC  SYNTHESIS  OF  DOLOMITE                                           145

was  Mg-calcite  (with  8  mol  %  MgCO

3

),  while  the  original

calcite completely vanished. We cannot assume that Mg en-
tered the solid structure of the original calcite, but we can as-
sume  that  the  original  calcite  dissolved  and  then  reacted  in
the  form  of  CaCO

3

0

  with  available  MgCO

3

0

.  The  MgCO

3

0

molecules  obviously  form  with  a  slow  reaction  time  as  the
crystals with a carbonate Mg structure first appeared after 10
days. These kinetic experiments enabled us to see that to pro-
duce Mg-calcite the amount of Mg entering its structure de-
pended on temperature. At 25 °C it was on average 8 mol %
and at 50 °C it was already almost 20 mol %, although, these
values indicate that the setting is equilibrated, as suggested
before by Berner (1974 cit. in Drever 1982).

Another  important  pre-condition  of  CaMg  carbonate  for-

mation is the pH value in the environment, which ranged in
our experiments between 7.5 and 10. In an environment with
a high salt content the dissociation of adequate compounds is
reduced to correspond to pH values lower than those listed in
Table 7. In dense systems (Is = 50—100) the pH of the envi-
ronment could not be measured.

Despite  finding  that  some  experiments  made  at  25  °C  ap-

peared promising (Table 2), we finally decided to use the tem-
perature of 40 °C (±2 °C) because firstly we expected a faster
rate  of  reactions  and  secondly,  because  of  similar  processes
taking place in nature at some localities (Persian Gulf etc.).

Most  of  our  experimental  results  simulated  the  processes

of CaMg carbonate precipitation from various systems, rang-
ing from brines to strongly concentrated brines such as those
of coastal lagoons (Persian Gulf, Bahamas, Qatar, Southern
Australia  etc.),  sabkhas  (Arabian  Peninsula),  soils  (calc-
crusts,  dolocrusts)  and  crusts  covering  historical  buildings
made of limestone.

Several  data  referring  to  this  problem  in  the  literature

could not be confirmed by our experimental results. For in-
stance,  the  assumption  of  De  Boer  (1977),  Folk  &  Land
(1975),  Friedman  &  Sanders  (1967),  Hardie  (1987),  Kukal
(1986),  Leeder  (1982),  Lippmann  (1973),  Rosen  et  al.
(1989), Tucker et al. (1990), Usdowski (1989, 1994), that a
high Mg/Ca ratio is necessary to produce carbonates with a
high content of MgCO

3

 component could not be confirmed.

In  our  experiments  we  obtained  the  products  with  various
contents of CaCO

3

 and MgCO

(Table 7) using an equal ratio

between  starting  substances.  However,  we  should  note  that
the Mg/Ca ratio does not characterize given reaction condi-
tions realistically. The Ca/Mg ratio corresponds to the initial
content of Ca and Mg compounds and it changes immediate-
ly  after  the  addition  of  CO

3

2— 

compounds  into  the  system.

Most of the calcium immediately reacts and the formation of
CaCO

3

 changes the real reaction environment to a complete-

ly different environment relative to the theoretical, or origi-
nal environment.

To  characterize  the  low  temperature  reaction  environment

we use the solidus index Is, a value that can easily be calculat-
ed during laboratory experiments. For natural systems an ade-
quate variable may be the value of total salinity, as confirmed,
for instance, by the experiments of Erenburg (1961) and Glov-
er & Sippell (1967) who obtained the richer MgCO

3

 products

in an environment with higher concentrations of NaCl during

the  synthesis  of  CaMg  carbonates.  Kazanskij  (1976)  reports
that in sediments from the Balchaš Sea the Ca-dolomite (ac-
cording to Kazanskij protodolomite) appeared in depressions
in which the salinity of water was 4.6—5.3 g/kg.

In  the  highly  concentrated  coastal  lagoons,  sabkhas  etc.,

no environments with individual Ca

2+,

 Mg

2+,

 or CO

3

2—

  ions

are expected to occur. They are present as undissociated mol-
ecules, molecule associates, hydrates etc. Therefore the cal-
culations  postulated  by  several  authors,  such  as  solubility
calculations, equilibrium constants etc., cannot be made. For
instance we do not use values of ionic strengths for the char-
acterization of a medium.

Although, there are indications to explain the nature of this

problem, the question of how the unstable CaMg carbonates
change into stable ones with ordered structure, still remains
unanswered. Some of specialists assume that the mentioned
change  is  a  matter  of  time  (Purser  et  al.  1994).  However,
there is evidence that the unstable Mg-calcite with 20 to 40
mol  %  MgCO

3

  remained  unchanged  in  the  Tertiary  lime-

stones of the Swiss Jura (Kübler 1958). On the other hand,
another remarkable finding was the well ordered dolomite in
the Coorong Holocene sediments (Rosen et al. 1989). Even
more  interesting  was  the  find  of  stoichiometric  transparent
dolomite (besides Ca-dolomite) within the weathering crusts
(patinas) on limestones used in historic buildings (Rodriguer-
navarro et al. 1997)

Remarkable there have also been results from experimen-

tal  research  into  the  recrystallization  kinetics  of  synthetic
CaMg carbonates (with 41.7 mol % MgCO

3

, in our terminol-

ogy carbonates at the boundary between Ca-dolomite and Q-
dolomite) at 50—200 °C reported by Malone et al. (1996). In
the  seawater-like  solution  a  complete  restructuring  was  not
achieved even at 200 °C (a product developed with a maxi-
mum of 48.6 mol % MgCO

3

). After 336 days some 30 % of

the carbonate recrystallized at a temperature of 50 °C to be-
come dolomite.

In  addition  we  note  that  repeated  X-ray  analyses  of  ran-

domly selected samples, stored in a dry place before the anal-
ysis,  did  not  show  any  trace  of  changes  even  in  samples
stored for 18—20 years. It seems that a transport medium (wa-
ter) is inevitably required to recrystallise unstable CaMg car-
bonates.  If  the  unstable  CaMg  carbonate  structures  remain
unchanged  in  the  rocks  for  a  long  time  (as  in  the  case  of
Swiss Jurassic limestones), it may be that the original sedi-
ments were quickly lithified. As a result water is prevented
from migration and various exchange reactions, including re-
structuring, could not take place.

Conclusions

On the basis of thermodynamical calculation and systematic

studies of carbonate formation from various environments a do-
lomite-like  carbonate  was  prepared.  Synthetized  dolomite
(Ca

50

Mg

50

) does not show superstructural X-ray reflections and

hence it was denominated as a Quasi-dolomite (Q-dolomite).

The results obtained at 40 °C indicate that the formation of

rhombohedral CaMg carbonates depends on the solid matter/

background image

146                                                                                     BABČAN  and  ŠEVC

water ratio (solidus index Is). The higher the ratio, the more
MgCO

3

 enters into the carbonate structure. The results also

confirm a gradual transition of these relationships from cal-
cite, through Mg-calcite, Ca-dolomite and Q-dolomite (Qua-
si-dolomite) to Mg-dolomite (Ca

44

Mg

56

). When studying Ca-

dolomite  in  the  laboratory  it  was  found  to  restructure  into
stable dolomite at 100 °C and into calcite at 180 °C.

References

Babčan  J.  1980:  Die  theoretische  und  experimentelle  Modelierung

des  Entstehung  von  Magnesit  in  Evaporiten  des  Westkarpa-
then. Geol. Zbor. Geol. Carpath. 31, 65—74.

Babčan J. 1984: Low temperature synthesis of dolomite. Abstr. 27-

th Internat. Geol. Congress, Moskva, V, 10.

Babčan  J.,  Iró  S.  &  Ševc  J.  1992:  Experimental  study  of  carbonate

formation  kinetics  in  a  Ca-Mg-CO

3

-Cl  systems  at  temperature

of 25 °C. Miner. Slovaca 24, 1—7.

Baron G. 1960: Sur la synthese de la dolomie. Application au phe-

nomene de dolomitisation. Rev. Inst. Franç. Pétrol. Ann. Com-
bust. Liquides 
15, 3—68.

Brady P.V., Krumhansl J.L. & Papenguth I.W. 1996: Surface com-

plexation  clues  to  dolomite  growth.  Geochim.  Cosmochim.
Acta
 60, 727—731.

De Boer R.B. 1977: Stability of Ca-Mg carbonates.  Geochim. Cos-

mochim. Acta 41, 265—270.

Drever J.I. 1982: The geochemistry of natural waters. Prentice-Hall,

Englewood Cliffs, New Jersey, 1—440.

Erenburg  G.B.  1961:  Artificial  mixed  carbonates  in  the  CaCO

3

-

MgCO

3

 series. Žurn. Strukt. Chimii 2, 178—182.

Folk R.L. & Land L.S. 1975: Mg/Ca ratio and salinity, two controls

over  crystallization  of  dolomite.  Bull.  Amer.  Assoc.  Petrol.
Geol.
 59, 60—68 (cit. in Hardie 1987).

Friedman G.M. & Sanders J.E 1967: Origin and occurence of dolos-

tones. Carbonate rocks, Part A. Elsevier, Amsterdam, 167—348.

Garrels R.M. & Christ C.L. 1965: Solutions, Minerals, and Equilib-

ria. Harper and Row, New York, 1—450.

Gažo J. and col. 1974: General and inorganic chemistry. 2-nd Edit.,

Alfa Bratislava—SNTL, Praha, 1—808 (in Slovak).

Glover  E.D.  &  Sippell  R.F.  1967:  Synthesis  of  magnesium  calcite.

Geochim. Cosmochim. Acta 31, 603—613.

Hardie  L.A.  1987:  Dolomitization:  a  critical  view  of  some  curent

views. J. Sed. Petrology 57, 166—183.

Hsü  J.K.  1967:  Origin  of  dolomite  in  sedimentary  sequences.  Min-

eral. Dep. 2, 133—138.

Kazanskij  Ju.P.  1976:  Sedimentology.  Izd.  Nauka,  Novosibirsk,  1—

272 (in Russian).

Kukal  Z.  1986:  Elements  of  sedimentology.  Academia,  Praha,  1—

325 (in Czech).

Kübler B. 1958: Calcites magnesienne d´eau douce dans le Tertiaire

supérieur  du  Jura  neuchatelois.  Eclogae  Geol.  Helv.  51,  676—
685 (Suisse).

Leeder  M.R.  1982:  Sedimentology,  Process  and  Product.  G.  Allen

and Univ. London, Boston, Sydney, 1—439.

Lippmann  F.  1973:  Sedimentary  Carbonate  Minerals.  Springer

Verl., Berlin-Heidelberg-New York, 1—219.

Lumsden D.N. 1979: Discrepancy between thin section and X-ray

estimates  of  dolomite  in  limestones.  J.  Sed.  Petrology  49,
429—436.

Malinin S.D. 1970: An application of theory of strong elecrolytes to

the  solubulity  of  carbonates  at  high-temperature.  Geochimia
540—551 (in Russian).

Malone  M.J.,  Baker  B.A.  &  Burns  S.J.  1996:  Recrystallization  of

dolomite  –  An  experimental  study  from  50—200  degrees.
Geochim. Cosmochim. Acta 60, 2189—2207.

Me nik  Ju.P.  1972:  Handbook  –  Thermodynamic  constants  in  the

analysis  of  conditions  for  iron  ores  origin.  Naukovaja  Dumka,
Kijev, 1—195 (in Russian).

Naumann C.F. 1850: Lehrbuch der Geognosie, Bd. 1. Verl. W. En-

gelmann, Leipzig, 1—1000.

Naumov  G.B.,  Ryženko  B.N.  &  Chodakovskij  I.L.  1971:  Hand-

book  of  thermodynamic  values.  Atomizdat,  Moskva,  1—195
(in Russian).

Oppenheimer  C.H.  &  Master  I.M.  1965:  Transition  of  silicate  and

carbonate  crystal  structure  by  photosynthesis  and  metabolism.
Geol. Soc. Amer. Spec. Pap. 76, 1—125.

Pokrovsky O.S. 1998: Precipitation of calcium and magnesium car-

bonates from homogenous supersaturated solutionns. J. Crystal
Growth 
186, 233—239.

Purser B.H., Tucker M.E. & Zenger D.H. 1994: Problems, progress

and  future  research  concerning  dolomites  and  dolomitization.
Dolomites – A volume in honor of Dolomieu. Spec. Publ. No-
21  of  the  Intern.  Assoc.  of  sedimentologist.  Blackwell  Sci.
Publ.,
 Oxford etc. 3—20.

Reeder  R.J.  1983:  Crystallochemistry  of  trigonal  carbonates.  In:

Reeder  R.J.  &  Ribbe  P.H.(Eds.):  Carbonates,  mineralogy  and
chemistry. Min. Soc. Amer. Rev. Mineralogy 3—61.

Rodriguernavarro C., Sebastian E. & Rodriguergallego M. 1997: An

urban model for dolomite precipitation – authinenic dolomite
on weathering. Sed. Geol. 109, 1—11.

Rosen  M.R.,  Miser  D.E.,  Starcher  M.A.  &  Warren  K.J.  1989:  For-

mation  of  dolomite  in  the  Coorong  region,  South  Australia.
Geochim. Cosmochim. Acta 53, 661—669.

Tucker  M.E.,  Wright  V.P.  &  Dicson  J.A.D.  1990:  Carbonate  sedi-

mentology. Blackwell Sci. Publ., Oxford etc., 1—482

Usdowski E. 1989: Synthesis of dolomite and magnesite at 60 °C in

the  system  Ca-Mg-CO

3

-Cl-H

2

O.  Naturwissenschaften  76,

374—375.

Usdowski E. 1994: Synthesis of dolomite and geochemical implica-

tions. Spec. Publ. Int. Assoc. Sed. 21, 345—360.