Budowa Ziemi. Wykład BUDOWA ZIEMI, SKAŁY I MINERAŁY CZĘŚC I (1 rok - Budownictwo)

Transkrypt

1 Wykład BUDOWA ZIEMI, SKAŁY I MINERAŁY CZĘŚC I (1 rok - Budownictwo) Geologia z greckiego. Ge. oznacza ziemia, logos nauka. Geologia jest nauką o budowie Ziemi i procesach, jakie zachodzą w jej wnętrzu i na jej powierzchni. Geologię możemy podzielić na nauki stosowane oraz nauki podstawowe. Do nauk podstawowych zaliczamy m.in.: Geologia dynamiczna nauka o ruchach i zmianach dynamicznych w skorupie ziemskiej. Zajmująca się badaniem procesów egzogenicznych i endogenicznych Geomorfologia ukształtowanie powierzchni terenu Petrografia nauka o skałach Mineralogia nauka o minerałach, czyli głównych składnikach skał Geofizyka Geochemia Geologia historyczna stratygrafia, paleontologia Geologia regionalna Do geologii stosowanej zaliczamy: Geologie inżynierska nauka o wierzchnich partiach ziemi, Geologia poszukiwawcza Hydrogeologia Budowa Ziemi Kula ziemska ma budowę strefową. Składa się ona z trzech stref. Najbardziej zewnętrzna warstwa nosi nazwę skorupy ziemskiej. Pod nią leży strefa zwana płaszczem, a poniżej płaszcza znajduje się wewnętrzna strefa Ziemi, czyli jądro. Skorupa ziemska Jest w stałym stanie skupienia i nie wszędzie jest jednakowa. Badania fal sejsmicznych pozwoliły ustalić, że na obszarach kontynentów wynosi około 30 km, a pod łańcuchami górskimi wzrasta do 70 km. Znacznie cieńsza jest pod dnem oceanów gdzie osiąga zaledwie kilkanaście km. W obrębie skorupy ziemskiej rozróżniamy skorupę kontynentalną oraz oceaniczna. Skorupa kontynentalna ma budowę trójwarstwową: Warstwa osadowa o grubości od 0-20km Warstwa granitowa zbudowana ze skał magmowych i metamorficznych o składzie przypominającym granity Warstwa bazaltowa - zbudowana ze skał przypominających bazalt. Skorupa oceaniczna dzieli się na: Warstwę osadowa - 0 do kilku km Warstwę osadowo wulkaniczną (przewarstwienia osadów z lawami wulkanicznymi) Warstwa bazaltowa Litosfera to skorupa ziemska i górna część (warstwa perydotytowa) górnego płaszcza. Ofiolity fragment oceanicznej skorupy ziemskiej i górnego płaszcza, oderwane w procesie subdukcji od płyty dolnej i włączone do płyty górnej Płaszcz Ziemi jest dużo grubszy od skorupy ziemskiej, jest on zbudowany z materii w stanie stałym, różniącej się jednak gęstością od skał litosfery. W jego wnętrzu jest olbrzymie ciśnienie, na każde 3,2 m przybywa 1 atm. ciśnienia. Najwyższą częścią

2 płaszcza Ziemi jest Astenosfera. Jest ona półplastyczna. Zaczyna się na głębokości od kilku km (pod grzbietami śródoceanicznymi) do 80 i 100 km a nawet czasem 200 km pod tarczami (starymi kontynentami). Płaszcz w górnej części zbudowany jest z, Cr, Fe, Si, Mg a dolna część zawiera jeszcze Ni. W górnym płaszczu ziemi występują perydotyty, czyli skały magmowe głębinowe, skrajnie melanokratyczne o zawartości krzemionki poniżej 45 %, bogate w oliwiny Jądro występuje poniżej nieciągłości Gutenberga, czyli poniżej 2900 km. Informacje dotyczące budowy tej części ziemi pochodzą jedynie z prędkości przebiegu fal sejsmicznych. Jego budowa nie jest jednorodna. Jądro zewnętrzne jest w formie cieczy, zbudowane ze stopionego Ni i Fe. Jądro wewnętrzne natomiast występuje w formie ciała stałego o składzie Fe i Ni. Stan termiczny Ziemi Temperatura Ziemi Temperatura ziemi wzrasta wraz z głębokością. Przyjmuje się, że może przyjmować stopni C w głębi Ziemi. Wzrost temperatury wraz z głębokością nazywamy stopniem geotermicznym. Dla Polski średnia wartość stopnia geotermicznego wynosi 31 stopni, czyli na każde 31m głębokości temp wzrasta o 1 stopień C. Stopień geotermiczny nie jest stały, zależy od budowy geologicznej, najmniejszy jest pod oceanami największy zaś pod platformami Skład chemiczny globu ziemskiego Geochemia to nauka, która zajmuje się składem chemicznym poszczególnych warstw Ziemi i procesami w nich zachodzącymi zarówno dzisiaj, jak i w przeszłości. O składzie chemicznym Ziemi wnioskujemy na podstawie analiz chemicznych znajdowanych skał, badań geofizycznych, a także badań składu meteorytów. Skład chemiczny (w %) skorupy ziemskiej: tlen 44,6, krzem 27,72, glin 8,13, żelazo 5,0, wapń 3,63, sód 2,83, potas 2,59, magnez 2,09. Związki chemiczne wiążą się w minerały, które stanowią podstawowy składnik skał. Podstawowe definicje Minerał Pierwiastek lub grupa pierwiastków powstałych w wyniku naturalnych procesów geologicznych. Główny budulec skały. Może występować w formie krystalicznej to znaczy, że w jego budowie możemy wyróżnić wyraźny pokrój krystalograficzny: tj. ściany, krawędzie itp. Jak np.: kwarc, skalenie. Może przyjmować również formę amorficzną, czyli bezpostaciową jak np.: opal. Minerały wykazują konkretne cechy fizyczne, mechaniczne i optyczne na podstawie, których jesteśmy wstanie je od siebie odróżnić. Są to miedzy innymi połysk, barwa, twardość, przełom, łupliwość. Skała: zespół złożony z jednego bądź więcej minerałów, powstały wskutek działania procesów geologicznych lub kosmologicznych. Skała może być skonsolidowana lub nieskonsolidowana. Definicja ta nie obejmuje gleby. Ze względu na warunki tworzenia wyróżnia się skały magmowe, osadowe i metamorficzne. Zaś ze względu na skład mineralny skały mono-i polimineralne.

3 Cykl skalny Procesy geologiczne przebiegały w sposób cykliczny. Z procesów wietrzenia i erozji (procesy niszczące) dochodziło do gromadzenia się znacznej części osadów. Przy osiągnięciu dużej miąższości osady te pogrążały się głęboko, a następnie wyniku procesów górotwórczych, ulegały sfałdowaniu-, przy czym deformacjom tym towarzyszyły zjawiska ogniowe, czyli wybuchy wulkanów, przeobrażenia metamorficzne. Zdeformowane utwory ulegały piętrzeniu, powstawały łańcuchy górskie. Zwykle tym zjawiskom towarzyszyło podnoszenie kontynentów. Taki okres nazywano epejrokratycznym (okres dużego znaczenia lądów). Wypiętrzone góry i kontynenty z czasem ulegały pewnej destrukcji i obniżeniu. Z biegiem czasu były tak niskie, że morze było wstanie w znacznej części je zalać. Jest to okres talassokratyczny. góry silnie obniżone, kontynenty niskie i przeważnie zalane przez morze, a w głębokich rynnach gromadzą się osady. Po jakimś czasie następuje znowu okres deformacji, dochodzi do sfałdowania osadów, powstają góry i dźwigają się kontynenty. Okresy epejrokratyczny i talassokratyczny wielokrotnie wstępowały po sobie w dziejach Ziemi. Taki proces określamy jako cykl geologiczny. Z cyklem geologicznym nieodzownie związany jest cykl skalny. Formy występowania minerałów: Skupienia mineralne szczotka krystaliczna (kwarc), skupienia tabliczkowe (biotyt), konkrecja (syderyt), sekrecja(agat), wystąpienia dendrytyczne (mangan), skupienia włókniste (azbest) Skały magmowe Minerały główne poboczne i akcesoryczne wyjaśnić pojęcia Minerały skałotwórcze skał magmowych Minerały poboczne i akcesoryczne skał magmowych Ewolucja składu magmy Skład chemiczny magmy podczas przemieszczania się, a w szczególności na etapie stagnowania w przejściowej lub końcowej komorze magmowej, zmienia się. Ewolucja ta zachodzi pod wpływem takich procesów jak dyferencjacja (różnicowanie), która może być spowodowana: likwacją (odmieszanie) polega na domieszaniu się składników stanu pierwotnego i utworów oddzielnych faz cieplnych o różnym składzie chemicznym i gęstości. Odbywa się pod wpływem siły ciężkości. konwekcją odbywa się przy znacznym udziale składników lotnych. Jeżeli magma posiada składniki lotne, dochodzi do wymiany fazy gazowej. Składniki lotne przemieszczają się ku górze. Następuje oddestylowanie magmy i uwalnianie się od wcześniej wydzielonych kryształów. dyfuzją termiczną polega na wędrówce pewnych jonów. Jony wędrują ku zewnętrznym, chłodniejszym partiom zbiornika magmowego. Dyfuzja termiczna może prowadzić do znacznego zróżnicowania składu mineralnego skał żyłowych. asymilacją jest wynikiem nadtapiania się skał otaczających zbiornik magmowy. Może być również wynikiem wymiany składników zbiornika z magmą.

4 frakcyjną krystalizacją magmy wydzielanie się kryształów za stopu magmowego w czasie krzepnięcia wskutek obniżania temperatury. Przebieg procesów spowodowanych frakcyjną krystalizacją magmy zależy od szybkości krzepnięcia magmy. Minerał wykrystalizowuje i jeżeli jest lżejszy - wędruje do góry, jeśli cięższy - do dołu (jest to dyferencjacja grawitacyjna, dotyczy ona również płynnej magmy, która rozdziela się na frakcje różniące się gęstością). W czasie frakcyjnej krystalizacji magmy występują trzy etapy: v etap wczesnej krystalizacji magma jest gorąca, wydzielają się oliwiny, powstają rudy metali (chromit) i jako cięższe oddzielają się od magmy. Powstają skały należące do perydotytów. Później powstają z nagromadzenia piroksenu piroksenity. Plagioklazy wędrują do góry. Może powstać np. skała zwana anortozytem. v główne stadium krystalizacji krystalizują nadal pirokseny i plagioklazy, labrador i andezyt. Nie mają one w swoim składzie wody i jonu OH-. Magma jest wzbogacana w składniki lotne. Obok piroksenów powstają amfibole, zawierające grupę hydroksylową. Powstają zespoły mineralne plagioklazów i piroksenów. Z ich nagromadzenia powstają skały o składzie gabra i diorytu z amfibol i piroksenów. Pod koniec tego etapu magma ubożeje w tlenki magnezu, żelaza i wapnia, bo weszły one w skład amfiboli, piroksenów i plagioklazów. Wzbogaca się natomiast w tlenki sodu, potasu i krzemionki. Zostaje bardzo dużo składników lotnych. Krystalizują plagioklazy zasobne w albit i tworzy się biotyt. Z nich powstaną m.in. granodioryty. v stadium końcowe krystalizacji magmy magma ma charakter resztkowy. Powstają wtedy granity i sjenity. Przeważa skaleń potasowy (ortoklaz), jest duża zawartość krzemionki. Krystalizuje biotyt (z ciemnych minerałów). Temperatura magmy jest powyżej 600ºC. W temperaturze między 600 a 500ºC następuje etap pegmatytowy. Zasadniczą rolę skałotwórczą odgrywają resztki magmowe (rozrzedzone krzemiany). Powstają pegmatyty. Dalej trwa etap pneumatolityczny ( ºC), gdzie przy znacznym udziale gazów silnie sprężonych magma przenika wydzielone już minerały i zbiorniki magmowe. Powstają: turmalin, topaz, beryl. Magma stygnie (temperatura poniżej 400ºC). Powstają inne minerały z bardzo dobrze wykształconymi kryształami. Jest to etap hydrotermalny. W tym etapie następuje oddzielenie gorących zmineralizowanych wód i tzw. resztek pomagmowych, które krążąc szczelinami i porami w skałach utworzonych z zastygłej już magmy (oraz przenikając do innych okolicznych masywów skalnych), powodują przemiany chemiczne okolicznych skał a także dalej stygnąc tworzą wartościowe złoża np. kwarcu, wiele złóż różnych metali i innych minerałów (tzw. szeregi reakcyjne Bowena). Klasyfikacja skał magmowych ze względu na zawartość SiO 2 (wg. A. Bolewski) v Skały kwaśne przesycone krzemionka o jej zawartości powyżej 65 % (są barwy jasnej, duża zawartość minerałów jasnych, kwarcu) v Skały obojętne (pośrednie) wysycane krzemionka zawartość SiO 2 od 53 65% v Skały zasadowe (bazyty) z niedoborem krzemionki % v Skały ultrazasadowe (ultrabazyty) poniżej 44% SiO 2

5 Formy występowania skał magmowych Intruzje magmowe - powstają w wyniku zastygania magmy wdzierającej się w skorupę ziemską). W zależności od kształtu intruzji i ich stosunku do otaczających skał możemy wyróżni intruzje zgodne i niezgodne. Intruzje zgodne charakteryzują się tym, że ich ściany pokrywają się z powierzchniami strukturalnymi otaczających skał. Do nich należą m.in., sille, lakkolity, lopolity i fakolity. Sille żyły pokładowe, lakkolity w kształcie bochenka lub grzyby wciśnięte miedzy warstwę. Lopolity są również bochenkowate, stanowią przeciwieństwo do lakolitów są wypukłe ku dołowi. Fakolity to ciała magmowe wciśnięte miedzy warstwy w przegubach fałdów. Intruzje niezgodne przecinają powierzchnie strukturalna. Dajki, etmolity i żyły kominowe(pnie). Dajki to intruzje w formie żył biegnących w poprzek warstw Etmolity intruzje lejkowate zwężające się ku dołowi, skośnie przecinające warstwy skalne Żyła kominowa - kształt pionowego walca, niewielkiej średnicy. Batolity wielkie masywy najczęściej granitoidów Charakterystyka skał magmowych Klasa granitu i ryolitu Głębinowe skały z tej grupy określane są ogólnym terminem granitoidów. Są to skały kwaśne, zbudowane w przeważającej mierze z takich minerałów jak kwarc,skalenie alkaiczne (ortoklaz) oraz miki, rzadziej spotykane są amfibole i pirokseny. Do grupy skał głębinowych kwaśnych zaliczamy, tonality, granodioryty i granity. Są skałami najczęściej barwy jasnej, biało szare, biało różowo szare lub różowo - szare. O wielkości kryształów rozpoznawalnych gołym okiem (struktura jest jawnokrystaliczna) i silnie do siebie przylegających(tekstura zbita). W przypadku skał kwaśnych wylewnych wyróżniamy grupę porfirów kwarcowych, w których mamy m.in. dacyt, ryodacyt i ryolit. Ich barwy są zielonawe oraz czerwonawe lub brunatne, zależne od stopnia utlenienia Fe. Fenokryształy mogą być reprezentowane przez skalenie (ortoklaz, sanidyn), kwarc, i/lub biotyt oraz hornblendę. Tło skalne najczęściej jest drobno lub mikrokrystaliczne, zbudowane z masy kwarcowo skaleniowej. Trzeba pamiętać, że są to dwie skały o takim samym składzie mineralnym różnice się miejscem tworzenia oraz strukturą. Kwaśne skały żyłowe Grubokrystaliczne granity wykazują tendencje do przechodzenia w bardzo grubokrystaliczne skał nazywanych pegmatytami a średniokrystaliczne - do drobnokrystalicznych aplitów. Pegmatyty najczęściej składają się ze skaleni (zwłaszcza alkalicznych) i kwarcu, rzadziej zawierają miki (muskowit i/lub biotyt) tworzące wtedy skupienia grubych agregatów. Występowanie skał magmowych kwaśnych w Polsce Tatary, Dolny Śląsk (masyw,: Strzelina - Żulowa, Strzegom-Sobótka, masyw karkonoski, masyw łużycki). Wylewne kwaśne porfiry: rejon podkrakowski tj.,

6 Miękinia, Zalas, na Dolnym Śląsku - intruzje strefy niemczy, masyw kłodzko złotostocki. Północna część Polski rejon Suwałk (podłoże krystaliczne nawiercane), oraz liczne głazy narzutowe najczęściej granitowe (polodowcowe) w środkowej i północnej części Polski. Pegmatyty w formie intruzji liczne na Dolnym Śląsku np.: w masywie Strzegom Sobótka Klasa sjenitu i trachitu Grupa skał obojętnych zasobnych w skalenie alkaliczne. Sjenity zbudowane są w przewadze ze skalani alkalicznych ( ortoklaz lub/i mikroklin, często pertyty) i podrzędnie plagioklazów (oligoklaz, albit). Pozostałe minerały to biotyt, hornblenda, czasami augit, akcesorycznie może spotykany być kwarc. Skały te mają struktury jawnokrystaliczne często porfirowate. Wulkaniczne odpowiedniki sjenitów trachity mają jako fenokryształy głównie skalenie alkaliczne. Fenokryształami mogą być też biotyt, amfibole i pirokseny. Struktura jest trachitowa ciasto skalne to listewki lub wydłużone mikrolity skaleni ułożone fluidalnie, opływające feneokryształy. Trachity są najczęściej jasnoszare, czerwone lub brunatne. Klasa diorytu i andezytu Skały obojętne Dioryty skały plutoniczne, szare w różnych odcieniach, zbudowane z plagioklazów (andezynu), piroksenów jednoskośnych (augit) i rombowy hipersten, zielonej i brązowej hornblendy czasem biotytu. W pojedynczych ziarnach mogą występować ortoklaz, kwarc, a składnikami akcesorycznymi bywają minerały nieprzezroczyste apatyt i tytanit. Struktury są średniokrystaliczne, tekstury zbite nieuporządkowane Występowanie diorytów Dolny Śląsk intruzja strefy Niemczy, masyw kłodzko - złotostocki Andezyty skały wulkaniczne szare, rzadko ciemnoszaro lub szaroróżowe z wyraźnymi fenokryształami jasnoszarych plagioklazów oraz ciemno szarych lub czarnych piroksenów i amfiboli. Tło andezytów makroskopowo trudne o rozpoznania jest skrytokrystaliczne lub drobno, średniokrystaliczne. Struktury tych skał są nierównoziarniste: porfirowe. Tekstury andezytów są przeważnie zbite rzadko porowate lub migdałowcowe Występowanie andezytów Góra Wżar (PPS) Klasa gabra i bazaltu Skały zasadowe częściowo obojętne. Typowe skały grupy gabra są zbudowane głównie z silnie wapniowych plagioklazów w ilości (35-100%) oraz minerałów:piroksenów i/lub amfiboli, minerałów nieprzezroczystych, biotytu. Głębinowe skały mają struktury grubo i średniokrystaliczne, tekstury zbite, bezkierunkowe. Gabro oliwinowe (plagioklaz i piroksen, podrzędnie oliwin), troktolit (plagioklaz i oliwin podrzędnie piroksen) skały te nawet po lekkim zwietrzeniu wykazują obecność charakterystycznych czerwonych plamek iddingsytu, będącego mieszaniną wodorotlenków Fe i mi. ilastych są makroskopowo określane polskim terminem pstrągowca. Wulkaniczne skały klasy gabra - bazalty najczęściej skały o strukturze drobno bądź skrytokrystalicznej strukturze i zbitej teksturze, górne partie potoków lawowych są zwykle porowate. Zbudowane są głównie z silnie wapniowych plagioklazów (labrador

7 bytownit) i piroksenów (augit, hipersten) oraz tlenków Fe Ti (magnetyt, ilmenit), apatytu czasem brunatnego szkliwa. Może im towarzyszyć oliwin, amfibol, biotyt. Najczęściej prakryształami są pirokseny i oliwiny rzadziej plagioklazy. W bazaltach morze występować kwarc, ale jako minerał wtórny powstały przez rekrystalizacje szkliwa Termin melafir - został zdyskredytowany określał on nazwane stosowana do opisu tzw. starych bazaltów, czyli paleozoiczne skały wylewne odpowiadające składem bazaltom, najczęściej zmienione o teksturach porowatych lub migdałowcowych często fluidalnych o szarych bądź brunatnoczerwonych barwach. Wypełnieniami pełcherzyków są najczęściej kalcyt, opal, chalcedon, spotyka się tez chloryty. Takie wypełnienia, czyli migdały mają typowe obłe kształty. Struktury są często porfirowe Występowanie Gabra masyw Ślęży, masyw gabrowo diabazowy Nowej Rudy, gabra Świerklańca, masyw gabrowo serpentynitowy Grochowej Broszowic, gabra Lewina Kłodzkiego Bazalty Strzegom (intruzje) Melafiry rejon Krzeszowic (podkrakowski) Regulice, Brodło, Dolny Śląsk Perydotyty Skały ultrazasadowe głównie głębinowe, zbudowane w różnych proporcjach z oliwinów i piroksenów. W perydotytach oliwiny występują w ilościach %, prawie monomineralną odmianą (>90% oliwinu) jest dunit. Przewaga oliwinów, piroksenów i amfiboli sprawia, że skały te często są czarne lub szaroczarne. Ich struktura jest średnia lub grubokrystaliczna Występowanie Skrajnie melanokratyczne występują w intruzji na południe od Augustowa zdarzają się również wśród głazów narzutowych w utworach lodowcowych Szkliwa wulkaniczne Skały o strukturach szklistych lub szklisto porfirowych zwą się obsydianami, ich barwa może być czerwona, zielona lub czarna (smołowiec). Okruchy szkliwa mogą być zbite lub porowate z różnej ilości pęcherzykami. Gąbczaste przeźroczyste szkliwo makroskopowo koloru białego, szarego, brunatnego powstaje przeważnie z kwaśnej magmy o dużej lepkości, jest nazywane pumeksem. Dzięki obfitości pęcherzyków gazowych okruchy pumeksu mogą unosić się w wodzie. Gospodarcze znaczenie skał magmowych Skały magmowe często stanowią złoża kamieni budowlanych i drogowych. Z poddawanych na obróbkę kamieniarska tzw. Kamieni ciosowych wykonuje się różnego typu elementy np.: płyty, bloki, kostki, krawężniki i inne. Podatnymi na obróbkę kamieniarska z odpowiednia wytrzymałością i odpornością na działanie czynników atmosferycznych odznaczają się przede wszystkim: granity, dioryty, sjenity niektóre gabra a z wulkanicznych:bazalty, andezyty i porfiry. Mają one szerokie zastosowanie jako kamień ozdobny, kamień rzeźbiarski. Naturalne szkliwa wulkaniczne - obsydiany mają zastosowanie jako kamień jubilerski. Z odpadów powstających przy obróbce kamieniarskiej produkuje się kamień łamany, kruszywo łamane oraz mączki do asfaltu, mas bitumicznych. Najlepsze kruszywa uzyskuje się z bazaltów, diabazów, melafirów, porfirów.

8 Bazalty i pokrewne skały alkaliczne a także diabazy, andezyty są stosowane do wyrobu rur, wykładzin o wysokiej odporności chemicznej i mechanicznej. Topione bazalty i alkaliczne ich odpowiedniki melafiry, gabra służą do wyrobu wełny mineralnej. Mączka bazaltowa służy do barwienia szkła opakowe oraz jako składnik szkliw ceramicznych. Niektóre odmiany andezytów stosuje się jako materiały kwasoodporne. Ponadto w obrębie skał magmowych występują koncentracje mineralne, które to stanowią złoża kopalin użytecznych. Opracowała na podstawie materiałów źródłowych Dr inż. A. Pękala