5 CHEMICK A MINERLNE ZLOENIE ZEMSKEJ KRY Diferenciciu

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 – chondrity = kamenné meteority) materiálu a rozdelenie na zemské obaly bolo spôsobené hustotnou diferenciáciou v dôsledku gravitácie Chalkofilné afinita k S S 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 Cu Siderofilné tvoria zliatiny s Fe Pb Atmofilné Sb N Fe As H Ni Zn He Co Sn P Hg Pt Ag C Mo Siderofilné prvky tvoria zliatiny s Fe Chalkofilné prvky majú afinitu k S

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 – Si. O 2, Ti. O 2, Al 2 O 3, Fe. O, Mn. O, Mg. O, Ca. O, Na 2 O, K 2 O, H 2 O, P 2 O 5 Vlastnosti hornín závisia aj od veľkosti a tvaru stavebných častíc → štruktúra a usporiadania stavebných častíc → textúra Horniny podľa vzniku delíme : ü magmatické (vyvreté) – stuhnuté z taveniny (magmy) ü sedimentárne (usadené) – usadené z roztokov a voľných častíc ü metamorfované (premenené) – zmenené teplom a tlakom ü 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: ü tuhé kryštalické látky (výnimka Hg, voda / ľad) ü prírodného pôvodu ü anorganické ü 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)

Dendrity Drúza / Agregát Geóda

Tvar kryštálov Idiomorfné kryštály – kryštály dokonale obmedzené vlastným tvarom 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 Šesťuholníková – hexagonálna Trojuholníková – trigonálna Kocková - kubická

Polymorfózy (polymorfné modifikácie) – chemicky rovnaké, hustotne (g. cm-3), tvrdosťou, farbou, kryštalograficky. . odlišné minerály napr. Al 2 Si. O 5 andaluzit 3, 15 g. cm-3 silimanit 3, 25 g. cm-3 rombický kyanit (distén) 3, 63 g. cm-3 triklinický napr. Si. O 2 – stabilná modifikácia kremeňa (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 (p. T podmienky) v mieste vzniku → geologický termobarometer (ak vieme za akých p. T podmienok vzniká vieme určiť podmienky premeny v hornine) - ako citlivé indikátory presne stanoviteľných p. T podmienok slúžia mnohé minerály (nie iba modifikácie !)

Fyzikálne vlastnosti minerálov q 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 q Štiepateľnosť minerálov – vlastnosť odlamovať sa podľa rovných plôch → štiepne tvary → lístky, stĺpce, kocky. . . - lomové plochy – závisia od kvality štiepateľnosti → nerovné lomové plochy → nedokonalá štiepateľnosť q Farba – farebné minerály majú charakteristickú / nemennú farbu - farba vrypu / farba oteru môže byť zhodná alebo rozdielna od farby minerálu (napr. hematit Fe 2 O 3) zafarbené minerály – zafarbenie spôsobujú prímesy napr. kremeň (Si. O 2) → citrín – žltý, ametyst – fialový, ruženín – ružový, záhneda – hnedá korund (Al 2 O 3) → zafír – modrý, rubín - červený

Farba minerálov je spôsobená obsahom prvkov a naopak farba môže byť dobrým indikátorom prítomnosti prvkov v mineráli napr. pyroxén, amfibol, olivín → obsahujú Fe, Mg → tmavé minerály (oceánska kôra) živce, kremeň → obsahujú Na, Ca, K, Si, → svetlé minerály (pevninská kôra) q Priesvitnosť – schopnosť prepúšťať svetlo, minerály, ktoré svetlo neprepúšťajú sa nazývajú opakné q Lesk – kvalita a intenzita odrazu svetla od povrchu minerálu q Tvrdosť – odolnosť minerálu proti vnikaniu cudzieho predmetu (poškrabaniu) - Mohsova stupnica tvrdosti :

q 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 (nie na každom mieste povrchu Zeme je gravitačné zrýchlenie rovnaké) → 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 (Fe. S 2), chalkopyrit (Cu. Fe. S 2), galenit (Pb. S), sfalerit (Zn. S) HALOGENIDY halit (Na. Cl) OXIDY A HYDROXIDY kremeň (Si. O 2), magnetit (Fe 3 O 4), hematit (Fe 2 O 3) KARBONÁTY kalcit (Ca. CO 3), dolomit Ca. Mg(CO 3)2 SULFÁTY sadrovec Ca(SO 4). 2 H 2 O, anhydrit Ca. SO 4 FOSFÁTY apatit Ca 5 F(PO 4)2 SILIKÁTY olivín (Mg, Fe)2 Si. O 4, sľudy, živce

Horninotvorné minerály na základe zastúpenia horninotvorných minerálov v horninách rozlišujeme : minerály hlavné minerály vedľajšie minerály akcesorické > 10% do 10% < 1% ü hlavné minerály určujú typ horniny a sú dôležité z hľadiska zaradenia horniny do systému napr. granit (hlavné minerály: živec, kremeň) ü vedľajšie minerály sa v názve horniny charakterizujú adjektívom napr. biotitický granit ü čím je vedľajšieho minerálu viac tým je adjektívum bližšie k systematickému názvu napr. muskoviticko-biotitický granit (biotit > muskovit)

Karbonáty – uhličitany jedny z najdôležitejších horninotvorných minerálov z triedy karbonátov sú : kalcit Ca. CO 3 dolomit Ca, Mg (CO 3)2 oba kryštalizujú v trigonálnej sústave, vytvárajú klencové kryštály, sú dobre štiepateľné, kalcit reaguje so zriedenou HCl

Oxidy – kysličníky najvýznamnejší je kremeň - Si. O 2 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 (Si. O 4)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 (Si. O 4)4 Olivín (Mg, Fe)2 Si. O 4 – je zmes dvoch ľubovoľne substitujúcich zložiek fosterit - Mg 2 Si. O 4 fayalit – Fe 2 Si. O 4 olívín je minerál vyskytujúci sa hlavne v bázických a ultrabázických horninách (horninách chudobných na Si. O 2) spoločne s pyroxénom, amfibolom

ďalším významným minerálom s izolovanými tetraédrami sú granáty napr. pyrop (Mg 3 Al 2 (Si. O 4)3 granáty sú predovšetkým súčasťou metamorfovaných hornín (granátické svory)

silikáty s reťazcami tetraédrov - (Si. O 3)6 - ; (Si 8 O 22)12 patria sem dôležité hornitvorné minerály pyroxény – s jednoduchým reťazcom tetraédrov (Si. O 3)6 amfiboly – s dvojitým reťazcom tetraédrov (Si 8 O 2)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 KAl. Si 3 O 8 sodno – vápenáté živce = plagioklasy – plagioklasy vznikajú vzájomným miešaním albitovej zložky Na. Al. Si 3 O 8 a anortitovej zložky Ca. Al 2 Si 2 O 8 s narastajúcim podielom anortitovej zložky klesá zároveň podiel Si. O 2 → klesá acidita a stúpa bázicita plagioklasov (a tým aj materskej horniny) ALBIT ak je v magme nedostatok Si. O 2 tvoria sa zástupcovia živcov – foidy vyskytujú sa vo vyvretých horninách najrozšírenejšie foidy sú : 0 - 10 % An OLIGOKLAS 10 - 30 % An ANDEZÍN 30 - 50 % An LABRADORIT 50 - 70 % An leucit - KALSi 2 O 8 BYTOWNIT 70 - 90 % An nefelín - Na. Al. Si. O 4 90 - 100 % An ANORTIT

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 resp. spevňovanie) - chemické zloženie (napr. magma primárne bohatá / chudobná na Si. O 2) - p. T 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)