Úvod do geologie - část mineralogie Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Osnova 1. Význam minerálů 2. Co je minerál? 3. Mineralogický systém 4. Hlavní horninotvorné minerály 5. Nástin procesů vzniku minerálů Úvod • Minerály (nerosty) jsou základními stavebními jednotkami v různých typech hornin (žula, čedič), ložisek nerostných surovin a také řady technických hmot (betony). • Proto je studium minerálů základem pro většinu geologických disciplín. • 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. Příklady • 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 petrologicke 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. 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. Krystalochemický vzorec • Složení minerálů vyjadřujeme tzv. krystalochemickými vzorci. Vzorce minerálů musí být elektroneutrální kalcit CaC03 CaO + C02 Ca2++C4++302- forsterit Mg2Si04 2MgO+Si02 2Mg2++Si4++402" olivín (Mg,Fe)2 [SiOJ složený ze dvou složek forsterit Mg2Si04 fayalit Fe2Si04 (Fe, Mg) -jeden prvek je zastupován dalšími prvky -pořadí určuje klesající množství kationtu [Si04] - aniontová skupina Prvky v minerálech • Do minerálů vstupují všechny prvky známé v přírodě. Tyto prvky si můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin: - anióny (relativně velký iontový poloměr, elektronegativní, např. O2-, P, Ch, S2-, OH-). - katióny (relativně malý iontový poloměr, elektropozitivní, např. Na+, Mg2+ ,AI3+, Si4+) Velikosti katiónu :l0tll.Č £&ŠUÉ3£*S Struktura grafitu C Struktura pyritu FeS b o *& 1 cr" o f^+ Qs" Sb ©1994 Encyclopaedia Britannica, Inc. Procesy vedoucí ke vzniku minerálů -základní členění • 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 v této přednášce zajímat pouze přírodní procesy, i když význam procesů ovlivněných člověkem výrazně vzrůstá a bude předmětem jiné přednášky. Procesy I 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. T(°C) 700 boo hloubka j---------l_ (km) 60O 700 800 TCO Obr. 1-1. Schematický PT (tlak, teplota) diagram s vyznačením polí pro stupné metamorfózy a diagetiezi. V diagramu je také vyznačena křivka tavení hydratovaného granitu a pole podmínek, které na Zemi neexistují. Procesy I • podle způsobu vzniku se geologické procesy nejčastěji člení na: a) magmatické (vyvřelé) - horniny: žula, čedič b) metamorfní (přeměněné) - horniny: svor c) sedimentární (usazené) - horniny: pískovec d) hydrotermální - rudní žíly např. s galenitem (ruda Pb aAg) Tato přednáška bude zaměřena hlavně na a) a b). Magmatické procesy Jedním ze základních procesů jsou magmatické procesy, kdy magmatické (vyvřelé) horniny vznikají utuhnutím (krystalizací) taveniny (magmatu). Podle místa vzniku a složení existuje velmi široká škála hornin a jejich studium je objektem magmatické petrologie. T(°C) 700 800 hloubka J---------1— (km) Obr. ]-]. Schematický PT (tlak, teplota) diagram s vyznačením polí pro stupně metamorfózy a diagenezi. V diagramu je také vyznačena křivka tavení hydratovaného granitu a pole podmínek, které na Zemi neexistují, Metamorfní procesy • Při metamorfních procesech dochází ke krystalizaci, tj. vzniku minerálů v pevném stavu za velmi širokých PTX podmínek v rámci zemské kůry i zemského pláště. V tomto případě nedochází většinou k velkým změnám chemického složení kromě odnosu H20. Mineralogický systém Minerály jsou pro větší přehlednost členěny do mineralogického systému. Základní vlastnostmi jsou chemické složení minerálů a jeho krystalová struktura (vnitřní stavba). Prvky Au, Cu, Ag, S, C Sulfidy (sirníky) PbS, ZnS, FeS2, MoS2, Halovce NaCI, CaF2 Oxidy a hydroxidy (kysličníky)Si02, Al203, Fe203 Karbonáty (uhličitany) CaC03 Sulfáty (sírany) BaS04 Fosfáty (fosforečnany) Ca5(P04)3 F Silikáty (kremičitany) Mg2Si04, AI2Si05 Organické minerály CaC204. H20 Prvky Grafit C - vyskytuje se v horninách kůry Diamant C - vyskytuje se v horninách pláště Sulfidy Pyrit FeS2 hojný v různých typech hornin Galenit PbS na ložiskách Pb,Zn rud ©1994 Encycltjp-aedi-a Brit-annica, Inc. Oxidy Křemen Si02 - nejrozšířenější minerál v zemské kůře, hojný v různých typech hornin s vysokým obsahem Si02 Hematit Fe203 Magnetit FeO.Fe203 Limonit Fe203.A7H20 Oxidy Karbonáty Kalcit CaC03 Dolomit CaMg(C03)2 vyskytují se hlavně v horninách při povrchu zemské kůry Silikáty • Největší a nejdůležitější skupina minerálů v mineralogickém systému. Zahrnuje většinu horninotvorných minerálů. Podle uspořádání Si04 tetraedru, které jsou hlavním stavebním prvkem těchto minerálů, je dělíme do několika skupin. tetraedry Si044" + kationty kovů (Ca, Mg, Na) mohou se spojovat (mají společný kyslík) - pak se zmenšuje počet volných vazeb Si4+ může být v tetraedru nahrazen Al3+. -V 4 Silikáty • Členění silikátů podle uspořádání tetraedru Si04 nesosilikáty so rosil i katy cyklosilikáty inosilikáty fylosilikáty tektosilikáty 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 Skupina • (Mg,Fe)2Si04 Obecný vzorec M2Si04 M = Mg, Fe2+ Forsterit Mg2Si04 Fayalit Fe2 Si04 • hlavní minerál hornin svrchního pláště olivínu '^aVZoVZ v_y rrn n, mŕr, n, ékr, n Skupina granátu • Obecný vzorec A3B2(Si04)3 A= Fe2+, Mn, Ca, Mg B = Al, Fe3+ Velmi variabilní složení Pyrop Mg3 AI2Si3012 horniny pláště Almandin Fe3 Al2 Si3012 metamorfované horniny kůry Skupina • Minerály této skupiny mají stejné chemické složení, ale liší se strukturou a podmínkami vzniku. • Sillimanit - jehlicovité až vláknité agregáty, metamorfované horniny • Andalusií - 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) AI2Si05 !t0 100 Figure 3.37. Phase equilibrium diagram showing experimental brackets for the AijSiOj equilibria (rectangles) and the untvariant equilibria computed with the Clapeyron equation using entropies derived from the heat capacity measurements of Robie and Hemingway (198