Chemia i Fizyka Gleb
advertisement
Minerały i skały glebotwórcze ćwiczenia Fizyka i Chemia Gleb Dr inż. Przemysław Woźniczka Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska pokój 202 [email protected] • Skrypt – Gleboznawstwo z elementami mineralogii i petrografii. Jerzy Drozd i inni. • Gleboznawstwo – pod red. Saturnina Zawadzkiego • Fartuchy Fizyka i Chemia Gleb Dr inż. Przemysław Woźniczka Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska • Lista studentów, obecności, oceny, informacje, materiały dydaktyczne – strona internetowa http://www.up.wroc.pl/~pwoz Kontakt mailowy [email protected] – Budowa kuli ziemskiej. Kula ziemska zbudowana jest z koncentrycznych stref o odmiennym składzie chemicznym i zróżnicowanej gęstości właściwej. Schematyczną budowę kuli ziemskiej przedstawia poniższy rysunek: Wprowadzenie – Minerały są substancjami chemicznymi powstającymi na drodze naturalnych procesów geologicznych. Posiadają one określone i w danych warunkach stałe właściwości fizyczne i chemiczne. – Skały są naturalnymi skupieniami minerałów. Znane są skały monomineralne i polimineralne. – Skały macierzyste gleb to skały, z których powstają gleby. Stanowią one jeden z podstawowych czynników wpływających na ukształtowanie i właściwości gleby. Minerały i skały glebotwórcze 1. Systematyka minerałów – Klasyfikacji minerałów - podział minerałów według pokrewieństwa chemicznego i budowy krystalochemicznej. Zgodnie z tymi kryteriami minerały podzielono na 6 gromad: • • • • I. Pierwiastki rodzime (złoto, miedź, siarka) II. Siarczki i siarkosole (piryt, galena) III. Halogenki (sylwin, halit) IV. Tlenki i wodorotlenki – – • 1)Tlenki i wodorotlenki żelaza (hematyt, limonit, magnetyt) 2)Tlenki i wodorotlenki glinu (gibbsyt, korund) V. Sole kwasów tlenowych – – – – – 1)Azotany (saletra chilijska, saletra indyjska) 2)Węglany (kalcyt, dolomit) 3)Siarczany (gips, anhydryt) 4)Fosforany (apatyt fluorowy, fosforyty) 5)Krzemiany i glinokrzemiany • 5a)Krzemiany wyspowe • 5b)Krzemiany grupowe • 5c)Krzemiany pierścieniowe • 5d)Krzemiany łańcuchowe • 5e)Krzemiany wstęgowe • 5f)Krzemiany warstwowe - łyszczyki: biotyt, muskowit, serycyt; (w skałach magmowych – np. w granicie) - minerały ilaste: kaolinit, illit, montmorylonit (w skałach osadowych – np. w pyłach) • - • 5g)Krzemiany szkieletowe grupa krzemionki: kwarc, opal, chalcedon skalenie: ortoklaz, plagioklazy Skaleniowce: leucyt, nefelin 6. Minerały organiczne (węgiel kamienny, ropa naftowa) WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW • Barwa. Wyróżnia się minerały: - barwne, o niezmiennej, charakterystycznej barwie, - zabarwione, o barwie pochodzącej od domieszek innych substancji, - bezbarwne. • Rysa. Jest ona barwą sproszkowanego materiału. Bada się ją pocierając minerałem o niepolerowaną płytkę porcelanową. Minerały barwne dają rysę barwną, zaś bezbarwne i zabarwione mają zawsze rysę białą. • Przezroczystość. Określa ona zdolność minerałów do przepuszczania promieni świetlnych. Wyróżnia się minerały: - przezroczyste (np. kwarc), - przeświecające (np. chalcedon), - nieprzezroczyste (większość minerałów). • Połysk. Jest to cecha powierzchni minerału (jego ścian bądź powierzchni powstałych po jego rozbiciu), określająca sposób w jaki odbija ona promienie świetlne. Wyróżnia się następujące rodzaje połysku: - metaliczny: właściwy i półmetaliczny, - niemetaliczny: diamentowy, szklisty, tłusty, perłowy, jedwabisty i matowy. WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW • Łupliwość. Jest to zdolność minerałów do pękania pod wpływem uderzenia bądź nacisku na części ograniczone powierzchniami płaskimi, łupliwość dzielimy na: - doskonałą - bardzo dobrą - wyraźną - niewyraźną (słabą) • Przełam. Cecha ta mówi nam o braku łupliwości. Minerał wykazujący przełam, pęka wzdłuż powierzchni zupełnie przypadkowych, jak np. kwarc. Ze względu na kształt tych powierzchni • Twardość. Skala Mohsa 1. talk Mg3[(OH)2Si4O10] 2. gips CaSO4 . 2H2O 3. kalcyt CaCO3 4. fluoryt CaF2 5. apatyt Ca5F(PO4)3 6. ortoklaz K[AlSi3O8] 7. kwarc SiO2 8. topaz Al2F2SiO4 9. korund Al2O3 10. diament C WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW • • Gęstość właściwa. W przypadku niektórych minerałów stanowi doskonałą cechę rozpoznawczą (np. barytu - 4,5 g . cm-1, galeny - 7,58 g . cm-1). Większość minerałów skałotwórczych ma jednak gęstość rzędu 2,5 - 3,5 g . cm-1. Inne cechy: - kruchość (np. turmalin) - sprężystość (np. muskowit) - giętkość (np. gips) - kowalność (np. srebro rodzime) - smak (np. halit) - magnetyzm (np. magnetyt) Systematyka Skał • Skały magmowe • Skały osadowe • Skały metamorficzne Systematyka Skał Magmowych I. Skały bardzo nie dosycone krzemionką (brak minerałów jasnych). – Skały te powstały z magmy zbyt ubogiej w SiO2 aby utworzyły się skalenie i inne minerały jasne. Z tego względu są one zbudowane wyłącznie z minerałów ciemnych. II. Skały nie dosycone krzemionką (skalenie + skaleniowce). – Skały te powstały z magmy o zawartości SiO2 niewystarczającej do całkowitego wykrystalizowania skaleni. Obok skaleni wytworzyły się więc uboższe w krzemionkę skaleniowce, które są minerałami wskaźnikowymi dla tej grupy skał. III. Skały nasycone krzemionką (skalenie, brak skaleniowców i kwarcu). – Skały te powstały z magmy o zawartości SiO2 wystarczającej do wykrystalizowania skaleni (nie wytworzyły się skaleniowce). Po wykrystalizowaniu wszystkich składników nie pozostał też nadmiar krzemionki i nie powstał kwarc (lub bardzo mała jego - ilość do 10%) IV. Skały przesycone krzemionką (skalenie + kwarc). – Skały te powstały z kwaśnej magmy, wykazującej nadmiar SiO2 w stosunku do innych składników. W warunkach tych, po wytworzeniu wcześniej krystalizujących minerałów pozostały nadmiar krzemionki wykrystalizował w postaci kwarcu. Skały tej grupy charakteryzują się obecnością kwarcu (10% - 35%) i odróżniają się od innych skał jasną barwą i najniższą gęstością. W każdej gromadzie wyróżnia się klasy (rodziny), do których należą skały wylewne i głębinowe o podobnym składzie mineralogicznym Budowa skał magmowych Skały magmowe wykazują różną budowę wewnętrzną tj. strukturę i teksturę. Struktura określa sposób wykształcenia minerałów. • Ze względu na stopień wykrystalizowania masy skalnej wyróżnia się następujące typy struktur: – – – pełnokrystaliczne półkrystaliczne szkliste Większość skał magmowych posiada strukturę pełnokrystaliczną, Ze względu na wielkości wykrystalizowanych składników wyróżnia się struktury: - jawnokrystaliczną - skrytokrystaliczną (afanitową) – - porfirową - Struktury skał magmowych Jawnokrystaliczna, równoziarnista Porfirowa Skrytokrystaliczna (afanitowa) Budowa skał magmowych Tekstura - określa sposób rozmieszczenia minerałów w skale. W zależności od stopnia uporządkowania składników skały wyróżnia się tekstury: • • bezładną - gdy rozmieszczenie składników skały nie wykazuje żadnej prawidłowości; kierunkową (uporządkowaną) - gdy składniki skały rozmieszczone są w sposób regularny; Uwzględniając stopień wypełnienia przestrzeni skalnej wyróżnia się tekstury: • masywną (zbitą) - gdy składniki mineralne całkowicie wypełniają przestrzeń skalną nie pozostawiając żadnych wolnych przestrzeni (porów, próżni skalnych) • porowatą - gdy pomiędzy składnikami mineralnymi skały występują wolne przestrzenie, nie zapełnione podczas krystalizacji magmy substancją mineralną w stanie stałym. SKAŁY OSADOWE • • • • wietrzenie transport sedymentacja diageneza. Wietrzenie • wahania temperatury na powierzchni wietrzejących skał (od - 80 °C do + 80 °C ), • znaczna rozpiętość opadów (od zera do kilku tysięcy mm rocznie), • stosunek opadów do parowania , • stężenie jonów wodorowych, które w naturalnych zbiornikach waha się w granicach od pH 5 do pH 9, • potencjał oksydoredukcyjny ( Fe2+ - Fe3+), • udział organizmów żywych (mikroorganizmy, rośliny, zwierzęta). • • • Skały osadowe są w petrografii sklasyfikowane na trzy grupy, w zależności od genezy: skały osadowe okruchowe skały osadowe pochodzenia chemicznego i organicznego Skały osadowe okruchowe: Mieszanka wszystkich powyższych frakcji – Gliny czyli skały różnoziarniste (forma scementowana o tej samej nazwie) Struktura skał osadowych Przy określaniu struktury skał okruchowych bierze się pod uwagę następujące kryteria: •Rozmiary okruchów •Stopień obtoczenia, • Stopień selekcji (wysortowania) • Charakter powierzchni, świadczący o środowisku powstawania skał. Wyodrębnić można następujące rodzaje powierzchni: – gładkie, świadczące o transporcie wodnym, – matowe, nie poddane obróbce w czasie transportu, charakterystyczne dla utworów rezydualnych, – porysowane, związane z transportem eolicznym i lodowcowym, – o charakterystycznych śladach, np. drążenia przez organizmu żywe żyjące w określonym środowisku sedymentacyjnym. Diageneza (cementowanie okruchów w litą skałę) • W zależności od składu chemicznego wyróżnia się następujące rodzaje lepiszcza: – – – – – – – wapniste - złożone z kalcytu, o jasnej barwie, burzące z 10% kwasem solnym na zimno, margliste - złożone z kalcytu i minerałów ilastych, o jasnej lub szarej barwie, burzące z kwasem solnym i pozostawiające osad po wyburzeniu, dolomityczne - złożone z dolomitu, o jasnej barwie, burzące z kwasem solnym na gorąco lub po sproszkowaniu, żelaziste - złożone z tlenków i wodorotlenków żelaza, o charakterystycznym czerwonym lub brunatnym zabarwieniu, krzemionkowe - złożone z chalcedonu lub opalu, o jasnej barwie, dużej zwięzłości, często również o szklistym połysku, ilaste - złożone z minerałów ilastych, o małej zwięzłości, glaukonitowe - złożone z glaukonitu, o charakterystycznej zielonej barwie. Charakterystyka Piasków • Piaski eoliczne (wydmowe) są dobrze obtoczone i przesortowane. Składają się prawie wyłącznie z okruchów drobnoziarnistych, co uwarunkowane jest ograniczoną zdolnością transportową wiatru. Powierzchnia ziarn piasków eolicznych jest matowa i porysowana na skutek wzajemnego ich ocierania się w trakcie transportu. • Piaski aluwialne (rzeczne) są średnio obtoczone, błyszczące, warstwowane, a w obrębie warstwy dość dobrze wysortowane. Słabe obtoczenie ziarn jest wynikiem transportu w środowisku wodnym, w którym poszczególne ziarna pozornie tracą na ciężarze. • Piaski zwałowe, wytworzone w wyniku działalności lodowca, charakteryzują się brakiem wysortowania i warstwowania, a obok okruchów obtoczonych występują ziarna ostrokrawędziste. • Piaski fluwioglacjalne (rzecznolodowcowe) składają się z ziarn obtoczonych jeszcze słabiej niż ziarna piasków rzecznych. Charakteryzują się słabą selekcją i urozmaiconym składem mineralnym. • • Charakterystyka pyłów LESSY – Lessy są pyłami pochodzenia eolicznego, o barwie żółtej, wykazują pionową łupliwość i brak warstwowania. Typowy less składa się z kwarcu (60 - 70%), glinokrzemianów (20 - 30%), węglanów (8 - 12%), wodorotlenków żelaza i glinu oraz minerałów ilastych. Ziarna lessu są na ogół ostrokrawędziste, co przyczynia się do wykształcenia dużej porowatości. Osady lessowe wykazują bardzo dobre właściwości fizyczne, dobre właściwości fizykochemiczne i stanowią jedną z najwartościowszych skał macierzystych gleb. Ich wadą jest stosunkowo łatwa podatność na erozję, zwłaszcza wodną. – Lessy i utwory lessopodopbne występują na Wyżynie Lubelskiej, Kielecko- Sandomierskiej i Miechowskiej, w pasie pogórzy przedkarpackich, na Płaskowyżu Głubczyckim, Rybnickim oraz na Przedgórzu Sudeckim i Wzgórzach Trzebnickich. Charakterystyka Iłów • Tworzenie się iłów może zachodzić in situ, na obszarach wietrzenia chemicznego glinokrzemianów, częściej jednak związane jest ze środowiskiem wodnym i zachodzącymi w nim procesami transportu i sedymentacji. – Z iłów różnej genezy powstają gleby zasobne, o niekorzystnych właściwościach fizycznych, o małej przewiewności i przepuszczalności. Są one trudne do uprawy - lepkie i mażące w stanie wilgotnym, twarde i zwięzłe w stanie suchym. Zdolności iłów do silnego pęcznienia w czasie namakania i kurczenia w trakcie wysychania, dodatkowo obniżają ich wartość rolniczą. Charakterystyka glin • Geneza utworów gliniastych może być różna (gliny rezydualne, deluwialne i inne), jednak największe znaczenie mają gliny pochodzenia lodowcowego, czyli gliny zwałowe. – Powstające z nich gleby zaliczane są do dobrych i bardzo dobrych, a ich skład chemiczny, w porównaniu np. z utworami rezydualnymi, jest bogatszy w ważne z rolniczego punktu widzenia składniki, jak fosfor, wapń, magnez, potas. SKAŁY POCHODZENIA CHEMICZNEGO I ORGANICZNEGO • • • • • skały węglanowe skały krzemionkowe skały żelaziste ewaporaty torfy Skały węglanowe • Wapienie - powstawać mogą w wyniku nagromadzenia się węglanowych szczątków zwierząt, niekiedy również roślin, na dnie zbiorników morskich i śródlądowych oraz w wyniku wytrącenia węglanu wapnia z roztworów wodnych. • Margle - są skałami pośrednimi między skałami węglanowymi a okruchowymi. Zbudowane są głównie z kalcytu • Dolomity - są skałami pochodzenia chemicznego, zbudowanymi przede wszystkim z dolomitu. Występowania skał wapiennych w Polsce Odciśniety liść paproci w wapieniu Skały krzemionkowe – Są to skały utworzone w całości lub w przeważającej części z autogenicznej krzemionki, wykształconej w postaci opalu, chalcedonu lub kwarcu. – Niektóre skały krzemionkowe powstają wskutek chemicznego wytrącania się krzemionki, inne zaś w wyniku osadzania się szczątków organizmów zbudowanych z krzemionki: okrzemek, radiolarii i gąbek krzemionkowych. – Większość skał krzemionkowych odznacza się znaczna twardością bliską, twardości kwarcu. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy skał są: gezy, opoki lekkie, ziemia okrzemkowa i diatomit, spongiolity i radiolaryty. Skały Żelaziste – Jest to grupa skał wzbogaconych w tlenki i sole żelaza. Przyjmuje się iż zawartość żelaza niezbędna do zakwalifikowania skały do tej grupy wynosi 15%. Do skał żelazistych należą między innymi: rudy darniowe i bagienne, żelaziaki brunatne i osadowe syderyty. Ewaporaty – Ewaporaty powstają w zbiornikach wodnych po wytrąceniu węglanu wapnia, gdy po odparowaniu wody składniki mineralne ulegają dalszej koncentracji. Należą do nich złoża gipsu, anhydrytu, halitu oraz złoża wielomineralne, np. sole potasowo-magnezowe. Najważniejszymi skałami należącymi do tej grupy są: gips, anhydryt, sól kamienna, sole potasowe i potasowo-magnezowe. Charakterystyka Torfów • TORFY – Torfy są skałami powstającymi współcześnie w wyniku nagromadzenia szczątków obumarłych roślin w warunkach nadmiernego uwilgotnienia oraz w wyniku zarastania jezior. – Torfy wykształcone w dawniejszych okresach geologicznych uległy przekształceniu w pokłady węgla brunatnego (utwory trzeciorzędowe) lub kamiennego (utwory karbońskie) – Wyróżnia się torfy niskie, przejściowe i wysokie. – – Torfy niskie powstają zwykle w dolinach rzek i jezior przy udziale wód przepływowych. Torfy wysokie tworzą się na wododziałach i w zagłębieniach bezodpływowych, przy udziale wody ubogiej w tlen i związki mineralne. Torfy przejściowe charakteryzują się cechami pośrednimi pomiędzy torfami wysokimi a niskimi. W ich podłożu zalega zazwyczaj torf niski. – • Wartość glebotwórczą posiadają właściwie tylko torfy niskie. • Torfy wysokie pełnią funkcję naturalnych zbiorników retencyjnych wody opadowej. • Utwory torfowe są na terenie Polski dość powszechne, choć występują jedynie lokalnie. Największe obszary zajmują w dolinach rzek (oraz ich dopływów): Narwi, Biebrzy Noteci, Obry i u ujścia Odry. Torfy - zastosowanie Torf jako surowiec energetyczny Torf konserwuje • Człowiek żyjący w 4 w.p.n.e. – znaleziony w 1951roku w Danii Torf ma wiele zastosowań Skały metamorficzne – Skały metamorficzne powstają w wyniku działania procesów metamorficznych. Ich charakter zależy od rodzaju skały wyjściowej oraz zakresu temperatury i ciśnienia w jakich zachodzi przeobrażanie. Na tej podstawie wyróżniono (U. Grubenmann, P. Niggle) trzy strefy metamorfizmu, – Strefa górna (Epi) - charakteryzuje się działaniem dużych ciśnień kierunkowych (stressu), małego ciśnienia hydrostatycznego oraz niskiej temperatury. Stress decyduje o wykształceniu się wyraźnej tekstury łupkowej. – Strefa pośrednia (Mezo) - cechuje się działaniem silnego stressu, dużego ciśnienia hydrostatycznego oraz średniej temperatury. Warunki takie sprzyjają rekrystalizacji składników i powstawaniu minerałów o dużej gęstości, np. granatów. W strefie tej powstają skały o strukturze bezładnej – Strefa dolna (Kata) - panuje w niej duże ciśnienie hydrostatyczne i wysoka temperatura, aż do powstania faz półpłynnych. Oddziaływanie stressu jest nieznaczne. Powstają tu skały wykazujące na ogół teksturę bezładną i strukturę gruboblastyczną, co upodabnia je do magmowych skał głębinowych. Skały metamorficzne • • • • • • gnejsy łupki krystaliczne kwarcyty marmury zieleńce serpentynity – Gnejsy są jedną z większych, a zarazem ważniejszych grup skał metamorficznych. Powstały one w średniogłębokich strefach metamorfizmu, w wyniku przeobrażenia skał magmowych nasyconych i przesyconych krzemionką oraz skał osadowych ilastych, W ich składzie mineralogicznym zawsze występują skalenie i kwarc, którym z reguły towarzyszą łyszczyki. Gnejsy – Wietrzenie gnejsów prowadzi do powstania lekkich, zasobnych w potas gleb, wykazujących niedobór wapnia, magnezu i fosforu. – W Polsce skały gnejsowe występują w wielu miejscach w Sudetach, między innymi w Górach Izerskich, Sowich, w masywie Śnieżnika oraz w Tatrach Zachodnich. Łupki krystaliczne – Łupki krystaliczne stanowią obszerną grupę skał metamorficznych powstających w płytkich strefach metamorfizu, o różnym składzie mineralnym i wyraźnie zaznaczonej teksturze łupkowej. Częstokroć w ich składzie dominuje jeden minerał, decydujący o ich właściwościach i nadający im nazwę, np. łupek grafitowy, serycytowy, talkowy, chlorytowy, mikowy i inne. – Z łupków krystalicznych tworzą się różne gleby, których zasobność zależy od ich składu mineralnego. Na ogół wietrzeją one łatwo, dając zwietrzelinę bogatą w łupkowe odłamki.
