5. CHEMICKÉ A MINERÁLNE ZLOŽENIE ZEMSKEJ KÔRY

5. CHEMICKÉ A MINERÁLNE ZLOŽENIE ZEMSKEJ KÔRY

Diferenciáciu Zeme na jadro, plášť a kôru je možné vysvetliť dvomi spôsobmi :

- heterogénna akrécia - v počiatkoch bola Zem železná meteorická hmota, na ktorú sa hromadili silikátové meteority

- homogénna akrécia – Zem sa utvorila z nerozlíšeného silikátového (chondritického) materiálu a rozdelenie na zemské obaly bolo spôsobené hustotnou diferenciáciou v dôsledku gravitácie

prvok Hmotnostné %

O 46,6

Si 27,7

Al 8,1

Fe 5,0

Ca 3,6

Na 2,8

K 2,6

Mg 2,1

ostatné 1,2

Priemerné chemické zloženie zemskej kôry

Siderofilnétvoria zliatiny s Fe

Fe

Ni

Co

P

Pt

C

Siderofilné prvky tvoria zliatiny s Fe

Chalkofilnéafinita k S

S

Cu

Pb

Sb

As

Zn

Sn

Hg

Ag

Mo

Chalkofilné prvky majú afinitu k S

Atmofilné

N

H

He

Chemické zloženie zemskej kôry – klarky

Klark – priemerný hmotnostný (atómový) obsah prvku vyjadrený v %

makroprvky → klark je vyšší ako 1,0 (8 základných prvkov podieľajúcich sa na stavbe zemskej kôry)

mikroprvky → klark je nižší ako 1,0 na zložení zemskej kôry sa podieľajú len 1,5

Štúdiom chemického zloženia Zeme, migrácie prvkov a zákonitostí ich rozšírenia sa zaoberá vedný odbor geochémia

Minerály a horniny

Horniny sú zoskupenia minerálov alebo organických zvyškov, ktoré vznikli prírodnými procesmi a v zemskej kôre tvoria samostatné geologické telesá

Najčastejšie sú zložené z kryštálov rôznych minerálov – polyminerálne horniny (napr. žula → živec, kremeň, sľuda)

Monominerálne horniny – sú zložené len z kryštálov jedného minerálu (napr. kvarcit → kremeň, vápenec → kalcit)

Chemické zloženie hornín sa nedá vyjadriť chemickým vzorcom, udáva sa percentuálnym zastúpením obsahov oxidov – SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, CaO, Na2O, K2O, H2O, P2O5

Vlastnosti hornín závisia aj od veľkosti a tvaru stavebných častíc → štruktúra

a usporiadania stavebných častíc → textúra

Horniny podľa vzniku delíme :

magmatické (vyvreté) – stuhnuté z taveniny (magmy)

sedimentárne (usadené) – usadené z roztokov a voľných častíc

metamorfované (premenené) – zmenené teplom a tlakom

reziduálne (zvyškové) – spevnené nepremiestnené zvetraliny

Minerály a ich výskyt v zemskej kôre

Minerál je kryštalická, anorganická, fyzikálne a chemicky rovnorodá prírodnina

Za minerály je možné považovať látky vyhovujúce nasledovným podmienkam:

tuhé kryštalické látky (výnimka Hg, voda / ľad)

prírodného pôvodu

anorganické

chemické zloženie je vyjadriteľné chemickým vzorcom

Mineraloidy – prírodné tuhé látky, ktoré si zachovávajú tvar – nemajú však vnútorné kryštalické usporiadanie – tieto beztvaré (amorfné) látky sú nestále a ľahko rekryštalizujú a preto sú v horninách zriedkavé

Kryštál – minerálny jedinec, ktorého stavebné častice sú v priestore pravidelne, periodicky usporiadané

Agregát – vedľa seba zoskupené kryštály

Drúza – nepravidelne zoskupené kryštály na stenách puklín

Geóda - nepravidelne zoskupené kryštály v dutinách

Dendrity – kríčkovité povlaky v puklinách (najčastejšie oxidy Mn)

GeódaDrúza / Agregát

Dendrity

Tvar kryštálov

Idiomorfné kryštály - dokonale obmedzené kryštály

Hypidiomorfné kryštály – sčasti dokonale obmedzené kryštály

Alotriomorfné / Xenomorfné kryštály – nedokonale obmedzené kryštály

Súmernosť a pomer kryštalografických osí je hlavným kritériom pre zaradenie kryštálu k určitej kryštalografickej sústave

Trojklonná – triklinická

Jednoklonná – monoklinická

Kosoštvorcová – rombická

Štvorcová – tetragonálna

Šestuholníková – hexagonálna

Trojuholníková – trigonálna

Kocková - kubická

Polymorfózy (polymorfné modifikácie) – chemicky rovnaké, hustotne (g.cm-3 ), tvrdosťou, farbou, kryštalograficky .... odlišné minerály

napr. Al2SiO4O andaluzit 3,15 g.cm-3 rombický

silimanit 3,25 g.cm-3 rombický

kyanit (distén) 3,63 g.cm-3 triklinický

napr. SiO2 – stabilná modifikácia je kremeň (α kremeň 2,648 g.cm-3)

-vysokoteplotné sú tridymit, kristobalit (2,334 g.cm-3)

- vysokotlakové sú stišovit (4,287 g.cm-3), coesit (2,911 g. cm-3)

Vznik rôznych modifikácií (minerálnych fáz) je podmienený teplotnými a tlakovými podmienkami (pT podmienky) v mieste vzniku → geologický termobarometer

- ako citlivé indikátory presne stanoviteľných pT podmienok slúžia mnohé minerály (nie iba modifikácie !)

Fyzikálne vlastnosti minerálov Anizotropia – kryštál minerálu má v rôznych smeroch rôzne fyzikálne vlastnosti s výnimkou hustoty (tvrdosť, štiepateľnosť, tepelnú/elektrickú vodivosť, index lomu svetla)→ vlastnosti závisia na kryštalografickom smere

- amorfné látky (bez kryštalografického usporiadania) sú izotropné → vo všetkých smeroch rovnaké vlastnosti

Štiepateľnosť minerálov – vlastnosť odlamovať sa podľa rovných plôch → štiepne tvary → lístky, stĺpce, kocky ...

- lomové plochy – závisia od kvality štiepateľnosti → nerovné lomové plochy → nedokonalá štiepateľnosť

Farba – farebné minerály majú charakteristickú / nemennú farbu

- farba vrypu / farba oteru môže byť zhodná alebo rozdielna od farby minerálu (napr. hematit Fe2O3)

zafarbené minerály – zafarbenie spôsobujú prímesy napr. kremeň (SiO2) →

citrín – žltý, ametyst – fialový, ruženín – ružový, záhneda – hnedá

korund (Al2O3) → zafír – modrý, rubín - červený

Farba minerálov je spôsobená obsahom prvkov a naopak farba môže byť dobrým indikátorom prítomnosti prvkov v minerálinapr.pyroxén, amfibol, olivín → obsahujú Fe, Mg → tmavé minerály (oceánska kôra)živce, kremeň → obsahujú Na, Ca, K, Si, → svetlé minerály (pevninská kôra)

Priesvitnosť – schopnosť prepúšťať svetlo, minerály, ktoré svetlo neprepúšťajú sa nazývajú opakné

Lesk – kvalita a intenzita odrazu svetla od povrchu minerálu

Tvrdosť – odolnosť minerálu proti vnikaniu cudzieho predmetu (poškrabaniu)- Mohsova stupnica tvrdosti :

Hustota – je pomer hmotnosti a objemu danej látky / minerálu (g.cm-3)

- závisí od kryštálovej štruktúry (diamant/grafit) a atómovej hmotnosti prvkov tvoriacich daný minerál

- od hustoty minerálovej závisí hustota hornín čo má mimoriadny vplyv na charakter tektonických procesov

- hustota hornín ovplyvňuje gravitačné pole → gravimetria

- minerály s vyššou hustotou ako 2,8 g.cm-3 (napr. zirkón, rutil, granát) považujeme za tzv. ťažké minerály

iné dôležité vlastnosti napr.

- piezoelektrina, pyroelektrina, rádioaktivita, magnetizmus

Látkové zloženie minerálov- chemické zloženie a štruktúrne vlastnosti (kryštalografické) sú rozhodujúce pre zatriedenie nerastov / minerálov do mineralogického systému

- minerály sú zatriedené v základných triedach (viď tab.)

Trieda Príklad

PRVKY síra (S), grafit – diamant (C), zlato (Au), meď (Cu)

SULFIDY pyrit (FeS2), chalkopyrit (CuFeS2), galenit (PbS), sfalerit (ZnS)

HALOGENIDY halit (NaCl)

OXIDY A HYDROXIDY kremeň (SiO2), magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3)

KARBONÁTY kalcit (CaCO3), dolomit CaMg(CO3)2

SULFÁTY sadrovec Ca(SO4).2H2O, anhydrit CaSO4

FOSFÁTY apatit Ca5F(PO4)2

SILIKÁTY olivín (Mg,Fe)2SiO4, sľudy, živce

Horninotvorné minerály

na základe zastúpenia horninotvorných minerálov v horninách rozlišujeme :

minerály hlavné > 10%

minerály vedľajšie do 10%

minerály akcesorické < 1%

hlavné minerály určujú typ horniny a sú dôležité z hľadiska zaradenia horniny do systému napr. granit (hlavné minerály : živec, kremeň)

vedľajšie minerály sa v názve horniny charakterizujú adjektívom napr. biotitický granit

čím je vedľajšieho minerálu viac tým je adjektívum bližšie k systematickému názvunapr. muskoviticko-biotitický granit (biotit > muskovit)

Karbonáty – uhličitany

jedny z najdôležitejších horninotvorných minerálov z triedy karbonátov sú :

kalcit CaCO3

dolomit Ca, Mg (CO3)2

oba kryštalizujú v trigonálnej sústave, vytvárajú klencové kryštály, sú dobre štiepateľné, kalcit reaguje so zriedenou HCl

Oxidy – kysličníky

najvýznamnejší je kremeň - SiO2

kryštalizuje v trigonálnej sústave, je priezračný alebo rôzne sfarbený, zle štiepateľný (lastúrnatý lom), chemicky a mechanicky veľmi odolný → náplavy

Silikáty – kremičitany

v kremičitanoch je atóm Si obklopený štyrmi atómami O, spojnice stredov kyslíkových atómov ohraničujú štvorsten – tetraéder (SiO4)4-

kremičitanový tetraéder je základnou stavebnou jednotkou silikátov

Tetraédre môžu byť izolované alebo sa vzájomne spájajú cez kyslíkové väzby. Silikátový anión sa spája s katiónmi, ktoré majú blízky iónový polomer (Al, K, Fe, Ca, Mg) a vytvárajú minerály. Charakter usporiadania iónovej väzby a typ katiónu ovplyvňujú vlastnosti minerálov.

Silikáty s izolovanými tetraédrami (SiO4)4-

Olivín (Mg, Fe)2 SiO4 – je zmes dvoch ľubovoľne substitujúcich zložiek

fosterit - Mg2SiO4

fayalit – Fe2SiO4

olívín je minerál vyskytujúci sa hlavne v bázických a ultrabázických horninách (horninách chudobných na Sio2) spoločne s pyroxénom, amfibolom

ďalším významným minerálom s izolovanými tetraédrami sú granáty

napr. pyrop (Mg3Al2 (SiO4)3

granáty sú predovšetkým súčasťou metamorfovaných hornín (granátické svory)

silikáty s reťazcami tetraédrov - (SiO3)6- ;(Si8O22)12-

patria sem dôležité hornitvorné minerály

pyroxény – s jednoduchým reťazcom tetraédrov (SiO3)6-

amfiboly – s dvojitým reťazcom tetraédrov (Si8O2)12-

obe skupiny kryštalizujú v monoklinickej aj rombickej sútave, sú tmavej farby a podieľajú sa na minerálnom zložení bázických hornín

jednoduchý reťazec dvojitý reťazec

Silikáty s vrstvovou stavbou tetraédrov

medzi tetraédrickými vrstvami sú obyčajne slabé väzby a preto vrstvové silikáty majú výbornú štiepateľnosť

patria sem sľudy : svetlá sľuda muskovit (jemno šupinková odroda – sericit)

tmavá sľuda biotit

ílové minerály : kaolinit, motmorillonit, illit

chlority – obyčajne sekundárne minerály vznikajúce napr. premenou/rozpadom biotitu

biotit v hornine a model jeho vnútornej štruktúry

Kostrové silikáty – živce a foidy

živce sú jednou z najvýznamnejších skupín horninotvorných minerálov

rozdeľujeme ich na draselné živce – ortoklas KAlSi3O8

sodno – vápenáté živce = plagioklasy – plagioklasy vznikajú vzájomným miešaním albitovej zložky NaAlSi3O8 a anortitovej zložky CaAl2Si2O8

s narastajúcim podielom anortitovej zložky klesá zároveň podiel SiO2 → klesá acidita a stúpa bázicita plagioklasov (a tým aj materskej horniny)

ALBIT  0 - 10 %   An

OLIGOKLAS  10 - 30 %   An

ANDEZÍN  30 - 50 %   An

LABRADORIT 50 - 70 %   An

BYTOWNIT  70 - 90 %   An

ANORTIT 90 - 100

%  An

ak je v magme nedostatok SiO2 tvoria sa zástupcovia živcov – foidyvyskytujú sa vo vyvretých horninách najrozšírenejšie foidy sú :

leucit - KALSi2O8

nefelín - NaAlSiO4

Minerály, ktoré nevstupujú do primárneho minerálneho zloženia hornín je veľké množstvo. Koncentrujú sa vo zvyškových taveninách a roztokoch, z ktorých sa v závere horninotvorných procesov vylúčia v podobe žíl, hniezd alebo impregnácií.

Minerály a horniny, ktoré sa priemyselne využívajú zaraďujeme do kategórie nerastných surovín.

Nerastné suroviny delíme na rudné, nerudné a energetické suroviny.

Miesto akumulácie nerastných surovín sa nazýva ložisko nerastnej suroviny.

horninový cyklus

Vznik a pôvod minerálov – minerály ako indikátory prostredia

charakter minerálu ovplyvňujú

- geologické procesy (napr. tavenie, metamorfóza, zvetrávanie, litifikácia)

- chemické zloženie (napr. magma primárne bohatá / chudobná na SiO2)

- pT podmienky prostredia vzniku (napr. fácia modrých bridlíc tlak viac ako 5 kbar, teplota viac ako 400°C → Na amfibol glaukofán / amfibolitová fácia → tlak pod 5 kbar, teplota 600°C → Ca amfibol aktinolit, hornblendit)

minerálna asociácia (minerálna paragenéza) – je spoločenstvo minerálov typické pre dané geologické prostredie (pre danú metamorfnú fáciu, pre dané chemické zloženie geologického prostredia)