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)