Krystalografia II Elementy mineralogii 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). 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 Wiedza na ten temat bazuje głównie na teorii i skałach pochodzących z górnych warstw płaszcza Górne warstwy płaszcza w większości minerały ferromagnetyczne; Zewnętrzny rdzeń najprawdopodobniej ciekłe żelazo; Wewnętrzny rdzeń najprawdopodobniej stały nikiel i żelazo; Skład minerałów Niektóre zbudowane są z pojedynczego pierwiastka (np. diament, grafit, złoto, miedźi siarka). Większość minerałów to związki chemiczne. 1
Struktura krystaliczna minerałów Kolor Struktura krystaliczna to coś, czego na zajęciach z krystalografii nie trzeba definiować; Substancje naturalne niekrystaliczne to np. bursztyn i szkło (mineraloidy). Skąd w ogóle wynika kolor? Obiekt jest kolorowy wtedy, gdy jakiś proces absorpcji usuwa niektóre długości fali ze światła widzialnego. Niebieski szafir w świetle świecy wydaje się czarny. Dlaczego? Właściwości fizyczne minerałów Kolor 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 Skąd wynika kolor minerałów: Domieszki jonów metali; Przeskok elektronu pomiędzy dwoma atomami; Centra barwne; Fluorescencja; Efekty interferencyjne; Skład czystych minerałów; 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). Połysk - dwa główne rodzaje metaliczny niemeteliczny Szklisty matowy Tłusty ziemisty woskowy błyszczący Aquamarine = niebieski: Fe 2+ Helicodor = złoty: Fe 3+ Zielony beryl= Fe 2+, Fe 3+ Morganit = różowy: Mn 2+ Czerwony beryl = Mn 3+ Zielony szmaragd= Cr 3+ Be 3 Al 2 Si 6 O 18 2
Domieszki jonów metali Ważnym czynnikiem jest stopień utlenienia jonów (np. Fe 2+ lub Fe 3+ ) Np. : ogrzewanie zielonego lub niebieskiego berylu redukuje jony żelaza i beryl staje się niebieski (Co znacznie zwiększa jego wartość) Domieszki jonów metali Przyczyną, dla której różne kryształy domieszkowane tym samym jonem mają różne kolory jest pole krystaliczne. Domieszki jonów metali Przeskok ładunku między atomami Te same domieszki różnie zabarwiają różne minerały rubin (czerwony) i szmaragd (zielony) zawdzięczają swój kolor jonom Cr 3+ w otoczeniu oktaedrycznym Elektron absorbując foton przechodzi od jednego atomu do innego Np. między tlenem a jonem metalu Między kationami tego samego pierwiastka (Fe 2+ -Fe 3+ ) Między różnymi kationami; Np. niebieski kolor szafiru wynika z absorpcji czerwonego światła aby: Fe 2+ i Ti 4+ Fe 3+ and Ti 3+. Domieszki jonów metali 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 Cyrkon jest bezbarwny, cyrkon zawierający domieszkę U jest niebieski Cyrkon zniszczony promieniowaniem U jest brązowoczerwony Wskutek ogrzewania brązowy cyrkon staje się znowu niebieski! Centra barwne 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 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. Krzemiany (SiO 4 ) 4-, najbardziej rozpowszechnione w skorupie ziemskiej; Węglany (CO 3 ) 2-, fosforany (PO 4 ) 3- i siarczany (SO 4 ) 2- ; Pierwiastki rodzime, siarczki (S 2- ) i tlenki (O 2- ) metali. Krzemiany Dwa pierwiastki: tlen i krzem stanowią razem ponad 70% masy skorupy ziemskiej. Podstawowym elementem krzemianów jest czworościan SiO 4 2- Główne minerały w skałach Krzemiany Kwarc Skaleń Mika Minerały ferromagnetyczne Minerały ilaste Kalcyt Kryształy mogą zawierać: Pojedyncze jony SiO 4 połączone poprzez dodatnie jony metali; Grupy tetraedrów; Pierścienie; Ciągłe łańcuchy tetraedrów SiO 4; 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 ZrSiO 4 Krzemiany grupowe Dwa czworościany stykają się ze sobą wierzchołkiem. Powstaje grupa (Si 2 O 9 ) 10-, 10 ładunków ujemnych neutralizuje się poprzez dołączenie kationów metali i grup wodorotlenowych. Zoisyt Ca 2 Al 3 O OH SiO 4 Si 2 O 7 7
Krzemiany pierścieniowe Czworościany stykają się narożami tworząc pierścienie trój- cztero- lub sześcio-elementowe. Pierścienie układają się w równoległe warstwy. beryl turmalin Krzemiany łańcuchowe: Pirokseny i Amfibole Pirokseny: zawierają pojedynczy łańcuch (najpowszechniejszy - augite = Ca(Mg,Fe)Si 2 O 6 ), aegirine = NaFeSi 2 O 6 ). Amfibole: zawierają podwójny łańcuch krzemianowy (hornblende = Ca 2 (Mg,Fe) 4 Al(Si 7 Al)O 22 (OH,F) 2 ). Beryl Piroksen, Amfibol Be 3 Al 2 Si 6 O 18 Mg 2 Si 2 O 6, Turmalin Są trudne do odróżnienia; rozróżnia się je po kątach pomiędzy płaszczyznami łupliwości: pyroxene (90 o ). amphibole (120 o ). 8
Krzemiany warstwowe: minerały ilaste, miki, serpentyny,.. Zawierają płaszczyzny tetraedrów krzemianowych; Kaolinit, Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 - jest jednym z głównych przedstawicieli minerałów ilastych (uwodnione glinokrzemiany). Inne: illit i montmorylonit. Muscowit, KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH) 2 - jeden z rodzajów miki. Serpentyny: azbesty; Serpentyn Grupa serpentynu to trzy odmiany polimorficzne o składzie Mg 6 Si 4 O 10 (OH) 8. Chrysotile to komercyjna odmiana azbestu. Kaolinit Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 Krzemiany szkieletowe Krzemiany, w których sieć tetraedrów jest trójwymiarowa. Najbardziej spektakularnym przykładem jest kwarc, zbudowany jest wyłącznie z czworościanów SiO 24 -. Muskowit Muscowit - mika- KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(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 Al 3+ (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 Al 3+ jest wybijany z atomu i pułapkowany przez H +. Czworościan AlO 4 staje się centrum barwnym, a kwarc kwarcem dymnym (szary-brązowyczarny). Kwarc Różowy kwarc i włókna dumortieritu wewnątrz kwarcu; Kwarc Kwarc, który zamiast domieszki Al 3+ zawiera żelazo Fe 3+ jest żółty lub brązowawy. Jest to cytryn. Gdy cytryn zostanie naświetlony (jak poprzednio) i powstaną w nim centra barwne - otrzymujemy fioletowy ametyst. Kwarc Drobnoziarniste (skrytokrystaliczne) formy kwarcu to Rogowiec (ang. Chert) Chalcedon; Opal; Kwarc Kolor kwarcu różowego wynika z obecności w nim włókien innego minerału: dumortieritu; Dumortierit to glinokrzemian Al 7 (BO 3 )(SiO 4 ) 3 O 2.5 (OH) 0.5, którego różowy kolor wynika z przeskoku elektronu pomiędzy domieszkami Fe i Ti; Kwarc Rogowiec bardzo drobnokrystaliczny kwarc Tworzy się poprzez rekrystalizację krzemianowych skamielin, Jasper odmiana z dodatkiem hematytu czerwony Krzemień odmiana zawierająca dodatki organiczne ciemne kolory Chalcedon mikrokrystaliczny kwarc często pasiasty(agat); Opal hydrożel (roztwór stały wody w krzemionce) tworzy się jako koloid, a następnie woda dyfunduje do krzemionki powoduje, że opal jest amorficzny; Opal powoli krystalizuje i staje się chalcedonem; 10
Skalenie Skalenie to również krzemiany szkieletowe: Najpowszechniejsza grupa minerałów w skorupie ziemskiej (około 60%); Tworzy się poprzez polimeryzację. Przykład: mikroklin (KAlSi 3 O 8 ) Kalcyt i dolomit Kalcyt: CaCO 3 Dolomit: CaMg(CO 3 ) 2 Siarczany Gips: uwodniony siarczan wapnia (CaSO 4 *2H 2 O) Anhydryt:(CaSO 4 ) Węglany (CO 3 ) 2-, fosforany (PO 4 ) 3- i siarczany (SO 4 ) 2- Węglany Siarczany Anion węglanowy, (CO 3 ) 2-, tworzy trzy rozpowszechnione minerały: Kalcyt. Aragonit. Dolomit. Baryt (BaSO 4 ), Celestyt (SrSO 4 ) i Anglesit (PbSO 4 ) ważne złoża, z których otrzymuje się odpowiednie pierwiastki. Te minerały maja dużą gęstość Baryt =4.5, Anglesit = 6.3 g/cm 3 (skalenie ~2.5) 11
galena Fosforany Siarczki - źródło metali Najważniejszym fosforanem jest apatyt Zawiera aniony ((PO 4 ) 3-. Występuje w różnych odmianach, np.ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,F,Cl). Stanowi główne źródło fosforu. Piryt (FeS 2 ) i pyrrhotit (FeS) są najpowszechniejsze; Galena (PbS), sfaleryt (ZnS), chalcopiryt (CuFeS 2 ). Również kobalt, rtęć, molibden i srebro są otrzymywane ze złóż siarczków; Pierwiastki rodzime, siarczki (S 2- ) i tlenki (O 2- ) i chlorki metali. Chlorki, fluorki,.. Halit (NaCl) i Sylvit (KCl) powstają w bardzo przesyconych roztworach wodnych; Fluoryt (CaF 2 ) wystepuje w żyłach związanych z wodami hydrotermalnymi. Diament i grafit Tlenki Tlenki żelaza, magnetyt (Fe 3 O 4 ) i hematyt (Fe 2 O 3 ), są najważniejszymi minerałami z grupy tlenków. Poza tym tlenkowe minerały to Rutyl (TiO 2 )-główne źródło tytanu; Cassiterite (SnO 2 ); Uraninite (U 3 O 8 ). 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. Procesy, w których tworzą się minerały, skały i inne geomateriały Wulkanizm; Erozja; Wietrzenie; Tworzenie gleby; Litifikacja; Udział skał osadowych i wulkanicznych w skorupie ziemskiej 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
Inżynieria materiałowa a skały i minerały ROCK PRODUCED Basalt/ 3_11 gabbro (High temperature) Andesite/ diorite (Intermediate temperature) Rhyolite/ granite (Low temperature) Olivine (Independent tetrahedra) Pyroxene (e.g., augite) (single chain) Amphibole (e.g., hornblende) (double chain) Micas (e.g., biotite) (sheet silicate) All Molten First crystals form Discontinuous series Muscovite mica (sheet silicate) Quartz (framework) Calcium-rich plagioclase (e.g., anorthite) (framework) Continuous series Sodium-rich plagioclase (e.g., albite) (framework) Potassium-rich feldspar (e.g., orthoclase) (framework) Three compositions, w/ different minerals, each with a characteristic cooling stage Magma Magma składa się z trzech składników: Ciecz; Składniki stałe (minerały, które już skrystalizowały w danej temperaturze); Gazy rozpuszczone w cieczy (H 2 O, CO 2, SO 2 ). W trakcie chłodzenia, w magmie krystalizują minerały. Kolejność krystalizacji poszczególnych minerałów wynika z ich temperatury topnienia (seria Bowena). 2 - C Systems A. Systems with Complete Solid Solution 1. Plagioclase (Ab-An, An, NaAlSi 3 O 8 - CaAl 2 Si 2 O 8 ) Fig. 6-8. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1913) Amer. J. Sci., 35, 577-599. Bowen s Reaction Series Augit (diopsyd) krystalizuje najpierw, później - Plagioklaz Aug Aug Aug Pl Aug Aug Water + metals Gabbro proveniente dallo Stillwater Complex, Montana (da J. Winter, 1999) 15
Najpierw krystalizuje anortyt Rodzaje skał wulkanicznych Dicco di diabase (basalto) 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; Plutony to obiekty Zbudowane ze skał plutonicznych. Skały wulkaniczne Skały wulkaniczne zawierają przemieszane, nieregularne kryształy różnych minerałów: kwarc, skalenie, mika, minerały ferromagnetyczne; Minerały krystalizują z lepkiej stopionej skały; 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); Skały wulkaniczne Tekstury skał wulkanicznych 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. Szklista chłodzenie bardzo szybkie Vesicular texture W czasie chłodzenia tworzyły się bąble gazu Pyroklastyczna cząstki rozproszone w czasie wybuchu i następnie sprasowane 16
Klasyfikacja skał wulkanicznych Przykłady skał wulkanicznych Kryteria: skład i tekstura Podział ze względu na skład bazuje na zawartości SiO 2 : felsic (>65% silica) pośrednie (53-65% silica) mafic (45-52% silica) Rhyolite Granite Klasyfikacja skał wulkanicznych 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 Basalt Gabbro osady chemiczne i biochemiczne wapień (drobnoziarnista skała, głównie kalcyt); rogowiec (Chert); rafy koralowe Andesite Diorite 17
Skały osadowe Przykład zmiany tekstury Fossiliferous limestone Rock gypsum Rock salt Często, pod wpływem ciśnienia powstaje tekstura warstwowa Chert 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 Schist Gneiss Marble Quartzite Skały metamorficzne Wskutek dzialania czynników zewnętrznych może zmienić się: skład minerału (tworzy się nowy); tekstura minerału; jedno i drugie. 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. 18