Mineralogie procesy vzniku minerálů Přednáška č. 8
MINERALOGIE GENETICKÁ Minerály jsou sloučeniny chemických prvků. Prvky podléhají neustálému koloběhu. Minerály vznikají, zanikají, koncentrují se nebo rozptylují v závislosti na podmínkách geotektonického prostředí ve kterém se nachází. Příčiny koloběhu prvků Vznik minerálů Vnější působením exogenních sil na zemském povrchu (voda, slunce, 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 vln a jim odpovídajících změn měrné hmotnosti, tlaku a teploty vzrůstající v 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: SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, FeO, MgO, CaO, K 2 O, Na 2 O Lehce těkavé složky magmatu: H 2 O, H 2 S, CO 2, CO, B 2 O 3, 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 SiO 2 krystaluje jako poslední křemen. Při velkém nedostatku SiO 2 (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 o C). Jejich součástí jsou komplexní sloučeniny síry a halogenových prvků s kovy: [AgCl 2 ] - [PbCl] + [PbCl 3 ] - [HZnS 2 ] - [HPbS 2 ] - [HgHS 2 ] - 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 Cu Zn Pb Sb Hg U 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 315-375 o C vyvěrají z puklin pod tlakem a v jejich okolí se tvoří masivní polohy sulfidů, oxidů a hydroxidů kovů a amorfního SiO 2.
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, Fe 2+, 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[HCO 3 ] 2. Při poklesu parciálního tlaku CO 2 se tvoří kalcit CaCO 3. Takto vznikají krápníky, povlaky a sintry. Z roztoků nad 29 o C vzniká aragonit (rombická forma CaCO 3 ). 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 CO3 2-. 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 CO3 2-
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
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 Horniny přeměněné (metamorfované) 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.