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.
Download