Přednáška č. 8
•
Mineralogie – procesy vzniku minerálů
MINERALOGIE GENETICKÁ
Minerály jsou sloučeniny chemických prvků. Prvky podléhají neustálému
neustálému koloběhu.
Minerály vznikají, zanikají, koncentrují se nebo rozptylují v závislosti
závislosti na podmínkách
geotektonického prostředí ve kterém se nachází.
Vznik minerálů
Příčiny koloběhu prvků
Vnější – působením exogenních sil na zemském povrchu (voda, slunce, vzduch)
vzduch)
Vnitřní – působením vnitřní energie Země.
Vznik nerostů
Schematické znázornění stavby
zemského tělesa
Můžeme rozdělit do tří hlavních skupin:
•procesy endogenní (magmatogenní
(magmatogenní))
•procesy hypergenní (exogenní)
•procesy metamorfogenní
Slupkovitá stavba Země byla odvozena ze studia rychlosti šíření zemětřesných
zemětřesných
vln a jim odpovídajících změn měrné hmotnosti, tlaku a teploty vzrůstající
vzrůstající
směrem do hloubky.
Vznik minerálů
Magma
směs tvořená silikátovou taveninou + krystaly silikátů a rudních minerálů + fluidní fází
Poměr těchto tří složek je proměnlivý.
Magma obsahuje téměř všechny prvky periodického systému. Jeho složení se mění podle
podmínek vzniku a také během chladnutí.
Hlavní složky magmatu:
SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, K2O, Na2O
Lehce těkavé složky magmatu:
H2O, H2S, CO2, CO, B2O3, HF, HCl
Minoritní a stopové prvky
Minerály jsou z magmatu vylučovány při jeho chladnutí. Magma se postupně rozčleňuje na
pevnou, likvidní a plynnou fázi. Přitom dochází ke změnám jeho složení. Krystalizace minerálů
probíhá pomalu.
Jednotlivé fáze vylučování minerálů z magmatu:
1.
oddělení těžší „sulfidické“ taveniny – tzv. likvace. Krystalují sulfidy Fe, Ni, Cu –
pyrhotin, pentlandit, chalkopyrit, cubanit.
2.
vylučování málo rozpustných nerostů s vysokými body tání – tzv. segregace
(počáteční krystalizace). Nerosty tvořící ložiska – magnetit, ilmenit, chromit. Nerosty
akcesorické – titanit, zirkon, apatit, granáty, diamant
3.
spontánní tuhnutí magmatu a vylučování hlavních horninotvorných nerostů – tzv.
hlavní krystalizace. Minerály krystalizují zpravidla podle Bowenova
krystalizačního schématu.
Nerosty mezi olivínem a biotitem spotřebují většinu železa obsaženého v magmatu . Proto mají
obvykle zelenou, hnědou až černou barvu. Nazývají se melanokratní. Minerály na pravé straně
schématu jsou světlé, nazývají se leukokratní. Po vyloučení biotitu končí i tvorba plagioklasů.
V případě magmatu bohatšího na SiO2 krystaluje jako poslední křemen.
Při velkém nedostatku SiO2 (přebytku alkálií a hliníku) nevznikají živce, ale tzv. foidy (zástupci
živců) – leucit, nefelín, sodalit, hauyn.
Vznik minerálů v pegmatitech
Zbytková tavenina je v závěru krystalizace magmatu obohacena plynnou a kapalnou fází.
Obsahuje zvýšené koncentrace prvků, které nevstupovaly do struktur hlavních
horninotvorných nerostů.
Tuhnutím zbytků taveniny vznikají pegmatity
Mohou obsahovat minerály vzácnějších prvků – Li, Be, B, Mn, Zr, Ta, Nb, V, aj.
Přítomnost těkavých složek ovlivňuje velikost vznikajících minerálů – pegmatity jsou velmi
hrubozrnné a minerály často dosahují velkých rozměrů.
Typické minerály – křemen, ortoklas, muskovit, turmalín, lepidolit, spodumen, beryl, rutil,
ilmenit, titanit, zirkon, tantalit, niobit, andalusit, korund, topaz, kryolit.
Vznik minerálů z hydrotermálních roztoků
Tyto vodní roztoky jsou velmi horké (374 oC). Jejich součástí jsou komplexní sloučeniny síry a
halogenových prvků s kovy:
[AgCl2]-
[PbCl]+
[HZnS2]-
[PbCl3][HPbS2]-
[HgHS2]-
Příklad jednoduché rudní žíly z ložiska Cínovec.
Na stěnách otevřené pukliny se z roztoku
vyloučila nejprve ruda cínu – kassiterit a
wolframu – wolframit. Potom se vyloučil křemen a
na konci při klesající teplotě a tlaku minerály
fluorit a scheelit.
Možné zdroje vody pro hydrotermální roztoky:
• Magmatické procesy v jejichž závěru může být voda uvolňována.
• Sedimenty uvolňující vodu při kompakci (stlačování) vlivem tlaku nadloží.
• Minerály obsahující vodu vázanou nebo ve formě OH skupin, kterou uvolňují při
metamorfóze.
• Voda vadozní (atmosférická) pronikající z povrchu do větších hloubek zemské kůry.
Každé hydrotermální ložisko představuje komplikovaný systém na jehož vzniku se podílí řada faktorů.
Zjednodušený řez jáchymovskou rudní
oblastí. Hlavními složkami žil jsou
minerály stříbra, vizmutu, kobaltu, niklu,
olova a uranu.
Pro hydrotermální roztoky je charakteristický obsah těžkých kovů.
Se sirovodíkem vytváří sulfidy jako rudní ložiska.
Sulfidy se z roztoku nevylučují současně. Schematická řada vylučování kovů z roztoků podle
klesající teploty:
Au
Bi
As
U
Cu
Zn
Pb
Sb
Hg
Ag
klesá teplota
Nerudní minerály sulfidických hydrotermálních ložisek představují: křemen, siderit, baryt, kalcit.
Formy výskytu ložisek:
• žilné – výplň puklin a trhlin
• metasomatické – vytlačení a nahrazení nerostu jiným nerostem
• impregnační – vylučování minerálů v porézních horninách
Příklad recentního vzniku hydrotermálních minerálů
Ze dna v Rudém moři vyvěrají horké prameny slaných vod v jejichž blízkosti dochází ke srážení
sulfidů železa, mědi a zinku.
Podobné vývěry byly
pozorovány i jinde
(Galapágy), většinou na
hranici litosférických
desek v místě aktivních
středooceánských
hřbetů. Rudotvorné
roztoky o teplotě 315375oC vyvěrají z puklin
pod tlakem a v jejich
okolí se tvoří masivní
polohy sulfidů, oxidů a
hydroxidů kovů a
amorfního SiO2.
Alpská parageneze
Asociace minerálů vzniklá z hydrotermálních roztoků neobsahujících sulfidy.
Označení je podle míst typického výskytu.
Formy výskytu: drůzovité agregáty vyplňující dutiny po plynech ve vyvřelé hornině nebo
vyplňující pukliny v okolních horninách.
Krystaly jsou často dokonale vyvinuté a veliké.
Typické minerály:
křemen (křišťál, záhněda)
Alpská parageneze
Asociace minerálů vzniklá z hydrotermálních roztoků neobsahujících sulfidy.
Označení je podle míst typického výskytu.
Formy výskytu: drůzovité agregáty vyplňující dutiny po plynech ve vyvřelé hornině nebo
vyplňující pukliny v okolních horninách.
Krystaly jsou často dokonale vyvinuté a veliké.
Typické minerály:
• křemen (křišťál, záhněda)
• živec (adulár, albit, periklin)
• uhličitany (kalcit, dolomit, siderit)
• epidot, aktinolit, hematit (železná růže), rutil, titanit, fluorit, zeolity
Vznik nerostů hypergenními pochody
Zvětrávání může mít charakter mechanický – vlivem proudění vody, větru, teplotních
změn, gravitace a dalších činitelů. Látková podstata se nemění. Nebo chemický – vliv
hydratace, hydrolýzy, oxidace, redukce, apod. Vznikají nové minerály.
Mechanické zvětrávání
Obvykle v chladném podnebném pásmu nebo v teplém aridním (pouštním) klimatu. Nerosty jsou
transportovány vodou nebo větrem a za vhodných podmínek se usazují. Těžké minerály se mohou
hromadit a vytvářet tzv. rozsypy (rýžoviska) – magnetit, ilmenit, granáty, zirkon, monazit, kasiterit,
diamant, zlato, platina.
Chemické zvětrávání
Látková změna primárních minerálů a následný vznik nových. Rozkladem vzniká z nerostu část
rozpustná (Na, K, Ca, Mg, Fe2+, Al, Si) Rozpuštěné složky buď putují dále (Na, Mg – do oceánů)
nebo se vážou na koloidy (K – sorbován v půdách). Při změně pH dochází k vysrážení
rozpuštěných složek z roztoku (Fe, Ca, Mn) a vzniku nových minerálů – tvoří tzv. zvětralinový plášť.
Intenzitu chemického zvětrávání ovlivňuje klima:
Mírné pásmo – převládá tvorba jílových minerálů nad oxidy a hydroxidy
Humidní tropy – převládá tvorba oxidů a hydroxidů. Horniny bohaté na živce se rozkládají a
vznikají laterity nebo bauxity. Zvětráváním ultrabazických hornin vznikají zvětraliny bohaté na Ni,
Co, Fe (Kuba, Nová Kaledonie, střední Ural)
Vliv pH:
Kyselé prostředí – vznikají minerály skupiny kaolinitu
Zásadité prostředí – vznikají minerály skupiny montmorillonitu
Vznik nerostů hypergenními pochody
Vznik soli
Ložiska soli vznikají tam, kde je
odpařování mořské vody velmi
silné a je omezená výměna vody
s okolním mořem. V Kaspickém
moři v zálivu Kara-Bogaz byl
silný výpar a voda proudila jen
jedním směrem z Kaspického
moře do zálivu. Salinita zálivu
byla velká a přítok vody z moře
tak vysoký, že se začala snižovat
hladina Kaspického moře. Proto
byla postavena hráz, která
umožňovala přítok do zálivu
regulovat.
Vznik bauxitu
Rudou pro výrobu hliníku a oxidu hlinitého je bauxit. Je to zvláštní případ zvětraliny ze které
byly odneseny téměř všechny složky původní horniny – oxid křemičitý, oxid hořečnatý,
vápenatý, atd. Větší část bauxitu tvoří minerály hliníku. Na obrázku je řez ložiskem bauxitu v
Maďarsku.
1 čtvrtohorní
(současný) pokryv
2 vrstva vápenců
3 třetihorní jíly s
nepříliš mocnými
slojkami uhlí
4 ložisko bauxitu
5 méně kvalitní bauxit
s vysokým obsahem
jílu
6 podložní dolomitické
horniny
Vznik bentonitu
Sedimentární ložisko bentonitu, jílovité horniny tvořené minerálem montmorillonitem, která se
používá ve slévárenství, farmacii a jinde. Bentonit vznikal z horkého sopečného popela který
napadal do jezera a tam se změnil na jílovitou hmotu. V nadloží bentonitu je lávové příkrovy a tufy
a nad nimi je produktivní uhlonosné souvrství tvořené miocenními jíly a písky s mocnou uhelnou
slojí. Příklad je ze severočeské uhelné pánve.
1 slínovce
svrchní křídy
2 bentonit
3 čedičový
lávový příkrov
4 sopečný
popel, tuf
5 lávový proud
6 jíly a písky
7 uhelná sloj
8 nadložní jíly
Vznik kaolinitu
Ložisko kaolínu tvoří v třetihorách zvětralá žula. Ta přechází do primárního kaolínového
lože s nedokonale rozloženým živcem, který směrem k povrchu mizí. Vlastní fosilní
zvětraliny jsou pokryty přeplaveným kaolínem. V nadloží leží sedimenty hnědouhelné
pánve a usazeniny související s blízkým stratovulkánem Doupovských hor.
Příklad z lokality Mírová u Karlových Varů.
7 čtvrtohorní
štěrky, písky a
hlíny
6 vulkanické
usazeniny
5 uhlí a uhelné jíly
4 přeplavený kaolín
3 kaolín
2 kaolín s
nedokonale
rozloženými živci
1 navětralá žula
Vznik kalcitu
Ca migruje v roztoku ve formě Ca[HCO3]2. Při poklesu parciálního tlaku CO2 se tvoří kalcit CaCO3.
Takto vznikají krápníky, povlaky a sintry. Z roztoků nad 29oC vzniká aragonit (rombická forma
CaCO3).
Uvolněný kyslík může reagovat se železem za tvorby hydroxidu – žluté až hnědé zabarvení
travertinů.
Uhlík se ve vodách vyskytuje
v různých formách, a to buď
ve volné formě jako
rozpuštěný plyn CO2, nebo v
polovázané formě jako
záporně nabitý aniont HCO3-,
nebo konečně ve vázané
formě jako záporně nabitý
aniont CO32-.
Vzájemný poměr těchto forem
závisí hlavně na pH. Tuto
závislost charakterizuje náš
graf. Jak je patrno, s klesající
hodnotou pH ubývá vázaná
forma ve prospěch volného
CO2. Při pH menším než 4,5
je už všechen uhlík ve formě
CO2. Při pH 6,4 je asi
polovina uhlíku ve formě CO2
a polovina ve formě
polovázané, tj. HCO3-. Při pH
8,3 je skoro všechen uhlík ve
formě HCO3-. S rostoucím pH
této formy ubývá ve prospěch
vázané formy CO32-
Horniny přeměněné (metamorfované)
Vznik metamorfovaných hornin
Metamorfované horniny vznikají metamorfózou (přeměnou) magmatických, sedimentárních nebo
starších metamorfovaných hornin.
METAMORFÓZA je proces, při kterém dochází k přizpůsobování již existujících hornin novým
fyzikálně-chemickým podmínkám prostředí, do nichž se postupně dostávají vlivem neustále
probíhajících geologických procesů. Z hlediska geologické pozice probíhá metamorfóza obvykle v
hlubších částech zemské kůry. Od magmatických procesů je odlišná tím, že horninový materiál
zůstává v průběhu metamorfózy v pevném stavu (nevzniká magma). Při metamorfóze horniny
vznikají nové, metamorfní minerály.
U hornin vstupujících do procesu metamorfózy se postupně mění:
textura
minerální složení
chemizmus
Do jaké míry dochází ke změně vlastností u původní horniny závisí na intenzitě působení metamorfních
faktorů, kterými jsou především:
·
teplota
·
všesměrný tlak (hydrostatický, litostatický)
·
orientovaný tlak (stress)
·
parciální tlak fluid
·
chemická aktivita složek vstupujících do procesu metamorfózy
·
čas
Horniny přeměněné (metamorfované)
Metamorfní činitelé
Fyzikální faktory
Teplota
Hlavním zdrojem tepla je energie přiváděná do zemské kůry z pláště magmaty nebo
uvolňovaná radioaktivním rozpadem prvků.
Nejnižší teplota metamorfózy – 80oC
Nejvyšší teplota – 900oC (až do roztavení horniny)
Tlak
nadloží – je funkcí hloubky
směrný tlak (stres) – projevuje se hlavně deformacemi, ale ovlivní také migraci látek
fluidní fáze – součet tlaků jednotlivých složek (vody, CO2, O, S, B, F, aj.)
Čas
setiny vteřiny až jednotlivé roky – šoková metamorfóza
statisíce až miliony let – lokální metamorfóza
desítky milionů let – regionální metamorfóza
Horniny přeměněné (metamorfované)
Chemické faktory
• Chemické potenciály v horninách
Při změně fyzikálních podmínek vznikají v horninách chemické potenciály, které se při
metamorfóze vyrovnávají:
Mezi minerály chemickými reakcemi látek.
Mezi horninami různého složení migrací látek. Důležitá je přítomnost fluidní fáze.
• Chemická rovnováha v horninách
Mezi minerály dochází k nastolení rovnovážného stavu, který odpovídá daným
podmínkám.
Regionální metamorfóza
V zemské kůře má největší význam.
Horniny při ní vznikají ve velkých
regionech.
Vývojový cyklus zemské kůry
Schematické znázornění regionální metamorfózy
Lokální metamorfóza
Způsobena změnami podmínek v prostorově omezených místech zemské kůry. Rozlišujeme
lokální metamorfózu:
• kontaktní – způsobena přínosem tepla na kontaktech vyvřelých a sedimentárních hornin
• dislokační – způsobena drcením hornin na poruchových zónách
Schematické znázornění kontaktní
metamorfózy
Žulové magma pronikající sedimenty
způsobuje zonální uspořádání
minerálů:
andalusit – biotit – chlorit
Přeměněná zóna se nazývá kontaktní
aureola.
1 Masívní kontaktní rohovce
2 Břidličnaté kontaktní rohovce
3 Plodové břidlice
4 Skvrnité břidlice
Horniny přeměněné (metamorfované)
Minerální složení metamorfovaných hornin
Minerální složení má u metamorfovaných hornin zásadní význam pro určení horniny, neboť
odráží podmínky vzniku horniny. Každý minerál je stabilní pouze v určitém rozmezí teploty a
tlaku. Rovněž je pro každý minerál charakteristický určitý interval chemické stability. Při změně
kteréhokoli z výše uvedených faktorů za krajní hodnoty intervalu stability, začne docházet k
postupné přeměně daného minerálu v jiný minerál. Proces směřuje k rovnovážnému stavu
systému, tzn. vzniku takového minerálu, který bude v nových podmínkách stabilní. Pochopení
principu těchto postupných přeměn je základem pro pochopení metamorfních procesů.
Minerály metamorfovaných hornin lze podle původu rozdělit do dvou skupin:
·
minerály, které pocházejí z původních hornin (např. křemen)
·
minerály, které se vytvořily v průběhu metamorfózy - označují se jako metamorfní (např.
sericit, sillimanit)
Křemen, živce, muskovit, biotit, některé pyroxeny a amfiboly, granáty, turmalín, jsou příklady
minerálů, které se vyskytují jak v magmatických, tak i metamorfovaných horninách. S řadou z
nich se setkáváme i v klastických sedimentech díky jejich odolnosti vůči zvětrávání v průběhu
rozrušování výchozích hornin i transportu. Mezi nejodolnější patří křemen, muskovit, granáty.
Kromě výše uvedených, existuje ještě skupina minerálů vznikajících jen při metamorfóze:
některé granáty, andalusit, kyanit neboli disten, sillimanit, cordierit, staurolit, sericit, chlorit,
mastek, serpentin, grafit. Jejich identifikací v hornině lze s největší pravděpodobností považovat
danou horninu za metamorfovanou.
Děkuji za pozornost.
Download

08 Mineralogie a petrografie – vznik minerálů