Mineralogie I Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Doc. RNDr. Zdeněk Losos, CSc. RNDr. Václav Vávra, PhD. •Osnova přednášky: 1.Postavení mineralogie ve vědních disciplínách 2.Co je minerál? •3. Osnova studia a)Fyzikální a chemické vlastnosti minerálů b)Mineralogický systém (hlavní horninotvorné minerály, rudy) c)Nástin procesů vzniku minerálů 4.Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály 5.Shrnutí Příklady minerálů ADSC01145 Turmalín, záhněda - Suky Beryl - Maršíkov Granát -hessonit - Žulová Příklady minerálů Turmalín, Aqua Santa, Minas Gerais, 2009 Beryl, Assuncao, Portugalsko, 2008 Spodumen, BLC, Minas Gerais, 2009 Příklady minerálů Křemen, Assuncao, Portugalsko, 2008 Křemen, Brazílie, 2009 Jadeit, Itoigawa, Japonsko, 2006 Příklady minerálů Zvětrávající mramor, Coimbra, Portugalsko, 2008 Hydrooxidy Fe, důl Václav, Bližná, 2008 Valouny na pláži, Viana di Castelo, Portugalsko, 2008 1. Postavení mineralogie •Historie mineralogie: •Protože minerály bývají velmi nápadné a atraktivní, byla mineralogie už ve starověku vedle paleontologie (fosílie) a obecné geologie (např. vulkanická činnost) zakládající disciplínou geologických věd. •Teprve s postupem času a s vývojem techniky se od mineralogie postupně oddělovaly další obory: •- petrografie (objev polarizačního mikroskopu) popisující detailně mineralogické složení hornin •- geochemie (zdokonalení chemických analytických metod) zabývající se chováním chemických prvků během geologického vývoje grt Orientovaný srůst granátu (černý) a křemene (barevný), Bližná výbrus 1. Postavení mineralogie •Minerály (nerosty) jsou základními stavebními jednotkami různých typů hornin (žula, čedič) a ložisek nerostných surovin (vápence). Dále také řady technických hmot (např. beton), ale také některých biologických objektů (např. zuby, kosti). •Proto je studium minerálů základem pro většinu geologických disciplín, ale někdy i jiných vědeckých a technologických oborů. •Pouze detailní informace o chemickém složení minerálů a jejich vzájemných vztahů v jednotlivých typech hornin a často také o krystalové struktuře minerálů lze využít pro dostatečně důvěryhodné objasnění geologických procesů, ale někdy i uměle připravených látek. • amphibol-ds001_m Bez názvu Amfibol ve výbruse Granit leštěný vzorek 1. Postavení mineralogie – vztah k jiným oborům •Nejbližšími obory mineralogie mimo oblast geologie jsou proto: •1. fyzika pevných látek (krystalové struktury, fyzikální vlastnosti) • graphite-layers fe_str Krystalová struktura grafitu Krystalová struktura pyritu FeS2 1. Postavení mineralogie – vztah k jiným oborům •2. anorganická chemie (chemické složení minerálů) • •Granát - Petrovice • 52 51 62 61 54 • SIO2 37.01 37.77 38.00 38.09 37.52 • TIO2 0.07 0.06 0.02 0.01 0.03 • AL2O3 21.60 21.54 21.72 21.72 21.34 • FEO 31.63 31.96 29.92 31.08 32.97 • MNO 0.69 0.73 0.45 0.46 0.88 • MGO 6.71 6.24 5.46 5.37 5.27 • CAO 1.51 1.62 4.72 3.70 1.64 • • TOTAL 99.22 99.92 100.29 100.43 99.65 • • • SI4+ 2.942 2.980 2.980 2.989 2.987 • TI4+ 0.004 0.004 0.001 0.001 0.002 • AL3+ 2.024 2.003 2.007 2.008 2.002 • FE2+ 2.103 2.109 1.962 2.039 2.195 • MN2+ 0.046 0.049 0.030 0.031 0.059 • MG2+ 0.795 0.734 0.638 0.628 0.625 • CA2+ 0.129 0.137 0.397 0.311 0.140 •CATS 8.042 8.015 8.015 8.007 8.010 •O 12 12 12 12 12 Bismutotantalit-stibiotantalit-stibiocolumbit, Momeik, Myanmar BiTaO4 – SbTaO4 – SbNbO4 fotografie z elektronové mikrosondy 1. Postavení mineralogie – vztah k jiným oborům •3. fyzikální chemie (vlastnosti prvků, vzájemné vazby prvků, stabilita minerálů za různých podmínek) • nový-22 nový-3 1. Postavení mineralogie - příklady z geologie •Geologie je široký vědní obor zabývající se studiem stavebních prvků Země, tj. hlavně hornin, minerálů a zkamenělin, ale také vody a environmentální problémů na ně vázaných. •Mineralogie má nejblíže k petrologii, geochemii a ložiskové geologii, ale stále více i k environmentálním oborům. •Petrologie – věda zabývající se horninami. Ty jsou složeny výhradně z minerálů. Mineralogické složení hornin závisí na celkovém chemickém složení a na podmínkách vzniku (P-tlak, T-teplota, X-složení fluid), tj. stabilitě jednotlivých minerálů a minerální asociací. Bez dokonalé znalosti mineralogie nemohou být petrologické závěry dostatečně věrohodné. •Geochemie – věda zabývající se pohybem prvků během geologických procesů - chování chemických prvků při geologických procesech je ovlivněno především charakterem (silou) vazby těchto prvků v minerálech a jejich stabilitě v různých podmínkách. Bez dokonalé znalosti mineralogie poskytuje geochemie jen část informací o chování prvků během geologického vývoje. •Environmentální mineralogie – věda zabývající se minerály, které vznikly v souvislosti s různými procesy, které vedou ke znečištění životního prostředí (těžba surovin, zvětrávání staveb. Stdudium těchto minerálů je důležité především proto, že na ně jsou často vázaný nebezpečné látka a právě jejich vazba v minerálu je důležitá pro jejich uvolnění do prostředí. • •Krystalografie •Ložisková geologie •Strukturní geologie •Regionální geologie •Paleontologie •Hydrogeologie •Environmentální geologie 2. Co je minerál? •Anorganická stejnorodá přírodnina, jejíž složení lze vyjádřit chemickým vzorcem, většinou pevného skupenství, vzniklá přírodními pochody. • •Základem definice každého minerálu jsou tedy specifická krystalová struktura a specifické chemické složení. Atomy jednotlivých prvků nejsou uspořádány ve krystalové struktuře minerálů náhodně a pro jejich vstup do krystalové struktury platí řada pravidel. • pyrite%20pic%205%20bk fe_str Pyrit – krystal - krystalová struktura Nutno říci, že existuje více definic minerálu, které se poněkud liší. 2. Co je minerál? - Krystalochemický vzorec •Složení minerálů vyjadřujeme tzv. krystalochemickými vzorci. •Vzorce minerálů musí být tzv. elektroneutrální • • kalcit CaCO3 CaO + CO2 Ca2++C4++3O2- • forsterit Mg2SiO4 2MgO+SiO2 2Mg2++Si4++4O2- • • olivín (Mg,Fe)2 [SiO4] minerál složený ze dvou složek • forsterit Mg2SiO4 • fayalit Fe2SiO4 • • (Fe, Mg) – jeden prvek je zastupován dalšími prvky – pořadí určuje klesající množství kationtu • [SiO4] - aniontová skupina 2. Co je minerál? - Prvky v minerálech •Do minerálů vstupují všechny prvky známé v přírodě. Tyto prvky si můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin: • kationy • relativně malý iontový poloměr, elektropozitivní • např. Na+, Mg2+ ,Al3+, Si4+ •aniony • relativně velký iontový poloměr, • elektronegativní, • např. O2-, F-, Cl-, S2-, OH- nový-3 3. Osnova studia - fyzikální a chemické vlastnosti minerálů •Krystalová struktura •Morfologická krystalografie •Fyzikální vlastnosti minerálů •- mechanické (tvrdost, štěpnost) •- elektromagnetické •- optické (barva,pleochroismus) •- hustota •- radioaktivita •Chemické vlastnosti minerálů •- chemické složení •- rozpustnost v jiných látkách (např. H2O) •Metody studia minerálů •Stabilita minerálů v systémech Magnetite magnetite-crystal Magnetit 3. Osnova studia - mineralogický systém •Minerály jsou pro větší přehlednost členěny do mineralogického systému. Základními vlastnostmi pro členění jsou -chemické složení minerálů -krystalová struktura (vnitřní stavba) • •Prvky Au, Cu, Ag, S, C •Sulfidy (sirníky) PbS, ZnS, FeS2, MoS2, •Halovce NaCl, CaF2 •Oxidy a hydroxidy • (kysličníky) SiO2, Al2O3, Fe2O3 •Karbonáty (uhličitany) CaCO3 •Sulfáty (sírany) BaSO4 •Fosfáty (fosforečnany) Ca5(PO4)3 F •Silikáty (křemičitany) Mg2SiO4, Al2SiO5 •Organické minerály CaC2O4 . H2O 001-graphite-l Galena 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •Ke vzniku minerálů vedou velmi rozmanité procesy. Dnes zjišťujeme, že vliv člověka na tyto procesy je důležitý a na tomto základě je dělíme na: – Přírodní (bez vlivu člověka na proces vzniku a zahrnují všechny geologické objekty). – Umělé (ovlivněné člověkem) – –Nás budou zajímat především přírodní procesy, i když význam procesů ovlivněných člověkem výrazně vzrůstá. obr3 Černá v Pošumaví – provrásněné polohy mramorů (světlé) a rul 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů –Geologické procesy mají určitou pozici v rámci vývoje zemské kůry, popř. svrchního pláště, kterou můžeme znázornit např. v tzv. PT diagramu nebo geologických řezech zemské kůry. nový-16 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •podle způsobu vzniku se geologické procesy nejčastěji člení na: • • a) magmatické (vyvřelé) • vznikají utuhnutím taveniny magmatu za vysoké teploty • - horniny: žula, čedič • b) metamorfní (přeměněné) • vznikají krystalizací v pevném stavu za vyšších teplot a tlaků • - horniny: svor, rula • c) sedimentární (usazené) • vznikají poblíž zemského povrchu většinou na dně vodních nádrží za teplot blízkých povrchu • - horniny: pískovec, vápenec • d) hydrotermální • vznikají krystalizací z roztoků a fluid za vyšších teplot • - rudní žíly např. s galenitem (ruda Pb a Ag) • - greisen (rudy Sn, W) • - hydrotemální pochody (působení horké vody a fluid) také mohou rozkládat starší minerály • 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •Příklad magmatické a metamorfované horniny - petrologie • •Pegmatit - žilná magmatická hornina složená z křemene, živce a dalších minerálů •Skarn – metamorfovaná hornina složená z granátu a pyroxenu •Turmalín – minerál se vzorcem (Na,Ca) (Fe,Mg)3Al6 Si6O18 (BO3)3 (OH,F)4 •Chlorit – minerál se vzorcem (Fe,Mg,Al)6 Si4 O10 (OH)8 vzniká alterací turmalínu Vlastějovice - lomová stěna minerály v elektronové mikrosondě – výbrus, Vlastějovice 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů • • Příklad magmatické a metamorfované horniny - geochemie 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •Minerály vznikají v širokém rozpětí podmínek (teplota, tlak, aktivita fluid). •Za nejvyšších teplot vznikají hlavně minerály bez H2O – např. olivín, pyroxen a najdeme je často v horninách z pláště. •Za nižších teplot vznikají minerály obsahující malé množství H2O – např. amfiboly a slídy a najdeme je hlavně v horninách zemské kůry. •Za teplot blízkých povrchu vznikají minerály obsahující malé množství H2O – např. jílové minerály, sírany aj. nový-16 scan0021 T-aSiO2 diagram (Hemley et al. 1980). 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •Příklad změn pro metamorfovaného horniny •Změny stavby •Změna mineralogického složení •Změna chemického složení nový-17 3. Osnova studia - nástin procesů vzniku minerálů •Při studiu jsou velmi důležité vztahy mezi minerály. •Minerály mohou vznikat při více procesech, které po sobě následují, takže jsou různého stáří. •Velmi důležité je studium minerálů ve výbrusech, kde lze vztahy mezi minerály nejlépe rozpoznat. • BD C1_1_BSE_1 Di And Prf Msc Komplikované vztahy mezi minerály 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Prvky • Grafit C - vyskytuje se v horninách kůry • Diamant C - vyskytuje se v horninách pláště 001-graphite-l graphite-layers the_koh-i-nur_diamond diamond_structure 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Sulfidy pyrite%20pic%205%20bk •Pyrit FeS2 – běžný v různých typech hornin fe_str 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Oxidy • Křemen SiO2 – nejrozšířenější minerál v zemské kůře, velmi hojný v různých typech hornin s vysokým obsahem SiO2 Bez názvu ADSC01145 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Oxidy Bez názvu zel_ruda2 • Hematit Fe2O3 • Magnetit FeO.Fe2O3 • Limonit Fe2O3.nH2O magnetite-crystal 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Karbonáty • Kalcit CaCO3 • Dolomit CaMg(CO3)2 • vyskytují se hlavně v horninách při povrchu zemské kůry 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Silikáty •Největší a nejdůležitější skupina minerálů v mineralogickém systému. Zahrnuje většinu horninotvorných minerálů. Podle uspořádání SiO4 tetraedrů, které jsou hlavním stavebním prvkem těchto minerálů, je dělíme do několika skupin. • tetraedry SiO44- + kationty kovů (Ca, Mg, Na) • mohou se spojovat (mají společný kyslík) – pak se zmenšuje počet volných vazeb • Si4+ může být v tetraedru nahrazen Al3+. • mycobond_physical si%20tetrahedra 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Silikáty –nesosilikáty - tetraedry izolované –– olivín, granáty – – –inosilikáty - tetraedry spojené do řetězců –– pyroxeny, amfiboly – – – – –fylosilikáty - tetraedry propojené v ploše –– slídy – –tektosilikáty - tetraedry tvořící prostorovou kostru –– živce, foidy, zeolity, křemen 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina olivínu •(Mg,Fe)2SiO4 • Obecný vzorec M2SiO4 • M = Mg, Fe2+ • Forsterit Mg2 SiO4 • Fayalit Fe2 SiO4 •hlavní minerál hornin svrchního pláště olivine Olivine2 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina granátu •Obecný vzorec A3B2(SiO4)3 • A = Fe2+, Mn, Ca, Mg • B = Al, Fe3+ • Velmi variabilní složení • Pyrop Mg3 Al2Si3O12 horniny pláště • Almandin Fe3 Al2 Si3O12 metamorfované horniny kůry GAR-5b Garnet4s 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina Al2SiO5 •Minerály této skupiny mají stejné chemické složení, ale liší se strukturou a podmínkami vzniku. •Sillimanit - jehlicovité až vláknité agregáty, metamorfované horniny •Andalusit - sloupcovité krystaly, růžová až červenohnědá barva, metamorfované horniny z malých hloubek zemské kůry •Kyanit- sloupcovité až tabulkovité krystaly, modrá až šedá barva, metamorfované horniny velkých hloubek zemské kůry •Velmi důležité pro odhad podmínek vzniku (viz. Diagram) nový-22 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina pyroxenu •obecný vzorec M2M1T2O6 • M2 = Mg, Fe2+, Ca, Na, Li • M1 = Mg, Fe2+, Mn, Al, Fe3+ • Enstatit MgSi • Diopsid CaMgSi • Augit CaMgFe2+Si •Výskyty: magmatické a metamorfované • horniny pláště a kůry pyroxene Augite2 pyx amphibol-ds001_m Actinolite 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina amfibolu •obecný vzorec: AB2C5T8O22 (OH)2 • Antofylit MgSi • Tremolit CaMgSi • Aktinolit CaMgFeSi •Výskyty magmatické a metamorfované • horniny kůry Trem 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina slíd •Obecný vzorec I M3 T4 O10 (OH,F)2 • I = K, Na, Ca • M = Li, Fe2+, Mg, Al, Fe3+ • T = Si, Al • Muskovit KAlSi • Biotit KFeMgSiAl • Flogopit KMgSiAl •Vyskytují se magmatických, metamorfovaných a někdy i sedimentárních horninách. • muscovite structure Feldsparseries 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina živců •Obecný vzorec AT4O8 • A = Na,K,Ca • T = Si,Al • •Draselné živce (K-živce) • Sanidin, ortoklas, mikroklin • KAlSi3O8 • •Sodnovápenaté živce - plagioklasy: • Albit NaAlSi3O8 • Anortit CaAlSi3O8 • Existuje neomezená mísitelnost mezi • albitem a anortitem, malá mezi K-živci a anortitem. 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Skupina živců •Nejrozšířenější horninotvorné minerály vyskytující se různých typech magmatických, metamorfovaných a někdy také sedimentárních hornin. Bez názvu Granit K-živec - načervenalý, plagioklas - bílý 4. Úvod do mineralogického systému – horninotvorné minerály - Foidy a zeolity •Tyto minerály mají podobné složení jako živce, ale v jejich struktuře se objevují další látky, např. Cl nebo S (foidy). • nefelín NaKAlSi • sodalit NaAlSiCl • leucit KAlSi • nebo H2O (zeolity) • analcim NaAlSi,H2O •Foidy se vyskytují v horninách spolu s živci ale bez křemene, zeolity vznikají za nízkých teplot později než živce. leucite analcim_gr leucit 5. Shrnutí •Studium minerálů je nezbytné pro objasnění většiny geologických procesů. • •Důležité jsou zejména: –chemické složení minerálů –vztahy mezi minerály – •Úkolem našeho studia není pouhý popis minerálů, ten je jen prvním krokem, našim hlavním úkolem je poznání procesů prostřednictvím kvalitního popisu minerálů (hornin). 5. Shrnutí •A. Zdroje informací: a)Přednášky b)Příslušné texty dostupné na internetu PřF MU (Autoři. Z. Losos, V. Vávra) c)Další informace na internetu, např. •http://skripta.dictor.net/ •http://webmineral.com/ •http://www.mindat.org/ •d) Knihy (viz. texty na internetu) • •B. Požadavky na znalosti z jiných oborů zhruba v rozsahu výuky těchto předmětů na gymnáziích. a)Základy matematiky b)Základy fyziky c)Základy chemie, především anorganická chemie (je naprosto!!! nutné znát chemické značky vybraných prvků, jejich mocenství (H až Y, dále REE) • •C: Kontrola znalostí: a)Průběžné testy b)Zápočet c)Písemná zkouška