Co to jest minerał? Krystalografia II Elementy mineralogii – 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). Struktura Ziemi Skorupa ziemska (crust) ma 5-70 km grubości; Płaszcz (mantle) to 80% objętości Ziemi i 67% jej masy; Zewnętrzny rdzeń jest najprawdopodobniej ciekły; Zewnętrzny rdzeń jest najprawdopodobniej stały; Mineraloid Mineraloid – Niektóre, naturalnie występujące stałe materiały, które nie spełniają definicji minerału z powodu braku: • Zdefiniowanego składu, lub • Charakterystycznej struktury krystalicznej, lub • Obu. Skład wnętrza Ziemi Skład minerałów Wiedza na ten temat bazuje głównie na teorii i Niektóre zbudowane są z pojedynczego skałach pochodzących z górnych warstw płaszcza … – Górne warstwy płaszcza Æ w większości minerały ferromagnetyczne; – Zewnętrzny rdzeń Æ najprawdopodobniej ciekłe żelazo; – Wewnętrzny rdzeń Æ najprawdopodobniej stały nikiel i żelazo; pierwiastka (np. diament, grafit, złoto, miedźi siarka). Większość minerałów to związki chemiczne. 1 Struktura krystaliczna minerałów Kolor Struktura krystaliczna to coś, czego na zajęciach Skąd w ogóle wynika kolor? z krystalografii nie trzeba definiować; Substancje naturalne niekrystaliczne to np. bursztyn i szkło (mineraloidy). Obiekt jest kolorowy wtedy, gdy jakiś proces Właściwości fizyczne minerałów Kolor minerałów absorpcji usuwa niektóre długości fali ze światła widzialnego. Niebieski szafir w świetle świecy wydaje się czarny. Dlaczego? Właściwości fizyczne minerałów: – – – – – – – – Połysk Kolor Twardość Łupliwość i przełam Rysa (kolor rysy) Ciężar właściwy Postać kryształu Przezroczystość Skąd wynika kolor minerałów: gSzczególne – – – – – – właściwości gMagnetyzm Magnetyzm gDwójłomność gSmak gZapach gDotyk gReakcje chemiczne Kolor i połysk Domieszki jonów metali Kolor – Czasami jest charakterystyczną cechą, po której można rozpoznać minerał, a czasami nie (np. w przypadku krzemianów - nie). Kolor wynika głównie ze składu chemicznego (domieszki). Domieszki jonów metali; Przeskok elektronu pomiędzy dwoma atomami; Centra barwne; Fluorescencja; Efekty interferencyjne; Skład czystych minerałów; Połysk - dwa główne rodzaje – metaliczny – niemeteliczny • Szklisty • Tłusty • woskowy matowy ziemisty błyszczący • • • • • • Aquamarine = niebieski: Fe2+ Helicodor = złoty: Fe3+ Zielony beryl= Fe2+, Fe3+ Morganit = różowy: Mn2+ Czerwony beryl = Mn3+ Zielony szmaragd= Cr3+ Be3Al2Si6O18 2 Domieszki jonów metali Domieszki jonów metali • Ważnym czynnikiem jest stopień utlenienia jonów (np. Fe2+ lub Fe3+) • Np. : ogrzewanie zielonego lub niebieskiego berylu redukuje jony żelaza i beryl staje się niebieski (Co znacznie zwiększa jego wartość) Przyczyną, dla której różne kryształy Domieszki jonów metali Przeskok ładunku między atomami • Te same domieszki różnie zabarwiają różne minerały • rubin (czerwony) i szmaragd (zielony) zawdzięczają swój kolor jonom Cr3+ w otoczeniu oktaedrycznym Domieszki jonów metali domieszkowane tym samym jonem mają różne kolory jest pole krystaliczne. • Elektron absorbując foton przechodzi od jednego atomu do innego • Np. między tlenem a jonem metalu • Między kationami tego samego pierwiastka (Fe2+ - Fe3+ ) • Między różnymi kationami; • Np. niebieski kolor szafiru wynika z absorpcji czerwonego światła aby: Fe2+ i Ti4+ ⇔ Fe3+ and Ti3+ . Centra barwne • Centra barwne są to defekty (punktowe) w krysztale, które absorbują światło z zakresu widzialnego. • Centra barwne często powstają wskutek napromieniowania kryształu. Promieniowanie może być naturalne (w minerałach: U, Th, K) lub sztuczne. Polega to na tym, że promieniowanie wybija elektron z jakiegoś atomu a defekt (np. brak jonu ujemnego) wiąże ten elektron. Układ związany: defekt i elektron może absorbować światło. 3 Centra barwne • Brakujący atom węgla w zielonym diamencie absorbuje światło czerwone Centra barwne Centra barwne • Cyrkon jest bezbarwny, cyrkon zawierający domieszkę U jest niebieski • Cyrkon zniszczony promieniowaniem U jest brązowoczerwony • Wskutek ogrzewania brązowy cyrkon staje się znowu niebieski! Kolor minerałów Niektóre minerały maja kolor wynikający wyłącznie z ich czystego składu, struktury, pasm energetycznych itp. – Granat, – azuryt, – malachit i inne; Gdy elektronowi uda się uciec z pułapki, wówczas centrum zanika i kolor też. Może to nastąpić albo spontanicznie, albo wskutek ogrzania kryształu Centra barwne • sodalit (hackemanit): elektron związany z luką po Cl- w tetraedrycznym otoczeniu Na (centra barwne powstają wskutek naświetlenia UV) Kolor minerałów Kolor niektórych minerałów wynika z efektów dyfrakcyjnych i interferencyjnych – Opale; – Opalizujący chalkopiryt; 4 Rysa Postać kryształu Rysa jest to cienka warstwa sproszkowanego minerału powstałego, gdy próbką rysujemy po ceramicznej płytce. Np. hematyt jest czarny a rysa przez niego pozostawiona - czerwona. Minerały są ciałami krystalicznymi… – Każdy minerał zawiera kryształy o rozróżnialnym kształcie i geometrii. • Idealne kryształy umożliwiają identyfikacje minerału właśnie po kształcie; – Ale… idealne kryształy są bardzo rzadkie w naturze. Twardość Postać kryształu Freidrich Mohs (geolog austriacki) Kryształy idealne są rzadkie – Ale… charakterystyczną strukturę krystaliczną minerału można ujawnić poprzez łupliwość; – Łupliwość jest to tendencja kryształów do pękania wzdłuż pewnych, charakterystycznych płaszczyzn; – Względna skala twardości Mosha (twardszy minerał rysuje mniej twardy minerał). Skala twardości Mosha H a r d n e ss M in e r a l 10 9 8 7 D ia m o n d C orund um Top a z Q u a r tz 6 O r th o c la se 5 4 3 A p a tite F lo u r ite C a lc ite 2 1 G yp su m T a lc Łupliwość i przełam C o m m o n O b je c t N a il (6 .5 ) G la ss (5 -6 ) Pękanie wzdłuż płaszczyzn łupliwości – Mika ma jeden kierunek łupliwości, w pozostałych kierunkach pęka nierówno (a); – Skaleń ma dwie, prostopadłe płaszczyzny łupliwości (b); – Kalcyt ma 3 nieprostopadłe płaszczyzny łupliwości (c); P e n n y (3 ) F in g e r n a il (2 .5 ) 5 Minerały w skorupie ziemskiej Grupy minerałów Tylko 12 pierwiastków występuje w skorupie Krzemiany (SiO4)4-, najbardziej ziemskiej w ilości większej niż 0.1% (wagowo). 99.23% masy skorupy ziemskiej. Znanych jest około 4000 minerałów, ale tylko 30 występuje powszechnie. Te 12 pierwiastków stanowią 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- Główne minerały w skałach Krzemiany Kwarc Skaleń Mika Minerały ferromagnetyczne Minerały ilaste Kalcyt 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 Łańcuchy 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. Łańcuchy i podwójne łańcuchy Cyrkon •ZrSiO4 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 7 Krzemiany pierścieniowe Krzemiany łańcuchowe: Pirokseny i Amfibole Czworościany stykają się narożami tworząc Pirokseny: zawierają pojedynczy łańcuch pierścienie trój- cztero- lub sześcio-elementowe. Pierścienie układają się w równoległe warstwy. – beryl – turmalin Beryl (najpowszechniejszy - augite = Ca(Mg,Fe)Si2O6), aegirine = NaFeSi2O6). Amfibole: zawierają podwójny łańcuch krzemianowy (hornblende = Ca2(Mg,Fe)4Al(Si7Al)O22(OH,F)2). Piroksen, Be3Al2Si6O18 Amfibol Mg2Si2O6, Turmalin –Są trudne do odróżnienia; rozróżnia się je po kątach pomiędzy płaszczyznami łupliwości: –pyroxene (90o). – amphibole (120o). 8 Krzemiany warstwowe: minerały ilaste, miki, serpentyny,.. Serpentyn Zawierają płaszczyzny tetraedrów Grupa serpentynu to trzy odmiany polimorficzne 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; o składzie Mg6Si4O10(OH)8. – Chrysotile to komercyjna odmiana azbestu. Kaolinit Krzemiany szkieletowe Al2Si2O5(OH)4 Krzemiany, w których sieć tetraedrów jest trójwymiarowa. – Najbardziej spektakularnym przykładem jest kwarc, zbudowany jest wyłącznie z czworościanów SiO24-. 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. Kwarc Czysty (prawie) kwarc jest biały lub przezroczysty. – Inny kolor wynika z niewielkich ilości domieszek (Fe, Al., Ti,..) oraz ciekawych zjawisk fizycznych opisanych na poprzednich slajdach. Kwarc zawsze zawiera domieszki Al3+ (1/10000 Si). Brak ładunku kompensowany jest jonami H+ lub Na+. Taki kwarc jest przezroczysty lub mleczno-biały, ale.. 9 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 Różowy kwarc i włókna dumortieritu wewnątrz kwarcu; Kwarc Kwarc Kwarc, który zamiast domieszki Al3+ zawiera Drobnoziarniste (skrytokrystaliczne) formy żelazo Fe3+ jest żółty lub brązowawy. Jest to cytryn. Gdy cytryn zostanie naświetlony (jak poprzednio) i powstaną w nim centra barwne otrzymujemy fioletowy ametyst. kwarcu to – Rogowiec (ang. Chert) – Chalcedon; – Opal; Kwarc Kwarc Kolor kwarcu różowego wynika z obecności w – Dumortierit to glinokrzemian Al7(BO3)(SiO4)3O2.5(OH)0.5, którego różowy kolor wynika z przeskoku elektronu pomiędzy domieszkami Fe i Ti; 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 nim włókien innego minerału: dumortieritu; 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; 10 Skalenie Kalcyt i dolomit – Kalcyt: CaCO3 – Dolomit: CaMg(CO3)2 Skalenie to również krzemiany szkieletowe: – Najpowszechniejsza grupa minerałów w skorupie ziemskiej (około 60%); – Tworzy się poprzez polimeryzację. Przykład: mikroklin (KAlSi3O8) Siarczany Gips: uwodniony siarczan wapnia (CaSO4*2H2O) Anhydryt:(CaSO4) Węglany (CO3)2-, fosforany (PO4)3- i siarczany (SO4)2- Węglany Siarczany Anion węglanowy, (CO3)2-, tworzy trzy rozpowszechnione minerały: • Kalcyt. • Aragonit. • Dolomit. 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) 11 galena Fosforany Siarczki - źródło metali Najważniejszym fosforanem jest apatyt Piryt (FeS2) i pyrrhotit (FeS) są • 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. 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. Diament i grafit 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). 12 SKAŁY 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. Udział skał osadowych i wulkanicznych w skorupie ziemskiej Procesy, w których tworzą się minerały, skały i inne geomateriały Wulkanizm; Erozja; Wietrzenie; Tworzenie gleby; Litifikacja; Wulkanizm i tektonizm – Wulkanizm – ruchy stopionych skał; – Tektonizm – Ruchy stałego materiału w skorupie ziemskiej (tworzenie się gór); – Oba procesy zachodzą jednocześnie. 13 Erozja Powstawanie gleby Pod działaniem wiatru, deszczu i lodu skały Wskutek wietrzenia lita skała rozpada się na niszczą się i zmieniają. Te, które znajdują się wysoko wskutek działania grawitacji i płynącej wody przemieszczają się w dół. Erozja – procesy niszczenia i przemieszczania skał. Erozja i powstawanie osadów drobne cząstki; Cząstki skał mieszają się z materiałem organicznym: – Bakterie i grzyby dekomponują pozostałości roślin i zwierząt, same też stają się glebą; – Różne owady i inne zwierzęta rozkopują i mieszają wszystko ze wszystkim; Glacial Polish and Striations • Glacial Polish: Smooth, reflective surface formed by abrasion as the glacier moves over a rock surface Glacial Striations and Grooves: Straight scratches and grooves caused by rocks in the base of the glacier. Can indicate direction of movement Wietrzenie Lityfikacja Stopniowa dezintegracja skał: – Chemiczne wietrzenie • Powietrze, woda i węgiel reagując tworzą kwas węglowy, który rozpuszcza większość minerałów (z wyjątkiem kwarcu); – Mechaniczne wietrzenie • Zamarzanie lodu w szczelinach; • Korzenie roślin i działanie wiatru; Gdy osady zostaną przykryte przez następne osady, twardnieją w skałę: jest to proces lityfikacji (materiał staje się lity) – – – – Kompakcja – ściskanie sypkich materiałów w materiał lity; Usuwanie wody pod wpływem ciśnienia i temperatury; Rekrystalizacja minerałów; Cementcja – "sklejanie" fragmentów skał za pomocą związków chemicznych osadzonych przez płynącą wodę; 14 Pyroxene (e.g., augite) (single chain) Amphibole (e.g., hornblende) (double chain) series Andesite/ diorite (Intermediate temperature) Calcium-rich plagioclase (e.g., anorthite) (framework) Micas (e.g., biotite) (sheet silicate) Rhyolite/ granite (Low temperature) Con tin serieuous s Basalt/ 3_11 gabbro (High temperature) All Molten First crystals form Olivine (Independent tetrahedra) Discontinuous Inżynieria materiałowa a skały i minerały ROCK PRODUCED Sodium-rich plagioclase (e.g., albite) (framework) Potassium-rich feldspar (e.g., orthoclase) (framework) Muscovite mica (sheet silicate) Quartz (framework) Three compositions, w/ different minerals, each with a characteristic cooling stage 2 - C Systems Magma A. Systems with Complete Solid Solution 1. Plagioclase (AbAb-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8) Magma składa się z trzech składników: – Ciecz; – Składniki stałe (minerały, które już skrystalizowały w danej temperaturze); – Gazy rozpuszczone w cieczy (H2O, CO2, SO2). Fig. 6-8. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1913) Amer. J. Sci., 35, 577-599. W trakcie chłodzenia, w magmie krystalizują minerały. Kolejność krystalizacji poszczególnych minerałów wynika z ich temperatury topnienia (seria Bowena). Bowen’s Reaction Series Augit (diopsyd) krystalizuje najpierw, później - Plagioklaz Aug Aug Aug Pl Aug Aug Gabbro proveniente dallo Stillwater Complex, Montana (da J. Winter, 1999) Water + metals 15 Najpierw krystalizuje anortyt Rodzaje skał wulkanicznych Skały wulkaniczne (wylewne) – Powstają na powierzchni – Powstają z lawy lub materiału piroklastycznego; Skały głębinowe lub plutoniczne – Powstają z magmy wstrzykniętej do skorupy ziemskiej ; – Powstają wewnątrz skorupy ziemskiej; Dicco di diabase (basalto) basalto) – Zbudowane ze skał plutonicznych. Skały wulkaniczne Tekstury skał wulkanicznych Skały wulkaniczne zawierają przemieszane, nieregularne kryształy różnych minerałów: – 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); – kwarc, skalenie, mika, minerały ferromagnetyczne; – Minerały krystalizują z lepkiej stopionej skały; Skały wulkaniczne Wszystkie skały wulkaniczne – Powstają z magmy, – Powstają z lawy, – Powstają z materiałów piroklastycznych. Plutony to obiekty Tekstury skał wulkanicznych Szklista Vesicular texture Pyroklastyczna W czasie chłodzenia tworzyły się bąble gazu cząstki rozproszone w czasie wybuchu i następnie sprasowane Magma to stopiony materiał pod powierzchnią; Lawa to stopiony materiał na powierzchni; Piroklastyczny materiał to cząsti takie jak popiół wulkaniczny. chłodzenie bardzo szybkie 16 Klasyfikacja skał wulkanicznych Przykłady 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) Klasyfikacja 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; Przykłady skał wulkanicznych Inne skały osadowe osady chemiczne i biochemiczne Basalt Andesite Gabbro – wapień (drobnoziarnista skała, głównie kalcyt); – rogowiec (Chert); rafy koralowe Diorite 17 Skały osadowe Przykład zmiany tekstury Rock gypsum Fossiliferous limestone Często, pod wpływem ciśnienia powstaje Rock salt Chert tekstura warstwowa Coal Skały metamorficzne Przykłady skał metamorficznych Powstają wskutek działania wysokich ciśnień i temperatury na skały pod powierzchnią Ziemi. Dodatkowym czynnikiem jest aktywność chemiczna magmy. Slate Gneiss Skały metamorficzne Literatura Wskutek dzialania czynników zewnętrznych może zmienić się: – skład minerału (tworzy się nowy); – tekstura minerału; – jedno i drugie. Schist Marble Quartzite 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. 18