Geomateriały

Geomateriały
minerały, skaly i inne..
Co to jest minerał?
– Minerał
• Nieorganiczny, powstały w naturze, stały materiał o
zdefiniowanym, konkretnym składzie chemicznym* i
strukturze krystalicznej. *Uwaga: skład chemiczny może
być albo ustalony ściśle, albo zmienny w pewnych
ustalonych granicach.
– Skała
• Naturalnie powstałe, ciało stałe złożone z jednego lub
więcej minerałów, czasami zawierające części
organiczne. Minerały są głównymi składnikami skał (6
minerałów jest głównymi składnikami skał).
1
Mineraloid
„ Mineraloid
– Niektóre, naturalnie występujące stałe materiały,
które nie spełniają definicji minerału z powodu braku:
• Zdefiniowanego składu, lub
• Charakterystycznej struktury krystalicznej, lub
• Obu.
Skład minerałów
„ Niektóre zbudowane są z pojedynczego
pierwiastka (np. diament, grafit, złoto, miedźi
siarka).
„ Większość minerałów to związki chemiczne.
2
Struktura krystaliczna minerałów
„ Struktura krystaliczna to coś, czego
nie trzeba
definiować;
„ Substancje naturalne niekrystaliczne to np.
bursztyn i szkło (mineraloidy).
Właściwości fizyczne minerałów
„
Właściwości fizyczne minerałów:
–
–
–
–
–
–
–
–
Połysk
Kolor
Twardość
Łupliwość i przełam
Rysa (kolor rysy)
Ciężar właściwy
Postać kryształu
Przezroczystość
gSzczególne
właściwości
gMagnetyzm
gDwójłomność
gSmak
gZapach
gDotyk
gReakcje chemiczne
3
Minerały w skorupie ziemskiej
„ Tylko 12 pierwiastków występuje w skorupie
ziemskiej w ilości większej niż 0.1% (wagowo).
„ Te 12 pierwiastków stanowią 99.23% masy
skorupy ziemskiej.
„ Znanych jest około 4000 minerałów, ale tylko 30
występuje powszechnie.
4
Grupy minerałów
„ Krzemiany (SiO4)4-, najbardziej
rozpowszechnione w skorupie ziemskiej;
„ Węglany (CO3)2-, fosforany (PO4)3- i siarczany
(SO4)2-;
„ Pierwiastki rodzime, siarczki (S2-) i tlenki (O2-)
metali.
Krzemiany
„
Dwa pierwiastki:
tlen i krzem
stanowią razem
ponad 70% masy
skorupy ziemskiej.
– Podstawowym
elementem
krzemianów jest
czworościan SiO42-
5
Krzemiany
„
Kryształy mogą
zawierać:
– Pojedyncze jony SiO4
połączone poprzez
dodatnie jony metali;
– Grupy tetraedrów;
– Pierścienie;
– Ciągłe łańcuchy
tetraedrów SiO4;
– Płaszczyzny tetraedrów;
– Struktury 3-D
tetraedrów.
6
Krzemiany wyspowe: oliwin, granat,
cyrkon,..
„ Dwie bardzo ważne skałotwórcze grupy
minerałów (oliwiny i granaty), mają strukturę
krystaliczną, w której czworościany krzemianowe
są izolowane. Łączą się ze sobą poprzez
wiązanie jonowe z kationami metali. Minerały
wyspowe powstają w bardzo wysokiej
temperaturze.
Granat
„
Grupa granatu są to minerały o
składzie: X3Y2Z3O12 , gdzie
– X = Mg, Fe2+, lub Ca;
– Y = Al, Cr, lub Fe3+;
– Z = Si.
„
minerały należące do tej grupy:
– pyrop- Mg3Al2Si3O12
almandyn - Fe2+3Al2Si3O12
spessartin - Mn3Al2Si3O12
grossular - Ca3Al2Si3O12
7
Krzemiany grupowe
„ Dwa czworościany stykają się ze sobą
wierzchołkiem. Powstaje grupa (Si2O9)10-, 10
ładunków ujemnych neutralizuje się poprzez
dołączenie kationów metali i grup
wodorotlenowych.
– Zoisyt Ca2Al3O|OH|SiO4|Si2O7
Krzemiany pierścieniowe
„ Czworościany stykają się narożami tworząc
pierścienie trój- cztero- lub sześcio-elementowe.
Pierścienie układają się w równoległe warstwy.
– beryl
– turmalin
8
Beryl
Be3Al2Si6O18
Krzemiany łańcuchowe: Pirokseny i
Amfibole
„ Pirokseny: zawierają pojedynczy łańcuch
(najpowszechniejszy - augite = Ca(Mg,Fe)Si2O6),
aegirine = NaFeSi2O6).
„ Amfibole: zawierają podwójny łańcuch
krzemianowy (hornblende =
Ca2(Mg,Fe)4Al(Si7Al)O22(OH,F)2).
9
Piroksen,
„
Amfibol
Mg2Si2O6,
Krzemiany warstwowe: minerały
ilaste, miki, serpentyny,..
„ Zawierają płaszczyzny tetraedrów
krzemianowych;
– Kaolinit, Al4Si4O10(OH)8 - jest jednym z głównych
przedstawicieli minerałów ilastych (uwodnione
glinokrzemiany). Inne: illit i montmorylonit.
– Muscowit, KAl2(Si3Al)O10(OH)2 - jeden z rodzajów
miki.
– Serpentyny: azbesty;
10
Muskowit
„
„
„
Muscowit - mikaKAl2(AlSi3O10)(F,OH)2.
Znakomita łupliwość,
łatwo dzieli się na
warstwy; topi się w
1320°C, twardość 2 2.25 .
Wykorzystuje się jego
właściwości izolujące i
ognioodporność.
Serpentyn
„ Grupa serpentynu to trzy odmiany polimorficzne
o składzie Mg6Si4O10(OH)8.
– Chrysotile to komercyjna odmiana azbestu.
11
Krzemiany szkieletowe
„ Krzemiany, w których sieć
tetraedrów jest
trójwymiarowa.
– Najbardziej spektakularnym
przykładem jest kwarc,
zbudowany jest wyłącznie z
czworościanów SiO24-.
Kwarc
„ Czysty (prawie) kwarc jest biały lub
przezroczysty.
– Inny kolor wynika z niewielkich ilości domieszek (Fe,
Al., Ti,..) oraz..... ciekawych zjawisk fizycznych.
„ Kwarc zawsze zawiera domieszki Al3+ (1/10000
Si). Brak ładunku kompensowany jest jonami H+
lub Na+. Taki kwarc jest przezroczysty lub
mleczno-biały.
12
Kwarc
„
Gdy kwarc zostanie naświetlony
(promieniowaniem o dużej energii),
wówczas elektron z atomu tlenu
sąsiadującego z Al3+ jest wybijany z
atomu i pułapkowany przez H+.
Czworościan AlO4 staje się
centrum barwnym, a kwarc
kwarcem dymnym (szary-brązowyczarny).
Kwarc
„ Kwarc, który zamiast domieszki Al3+ zawiera
żelazo Fe3+ jest żółty lub brązowawy. Jest to
cytryn. Gdy cytryn zostanie naświetlony (jak
poprzednio) i powstaną w nim centra barwne otrzymujemy fioletowy ametyst.
13
Kwarc
„ Kolor kwarcu różowego wynika z obecności w
nim włókien innego minerału: dumortieritu;
– Dumortierit to glinokrzemian
Al7(BO3)(SiO4)3O2.5(OH)0.5, którego różowy kolor
wynika z przeskoku elektronu pomiędzy
domieszkami Fe i Ti;
Kwarc
„ Różowy kwarc
i włókna
dumortieritu
wewnątrz
kwarcu;
14
Kwarc
„ Drobnoziarniste (skrytokrystaliczne) formy
kwarcu to
– Rogowiec (ang. Chert)
– Chalcedon;
– Opal;
Kwarc
„
Rogowiec – bardzo drobnokrystaliczny kwarc
– Tworzy się poprzez rekrystalizację krzemianowych skamielin,
– Jasper – odmiana z dodatkiem hematytu Æ czerwony
– Krzemień – odmiana zawierająca dodatki organiczne Æ
ciemne kolory
„
„
Chalcedon – mikrokrystaliczny kwarc Æ często
pasiasty(agat);
Opal – hydrożel (roztwór stały wody w krzemionce) –
tworzy się jako koloid, a następnie woda dyfunduje do
krzemionki Æ powoduje, że opal jest amorficzny;
– Opal powoli krystalizuje i staje się chalcedonem;
15
Skalenie
„
Skalenie to również
krzemiany szkieletowe:
– Najpowszechniejsza grupa
minerałów w skorupie
ziemskiej (około 60%);
– Tworzy się poprzez
polimeryzację.
„
Przykład: mikroklin
(KAlSi3O8)
Węglany (CO3)2-, fosforany (PO4)3- i
siarczany (SO4)2-
16
Węglany
„ Anion węglanowy, (CO3)2-, tworzy trzy
rozpowszechnione minerały:
• Kalcyt.
• Aragonit.
• Dolomit.
Kalcyt i dolomit
– Kalcyt: CaCO3
– Dolomit: CaMg(CO3)2
17
Siarczany
Gips: uwodniony
siarczan wapnia
(CaSO4*2H2O)
Anhydryt:(CaSO4)
Siarczany
„
„
Baryt (BaSO4), Celestyt (SrSO4) i Anglesit (PbSO4) ważne złoża,
z których otrzymuje się odpowiednie pierwiastki.
Te minerały maja dużą gęstość Baryt =4.5, Anglesit = 6.3 g/cm3
(skalenie ~2.5)
18
Fosforany
„ Najważniejszym fosforanem jest apatyt
• Zawiera aniony ((PO4)3-.
• Występuje w różnych odmianach, np.Ca5(PO4)3(OH,F,Cl).
• Stanowi główne źródło fosforu.
Pierwiastki rodzime, siarczki (S2-) i
tlenki (O2-) i chlorki metali.
19
Miedź, złoto, srebro, węgiel, siarka
Cu
S
Ag
Diament i grafit
20
galena
Siarczki - źródło metali
„ Piryt (FeS2) i pyrrhotit (FeS) są
najpowszechniejsze;
„ Galena (PbS), sfaleryt (ZnS), chalcopiryt
(CuFeS2).
„ Również kobalt, rtęć, molibden i srebro są
otrzymywane ze złóż siarczków;
Chlorki, fluorki,..
„ Halit (NaCl) i Sylvit (KCl) powstają w bardzo
przesyconych roztworach wodnych;
„ Fluoryt (CaF2) wystepuje w żyłach związanych z
wodami hydrotermalnymi.
21
Tlenki
„ Tlenki żelaza, magnetyt (Fe3O4) i hematyt
(Fe2O3), są najważniejszymi minerałami z grupy
tlenków.
„ Poza tym tlenkowe minerały to
• Rutyl (TiO2) - główne źródło tytanu;
• Cassiterite (SnO2);
• Uraninite (U3O8).
SKAŁY
22
Skały: mieszaniny minerałów
„
Skały wulkaniczne
– Utworzone wskutek krzepnięcia magmy.
„
Skały osadowe
– Utworzone wskutek osadzania materiału transportowanego w
roztworze lub zawiesinie.
„
Skały metamorficzne
– Utworzone wskutek przekształcenia istniejących skał
wulkanicznych lub osadowych w reakcji na podwyższenie
temperatury lub ciśnienia.
23
Udział skał osadowych i
wulkanicznych w skorupie ziemskiej
Skały wulkaniczne
„ Skały wulkaniczne zawierają
przemieszane,
nieregularne kryształy różnych minerałów:
– kwarc, skalenie, mika, minerały ferromagnetyczne;
– Minerały krystalizują z lepkiej stopionej skały w
kolejności zaleznej od temperatury topnienia;
24
Skały wulkaniczne
„ Wszystkie skały wulkaniczne
– Powstają z magmy,
– Powstają z lawy,
– Powstają z materiałów piroklastycznych.
„ Magma to stopiony materiał pod powierzchnią;
„ Lawa to stopiony materiał na powierzchni;
„ Piroklastyczny materiał to cząsti takie jak popiół
wulkaniczny.
Rodzaje skał wulkanicznych
„
Skały wulkaniczne (wylewne)
– Powstają na powierzchni
– Powstają z lawy lub materiału piroklastycznego;
„
Skały głębinowe lub plutoniczne
– Powstaja z magmy wstrzykniętej do skorupy ziemskiej
– Powstają w miejscu skorupy
„
Plutony to obiekty zbudowane ze skał plutonicznych.
25
Plutony
Tekstury skał wulkanicznych
– phaneritic: duże, widoczne gołym okiem ziarna (powolne
chłodzenie);
– aphanitic: ziarna widoczne po powiększeniu (szybkie
chłodzenie);
– porphyritic: duże ziarna otoczone drobnoziarnistą masą
(chłodzone najpierw wolno, później szybko);
26
Tekstury skał wulkanicznych
Szklista
Vesicular texture
Pyroklastyczna
chłodzenie
bardzo
szybkie
w czasie
chłodzenia
tworzyły się
bąble gazu
cząstki rozproszone
w czasie wybuchu
i następnie
sprasowane
Klasyfikacja skał wulkanicznych
„ Kryteria: skład i tekstura
„ Podział ze względu na skład bazuje na
zawartości SiO2:
– felsic (>65% silica)
– pośrednie (53-65% silica)
– mafic (45-52% silica)
27
Klasyfikacja skał wulkanicznych
Przykłady skał wulkanicznych
Bazalt
Gabbro
Andesite
Diorite
28
Przykłady skał wulkanicznych
Rhyolite
Granite
Skały osadowe
„ Skały osadzone przez wiatr, wodę i lód
– Uformowane w skałę pod wpływem ciężaru oraz
naturalnego cementu
– Charakterystyczne cechy skał osadowych:
• rozróżnialne, okrągłe ziarna;
• często pasma i warstwy;
• obecność skamielin;
29
Inne skały osadowe
„ osady chemiczne i biochemiczne
– wapień (drobnoziarnista skała, głównie kalcyt);
– rogowiec (Chert);
„ rafy koralowe
Skały osadowe
Brekcja osadowa
Piaskowiec kwarcowy
Łupek
30
Skały osadowe
Gips
Chert
sól kamienna
Wegiel
Skały metamorficzne
„ Utworzone wskutek działania wysokich ciśnień i
temperatury na skały pod powierzchnią Ziemi.
Dodatkowym czynnikiem jest aktywnosć
chemiczna magmy.
31
Skały metamorficzne
„ Wskutek dzialania czynników zewnętrznych
może zmienić się:
– skład minerału (tworzy się nowy);
– tekstura minerału;
– jedno i drugie.
Przykład zmiany tekstury
„ Często, pod wpływem ciśnienia powstaje
tekstura warstwowa
32
Przykłady skał metamorficznych
Łupki
Gneiss
Marmur
Quartzite
Literatura
„
„
„
„
„
„
„
D. Lemaire, "Atoms, Elements, Minerals, Rocks: Earth's Building
Materials", Wiley;
C.L. Smart, "Igneous Rocks" and "Minerals";
K. Schramm, "Minerals";
J.K. Morgan, "Sample Rock Types", Rice University;
G. Druschel, "Sedimentary Materials", University of Vermont;
J. D. Winter, "Phase Relations and Binary Systems", Whitman
College Geology;
"Evolution of Magmas", University of Stellenbosch.
33