Les minéraux carbonatés contiennent le complexe anionique (CO3)2-, dont la coordination est triangulaire, c’est-à-dire avec un atome de carbone au centre et un atome d’oxygène à chacun des coins d’un triangle équilatéral. Ces groupes anioniques sont des unités individuelles fortement liées et ne partagent pas d’atomes d’oxygène entre elles. Les groupes carbonates triangulaires sont les unités de construction de base de tous les minéraux carbonates et sont en grande partie responsables des propriétés particulières à cette classe.
Les carbonates sont fréquemment identifiés à l’aide du test d’effervescence avec un acide. La réaction qui entraîne le pétillement caractéristique, 2H+ + CO2/3→ H2O + CO2, utilise le fait que les liaisons carbone-oxygène des groupes CO3 ne sont pas tout à fait aussi fortes que les liaisons carbone-oxygène correspondantes dans le dioxyde de carbone.
Les carbonates anhydres (sans eau) courants sont divisés en trois groupes qui diffèrent par leur type de structure : la calcite, l’aragonite et la dolomite. Les carbonates de cuivre azurite et malachite sont les seules variétés hydratées notables.
Les membres du groupe calcite partagent un type de structure commun. Elle peut être considérée comme un dérivé de la structure NaCl dans laquelle les groupes carbonate (CO3) remplacent les ions chlore et les cations calcium remplacent les cations sodium. En raison de la forme triangulaire des groupes CO3, la structure est rhomboédrique et non isométrique comme dans le NaCl. Les groupes CO3 sont dans des plans perpendiculaires à l’axe c triple, et les ions calcium occupent des plans alternés et sont liés à six atomes d’oxygène des groupes CO3.
Les membres du groupe calcite présentent un clivage rhomboédrique parfait. La composition CaCO3 se présente le plus souvent sous deux polymorphes différents : la calcite rhomboédrique avec le calcium entouré de six atomes d’oxygène les plus proches et l’aragonite orthorhombique avec le calcium entouré de neuf atomes d’oxygène les plus proches.
Lorsque les groupes CO3 sont combinés avec de grands cations divalents (généralement avec des rayons ioniques supérieurs à 1,0 Å), il en résulte des structures orthorhombiques. Ce type de structure est connu sous le nom d’aragonite. Les membres de ce groupe comprennent ceux qui ont de grands cations : BaCO3, SrCO3 et PbCO3. Chaque cation est entouré de neuf atomes d’oxygène les plus proches.
Le groupe aragonite présente une solution solide plus limitée que le groupe calcite. Le type de cation présent dans les minéraux aragonites est en grande partie responsable des différences de propriétés physiques entre les membres du groupe. La gravité spécifique, par exemple, est grossièrement proportionnelle au poids atomique des ions métalliques.
La dolomite , la kutnohorite , et l’ankerite sont trois membres isostructuraux du groupe de la dolomite. La structure de la dolomite peut être considérée comme une structure de type calcite dans laquelle les cations magnésium et calcium occupent les sites métalliques en couches alternées. La taille des ions calcium (Ca2+) et magnésium (Mg2+) diffère de 33 %, ce qui produit un ordre cationique, les deux cations occupant des niveaux spécifiques et distincts dans la structure. La dolomite a un rapport calcium-magnésium d’environ 1:1, ce qui lui donne une composition intermédiaire entre CaCO3 et MgCO3.