Transcript
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
