Přírodní skla (II.) G7681 Mgr. Lenka Dziková Ústav geologických věd Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno (2009) Úvod Ústav geologických věd Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita v Brně Mgr. Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Definice skla Sklo je amorfní pevná látka. Všechny jeho vlastnosti jsou izotropní (nezávislé na směru). Ve fyzikální chemii je sklo produkt utuhnutí termodynamicky nerovnovážné podchlazené tekutiny, která vznikla z taveniny procesem velmi rychlého ochlazení. G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Struktura skla Sklo je amorfní látka. Na atomární úrovni „amorfní“ znamená, že v trojrozměrném prostoru neexistuje žádná periodicita v uspořádání atomů na velké vzdálenosti. Sklo však jeví známky uspořádanosti ve formě strukturních jednotek (tetraedrální umístění kyslíkových atomů kolem atomů křemíku) na velmi krátkou vzdálenost (2-3 atomy). Vnitřní energie nepravidelně uspořádané vnitřní struktury vzniklého skla je jen o něco vyšší než u korespondující krystalové mřížky, ale nižší než pro gel. G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Definice a systematika přírodních skel Většina přírodních skel vzniká při vulkanických procesech, menší množství pak vzniká při impaktových událostech, úderech blesků, nebo hoření uhlí. Tyto procesy vedou ke vzniku termodynamicky nestabilní fáze s tendencí k chemické přeměně a krystalizaci. Jeden z nejdůležitějších faktorů ovlivňující charakter přeměny je chemické složení výchozí taveniny. Vulkanická skla (obsidiány, smolky apod.) Skla vzniklá při hoření uhlí (buchit) Skla vzniklá při úderech blesků (fulgurity) Skla vzniklá při impaktních událostech (impaktní skla, tektity, mikrotektity, sklovité sferule) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktový proces Impaktní kráter (meteoritický kráter, impaktní struktura) je produktem srážky dvou vesmírných těles velmi rozdílných velikostí, kdy kráter vzniká na povrchu většího tělesa (tzv. target body, terčové, cílové těleso) dopadem menšího tělesa (projektilu). V případě, že dvě tělesa se svou velikostí příliš neliší, dochází nejčastěji ke kompletnímu zničení (rozpadu) obou těles. G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktový proces V prvních okamžicích po dopadu (impaktu) extraterestrického tělesa nastává kompresní fáze, kdy se kinetická energie projektilu přenáší do terčových hornin ve formě šokové vlny. Ta se šíří horninami v místě dopadu a dochází ke stlačení hornin (vzniká přechodná dutina) a jejich šokové přeměně. V další fázi dochází k uvolnění (dekompresi) vlivem zeslábnutí šokové vlny a stlačené horninový materiál je vyzdvyžen nebo vyvržen do okolí po balistických drahách (ejecta). Struktura se dále modifikuje zejména gravitačními silami. G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktový proces V závislosti na mnoha faktorech (velikost, rychlost a složení impaktoru, úhel dopadu, složení terčových hornin aj.) mohou vznikat různé typy kráterů – jednoduché nebo komplexní. Jednoduché krátery jsou menších rozměrů, mísovitého tvaru a bez centrálního pahorku. Jsou vyplněny sesunutým materiálem ze svahů kráteru. Komplexní krátery jsou větších rozměrů a mají centrální pahorek-ky nebo více kruhových valů (vzniklé např. opětovným zhroucením centrálního pahorku). G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní krátery na Zemi G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty neobsahující sklo - tříštivé kužely (tzv. shatter cones) - planární def. znaky tzv. PDF (křemen, živce) - vysokotlaké modifikace křemene (coesit a stishovit) - impaktní diamanty (z grafitu obsaženého v terčových horninách) - chemická a izotopická kontaminace extraterestrickým materiálem (iridium, osmium) - impaktní (lithické) brekcie (bez obsahu sklovité fáze - např. bunte breccia, Ries) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty neobsahující sklo coesit stishovit diamanty G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty neobsahující sklo - tříštivé kužely (vznikají v podloží impaktních událostí nejčastěji v jemně zrnitých sedimentárních horninách-vápencích, pískovcích; tlak 2-30 GPa) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty neobsahující sklo PDF struktury - uzké deformační linie (paralelní laminace často orientovaná v krystalografických směrech, křemenná a živcová zrna) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty sklo nebo sklo obsahující G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní produkty sklo nebo sklo obsahující - impaktní (suevitické) brekcie (brekcie s obsahem sklovité fáze - suevity, pseudotachylity, vyskytující se uvnitř, pod povrchem i v blízkém okolí kráterú-ejecta) - diaplektická skla (tzv. thetomorphy) - impaktní skla (horniny přetavené na sklo za tlaku vyšších než 45 GPa nachází se v blízkosti mateřského kráteru; libyjské sklo, Darwinovo sklo, zhamanšinity...) - sklovité sférule (např. sférule na rozhraní K/T, haitská skla ) - tektity - mikrotektity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková - Suevity (složeny z rozdrcených klastů hornin, obsahující sklo a šokově přeměněné fragmenty matečných hornin, krátery Ries v Německu, Sudbury, Chicxulub, Popigai, Kara, Azuara) - Pseudotachylity (žíly sklovitého pseudotachylitu, výskyt na zlomech, vznik při kompresní fázi vzniku kráteru a při vyzdvižení centrálního pahorku. Umístění pod povrchem uvnitř kráteru. Patrné jsou po obnažení dna-kráter Vredefort v J. Africe a imp. pánev Sudbury v Kanadě) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Diaplektická skla -sklo vzniklé nepřetavením, ale rozdrcením vlivem velmi vysokého tlaku (impakty, nukleární reakce). Na rozdíl od běžných přetavených skel mají diaplektická skla vyšší index lomu, nebývají bublinaté, nemají fluidální strukturu. Bývá zachován tvar původního zrna -tzv. thetomorphy (na obrázku původní zrno světlého živce) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní skla - vznikají šokovou metamorfózou v prvotní fázi při impaktových událostech, kdy tlak přesahuje 45GPa. Roztavená hornina je vymrštěna z prostoru dočasné dutiny kráteru ven a utuhne před dopadem na zemský povrch. G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní skla - Stejně jako sopečná skla se impaktní skla mohou vyskytovat v podobě těles tvaru bomb (cm-m, mísovité, diskovité, hruškovité, kapkovité tvary apod.), nebo jako nepravidelná tělesa (vypadající jako struska), lapilli, kuličky.. - Vyskytují se buď samostatně nebo jsou zabudovány do impaktních brekcií (suevitů), vlivem eroze se však mohou sklovité fáze od brekcií oddělit, alterace na povrchu - některá impakatní skla mohou být relativně homogenní, některá jsou vysoce heterogenní - často obsahují velké množství bublin různých velikostí, někdy může sklo nabývat až pemzovitého charakteru (až 60% bublinatost) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní skla - obsahují šokově postižené inkluze pocházející z matečných hornin (lechatelierity, badelleyity, křemen, coesit, stishovit, magnetit, rutil, živce, šlíry živcového složení, plagioklasy, orto/klinopyroxeny, smektitové lemy kolem bublin apod.), nebo vzácně klasty matečných hornin G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Impaktní skla G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Kráter Zhamanshin (Kazachstán) - žamanšinity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Kráter Zhamanshin (Kazachstán) - žamanšinity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Kráter Zhamanshin (Kazachstán) - žamanšinity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Kráter Zhamanshin (Kazachstán) - žamanšinity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Kráter Zhamanshin (Kazachstán) - žamanšinity G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Libyjská skla (Libye) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Libyjská skla (Libye) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Libyjská skla (Libye) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Tektity - Pojem tektit zavedl Fr. Eduard Suess v roce 1890 podle řeckého slova „tektós“ (zn. tavený) Tektit: - přírodní sklo impaktního původu - relativně homogenní (jednotný chemizmus) - bohaté na SiO[2] (65 – 85%) - vysoký poměr Al / K+Na - velmi nízký obsah vody (<0,02 hm. %) - nízký obsah těkavých látek - málo uzavřenin (lechatelierit) - z povrchového, porézního, nezpevněného materiálu - nízký tlak v bublinách (utuhnutí ve vyšší nadmořeské výšce) . G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Pádová pole tektitů: Australsko-asijské (indočínity, australity, filipínity, javaniity apod.): stáří cca 0,7 Ma, matečný kráter - zatím nepotvrzen Pobřeží slonoviny (Ivory coast, ivority): stáří cca 1 Ma, matečný kráter – Bosumtwi (Ghana) Středoevropské (vltavíny): stáří cca 15 Ma, matečný kráter – Ries (Německo) Severoamerické (georgiaity, bediasity): stáří 35 Ma, matečný kráter – Chesapeake bay (USA) G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Pádová pole tektitů: G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková G7681 Přírodní skla Lenka Dziková Metody studia přírodních skel • Polarizační mikroskop • Elektronová mikrosonda • Katodoluminiscence • Kalorimetrie • Laserová ablace • Infračervená spektroskopie Polarizační mikroskop Heterogenita Fluidální stavba Obsah bublin, tvar, velikost Střídání vrstev Uzavřeniny (lechatelierity) Odolnější sklovina (vyčnívá na povrch) Polarizační mikroskop Lechatelierity -inkluze o složení přibližně 97-100 hm% SiO[2], pochází roztavením křemenných zrn matečného materiálu -mohou mít částečně zachovaný tvar zrna, ale většinou jsou tvarované tokem taveniny (hádkovité, spirálovité, nepravidelně tvarované, někdy zpěněné) Elektronová mikrosonda El. mikrosonda – na první pohled je patrná chemická heterogenita vzorku Šlíry odlišného chemického složení (např. vysoký obsah CaO, šlíry odolnějšího skla-vyšší obsah SiO[2] než okolí) Elektronová mikrosonda Lechatelierity - v el. mikrosondě jsou to tmavé uzavřeniny Elektronová mikrosonda Identifikace inkluzí - Zr inkluze (baddelleyit), apatit u vltavínů, u ostatních skel křemen, coesit, monazit, korund apod. Katodová luminiscence Luminiscence je vybuzená proudem elektronů (katoda) V katodové luminiscenci je dobře patrná heterogenita (zejména nabohacení vzácnými prvky) Katodová luminiscence Lechatelierity modrá luminiscence, někdy s náznaky růžové někdy zonální Katodová luminiscence + el. mikrosonda Distribuční mapy Kalorimetrie – měření barev Barvy se například u vltavínů doposud určovaly pouze na základě lidského vnímání barev – nepřesné (každý může vnímat jinak) Bouška a Povondra (1964) vizuálně rozlišili 6 základních barevných odstínů vltavínů a porovnali je z chemizmem: - jedovatě zelená hodně CaO, MgO, Na[2]O - bledě zelená hodně Na, málo Al[2]O[3], FeO, Fe[2]O[3] - světle zelená hodně MgO, Fe[2]O[3], málo Na[2]O - lahvově zelená hodně FeO, CaO, málo Fe[2]O[3], MgO - olivově zelená hodně Fe[2]O[3] - hnědá hodně FeO, Al[2]O[3], málo Na[2]O Kalorimetrie – měření barev – základy Pro vnímání barvy je zapotřebí 3 komponent: světelného zdroje vnímaný objekt pozorovatel Kalorimetrie – měření barev – základy Světelný zdroj: Elektromagnetické vlnění 380-720 nm (viditelná okem) spektrální distribuce spojité/nespojité spektrum Objekt: Interakce se světlem absorbují světlo odráží propouští vyzařují Barevnost je určena chemickým složením Optické vlastnosti se nejčastěji charakterizují absorpčními nebo reflektančními křivkami Pozorovatel: Lidské vnímání barev je závislé na dvou fotoreceptorech: tyčinky (černobílé, citlivější - v noci) čípky (barevné) Barevné vnímání je umožněno existencí tří typů čípků s rozdílnou spektrální citlivostí (zhruba odpovídajícím RGB), tzn. že lidské vidění je TRICHROMATICKÉ Funkce pozorovatele (Color matching functions): Experiment s mícháním barev R = 700 nm G = 546.1 nm B = 435.8 nm Rtuťová výbojka Trichromatické složky (Tristumulus values): Barvové souřadnice: Diagram chromatičnosti Yxy (kolrimetrický trojúhelník) Diagram chromatičnosti Yxy (kolrimetrický trojúhelník) Prostor L*a*b* (CIELAB) Aplikace - využití L*a*b* prostor L*a*b* prostor L*a*b* prostor Literatura • Angell C. A. (1996): The glass transition. –Current Opinion in Solid State and Materials Science, Vol. 1, 4, s. 578–585. • Artemieva N., Pierazzo E. a Stöffler D. (2002): Numerical modeling of tektite origin in oblique impact: Implication to Ries-Moldavites strewn field. – Bull. Czech Geol. Survey, 77, 4, 303-311. • Bouška et al. (1993): Natural glasses. Academia, Praha, 354 s • Bouška V. a Povondra P. (1964): Correlation of some physical and chemical properties of moldavites. –Geochim. Cosmochim. Acta, 28, 783–791. • Bouška V. a Cílek V. (1992): Železnaté vltavíny. – 6. konf. o vltavínech. Přírodov. Sbor. Západomorav. muzea v Třebíči. 18–1992, 86–95. • Deutsch A. a Koeberl Ch. (2006): Establishing the link between the Chesapeake Bay impact structure and the North American tektite strewn field: The Sr-Nd isotopic evidence. – Meteoritics and Planetary Science 41, Nr. 5, 689–703. Dressler B. O. a Reimold W. U. (2001): Terrestrial impact melt rocks and glasses. Earth-Science Rewiews, Vol. 56, 1-4, s. 205–284. • Folco L., D´Orazio M., Tiepolo M., Tonariny S., Ottoliny L., Perchiazzi N., Rochette P., Glass B.P. (2009): Transartactic Mountain microtektites: Geochemical affinity with Australasian microtektites. –Geochim. Cosmochim. Acta 73, s. 3694–3722. • Koeberl C. (1986): Muong Nong type tektites from the Moldavite and North American strewn fields? – Proc. 17th Lunar Planet. Sci. Conf., Jour. Geophys. Res., 91, E 253–E 258. • Koeberl C. (1988): Geochemistry of Muong Nong type tektites: a review. – Second Int. Conf. On Natural Glasses (Prague 1987), 371–377, Praha. • Lacroix A. (1935): Les tectites sans formes figurees de l´Indochine. – Comptes rendus, 200, 2129–2132, Academie des Sciences, Paris.Maa et al. (2001): • Prchal V. a Fasurová N. (2006): Návody pro praktikum z koloristiky a kolorimetriky. –FCH VUT, Brno, 2–3. • Skála R., Strnad L.., McCammon C., Čada M. (2009): Moldavites from the Cheb basin, Czech republic. –Geochim. Cosmochim. Acta, 73, s. 1145–1179. • Trnka M. a Houzar S. (1991): Moravské vltavíny. – Muzejní a vlastivědná společnost v Brně a Západomoravské muzeum v Třebíči. • Trnka M. a Houzar S. (2002): Moldavites: a review. – Bulletin of the Czech Geological Survey, 77, No. 4, 283–302. • http://colour-emotion.co.uk/funda.html