Mineralogie Jiří Mališ

1. MineralogieJiří Mališ Přednáška pro odborný seminář s geovědní tematikou 16. 9. 2011 Určeno pro pedagogy ZŠ a SŠ Tuto akci podpořil Regionální koordinátor pro popularizaci technických a přírodovědných oborů v Moravskoslezském kraji. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz

2. Klasifikace minerálů 1735 C. Linné - první mineralogický systém založený na fyzikálních vlastnostech nerostů  1750 A. Cronstedt - mineralogický systém podle chemických vlastností  1854 J.D. Dana - chemický systém minerálů, téměř nezměněn vydržel 100 let  Od dvacátých let 20. století se rozvíjí rentgenometrie krystalů a určování struktur. Čistě chemický systém se mění na tzv. krystalochemický.  1941 H. Strunz - jediný úplný krystalochemický systém.  ·        Minerály rozděleny do deseti tříd podle příbuznosti aniontů nebo aniontových skupin.  ·        Minerály se stejnou aniontovou skupinou mají podobné vlastnosti a vyskytují se ve stejných nebo podobných paragenezích.  ·        Třídy se dělí na oddělení podle poměru hlavních prvků, přítomnosti cizích aniontů nebo podle krystalové struktury.

3. Klasifikace minerálů • Nejpoužívanější klasifikace minerálů zahrnuje tyto třídy a oddělení: • Třída prvků (slitiny, karbidy, nitridy, fosfidy) • Třída sulfidů (selenidů, telluridů, arsenidů, antimonidů, bismutidů) • Třída halogenidů • Třída oxidů a hydroxidů (arsenitů, selenitů, telluritů, jodátů) • Třída nitrátů, karbonátů a sulfitů • Třída borátů • Třída sulfátů, chromátů, molybdátů, wolframátů • Třída fosfátů (arsenátů, vanadátů) • Třída silikátů • Třída organických minerálů (organoidů)

4. Klasifikace minerálů • Třída silikátů • oddělení nesosilikátů bez cizího aniontu • oddělení nesosilikátů s cizím aniontem • oddělení sorosilikátů • oddělení cyklosilikátů • oddělení inosilikátů • oddělení inosilikátů strukturně přechodných k fylosilikátům • oddělení fylosilikátů • oddělení tektosilikátů bez cizích aniontů • oddělení tektosilikátů s cizími anionty • oddělení zeolitů

5. 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: • oddělení těžší „sulfidické“ taveniny – tzv.likvace. Krystalují sulfidy Fe, Ni, Cu – pyrhotin, pentlandit, chalkopyrit, cubanit. • 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 • spontánní tuhnutí magmatu a vylučování hlavních horninotvorných nerostů – tzv. hlavní krystalizace. Minerály krystalizují zpravidla podle Bowenova krystalizačního schématu.

7. 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.

8. 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. Vznik minerálů z hydrotermálních roztoků Tyto vodní roztoky jsou velmi horké (374oC). Jejich součástí jsou komplexní sloučeniny síry a halogenových prvků s kovy: [AgCl2]- [PbCl]+ [PbCl3]- [HZnS2]- [HPbS2]- [HgHS2]-

9. Zjednodušený řez jáchymovskou rudní oblastí. Hlavními složkami žil jsou minerály stříbra, vizmutu, kobaltu, niklu, olova a uranu. 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.

10. Au Bi As Cu Zn Pb Sb Hg U Ag 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: 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

11. 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 315-375oC vyvěrají z puklin pod tlakem a v jejich okolí se tvoří masivní polohy sulfidů, oxidů a hydroxidů kovů a amorfního SiO2.

12. 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

13. 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.

14. 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

15. 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

16. 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

17. Vznik nerostů metamorfogenními pochody Metamorfóza – přeměna nerostu při které se v pevném stavu chemicky a strukturně přizpůsobí změněným fyzikálním a chemickým podmínkám (teplotě, tlaku, chemické aktivitě roztoků). • 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

18. Vývojový cyklus zemské kůry Vznik nerostů metamorfogenními pochody • 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.

19. Schematické znázornění regionální metamorfózy

20. Schematické znázornění kontaktní 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 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

21. HORNINY MAGMATICKÉ Vznik magmatických hornin krystalizací přirozené silikátové taveniny označované jako magma. vyvřelé horniny se rozdělují na horniny hlubinné, žilné a výlevné. Pokud magma zůstane v hloubce uvnitř zemské kůry, dochází během pozvolného ochlazování, ke vzniku různých typů hlubinných vyvřelých hornin. Díky dlouhotrvající krystalizaci (řádově mil. roků) se hlubinné horniny vyznačují makroskopicky zrnitou hmotou. Velikost minerálů se zpravidla pohybuje od několika milimetrů až do několika centimetrů. Má-li magma možnost prostupovat podél tektonických trhlin směrem k zemskému povrchu, vznikají v případě utuhnutí magmatu v puklinách deskovitá tělesa různé mocnosti. V příčném pohledu připomínají žíly - žilné horniny. Vyznačují se hmotou, ve které jsou větší, okem viditelné krystaly minerálů obklopeny jemně zrnitou hmotou, která utuhla až v puklině rychlejším ochlazováním. Např. vyšší koncentrací těkavých složek, jako H20, CO2, F, B, může krystalizace i v těchto místech vést ke vzniku zvláštní žilné horniny pegmatitu s krystaly o rozměru i několik decimetrů.

22. Dostoupí-li magma až k zemskému povrchu a dojde k jeho výlevu, vznikají horniny výlevné, označované také jako vulkanity. Ochlazování taveniny na povrchu (lávy) probíhá ve srovnání s předchozím velmi rychle, a to podmiňuje často makroskopicky celistvý vzhled hmoty vulkanitů. Textury magmatických hornin - orientace a rozložení součástek (např. všesměrná, šmouhovitá, kulovitá) - vyplnění prostoru horninovým materiálem (např. masivní, pórovitá, mandlovcovitá) - velikosti zrn (podle skutečné velikosti např. jemně zrnitá, hrubě zrnitá, nebo podle relativní velikosti porfyrická, stejnoměrně zrnitá) - stupně krystalizace (např. holokrystalická) - omezení minerálů (např. hypidiomorfní)

23. Textury magmatických hornin

24. Textury magmatických hornin

25. Minerály magmatických hornin pouze výčet nejdůležitějších minerálů, běžně se vyskytujících ve vyvřelých horninách. Mezi nejhojnější minerály, zastoupené ve většině hornin i v největším objemovém množství, patří skupina živců. Ty se dělí podle přítomných kationtů na živce draselné, označované obvykle K-živce, a na živce sodno-vápenaté, značené Na-Ca živce tzv. plagioklasy. Dále je velmi běžným a důležitým minerálem křemen, který spolu s živci má zásadní klasifikační význam. Následující minerály se v nejrozšířenějších typech hornin zpravidla vyskytují jako minerály podružné. Jsou to slídy muskovit a biotit, dále amfiboly, pyroxeny, foidy, a zcela v nepatrném množství pak turmalín, granát, olivín, analcim a ze sulfidů pyrit.

26. Podrobné členění vychází z kvantitativního zastoupení vybraných horninotvorných minerálů. Ke klasifikačním účelům se využívá těchto minerálů: Q - křemen, A - alkalické živce, P - plagioklasy, F - foidy, M - mafické (tmavé) minerály. Horniny s obsahem mafických minerálů do 90 % se klasifikují podle světlých minerálů, s vyšším obsahem, podle tmavých minerálů. Přesné zařazení do diagramu je možné až po kvantitativní mikroskopické analýze obsahu minerálů z výbrusu horniny. Vysvětlivky k diagramu: I - granitoidy, II - syenitoidy, III - dioritoidy, IV - gabroidy, V - foidové syenitoidy, VI - foidové dioritoidy, VII - foidotity, VIII - anortozity (horniny tvořené převážně z plagioklasů). Klasifikace magmatických hornin Základní rozdělení vyvřelých hornin je možné provést z genetického hlediska na horniny hlubinné, žilné a výlevné.

27. Podle obsahu SiO2 se vyvřeliny rozdělují na horniny: kyselé (obsah SiO2 - nad 65%), pro které je typické to, že obsahují křemen v podstatném množství. Jsou to např. všechny granitoidy. intermediární (obsah SiO2 - 52 až 65 %), které prakticky křemen neobsahují nebo jen v nepatrném množství. Běžnými intermediárními horninami jsou syenit nebo diorit. bazické (obsah SiO2 - 44 až 52 %) horniny jsou bezkřemenné, bohaté na tmavé minerály jako je amfibol, pyroxen, olivín. ultrabazické (obsah SiO2 - pod 44%) jsou složeny výhradně z tmavých minerálů. Klasifikace založené na celkovém chemizmu jsou účelné jen pro některé typy hornin, zvláště pro vulkanity a pro řešení genetických problémů.

28. Klasifikace magmatických hornin

29. Klastické sedimenty • V klasifikaci a pojmenování sedimentů je větší zmatek než u vyvřelin a metamorfik. • Důvody: • Více klasifikačních kritérií než u vyvřelin a metamorfik (mineralogická, strukturní, chemická) • Použití technických a technologických kritérií. • Složení je proměnlivější než u magmatitů a metamorfitů. • Existuje víc českých názvů, které bývá problém zaředit do klasifikace. • Další problémy: • sedimentologické a geologické názvosloví • zpevněné a nezpevněné sedimenty • původní a současné složení • české, řecké a latinské názvy (viz tabulka č.1) Návod k pojmenování a klasifikaci sedimentů

30. Obecné názvy užívané pro klastické sedimenty a jejich vysvětlení

31. Tipy na výlet Uhlířský vrch    Jedná se o nejznámější a nejlépe dostupný sopečný útvar v Nízkém Jeseníku. Nachází se asi 2 km JZ od Bruntálu, kde tvoří nápadný pahorek (671 m n. m.), zvýrazněný barokním kostelíkem z r. 1758. geologie:    Uhlířský vrch je denudačním reliktem rozsáhlejšího vulkánu smíšeného typu, který vznikl během explozivních a efuzivních fází. Z násypného sopečného kužele, pocházejícího z mladší fáze, zůstaly zachovány dva denudační zbytky. V j. výskytu (obr. 1), který je odkryt řadou stěnových lomů, je patrna jeho vnitřní stavba. Na složení pyroklastického materiálu se podílejí hlavně lapili (40-80 %), méně pak sopečné bombičky, bomby a strusky (10-50 %) a nejméně sopečný písek a popel. Někdejší vulkanické centrum se nacházelo asi 200 m sz. od kostelíku.    Produkty starší efuzívní fáze známé pouze z vrtných prací. Během mladší fáze vzniklo rozsáhlé těleso lávového proudu o délce 1,8 km. Efuze vyplnila mělkou terénní depresi směřující k V do údolí Černého potoka. V koncové části proudu byly ve vrtech zjištěny písečné jíly s hojnými hrubými valouny křemene, které se nacházely ve výšce 12 m nad dnešní údolní nivou. Petrograficky jsou efuzivní horniny tvořeny nefelinickým bazaltem až olivinickým nefelinitem. Podle radiometrických analýz je stáří fuze datováno na 2,4 +/- 0,5 mil. roků (pliocén, pleistocén), přičemž pravděpodobnější je údaj o nižší hodnotě

32. Tipy na výlet 1995).

33. Tipy na výlet Vápenná - Vycpálkův lom lokalizace: Vápenná, 2,5 km J od Žulové, Vycpálkův lom - starý zatopený kamenolom na J svahu kóty 500,2 m, 1,5 km V od Vápenné geologie:    Nad lomem jsou odkryté kontakty granitoidů žulovského masívu s krami mramorů. Na kontaktu obou hornin vznikaly v relativně výšeteplotních podmínkách vápenaté skarny, které vykazují metasomatickou zonálnost. Na straně mramoru je vyvinutá zóna wollastonitu, následuje diopsid a dále zóna granátu, nebo je zonálnost komplikovaná. V některých případech byl při reakcích zcela vyčerpán mramor a vznikl vápenatý skarn s méně výraznou zonálností, obvykle prokřemenělý a epidotizovaný. Lokalita je mezi mineralogy proslavená hlavně nálezy velkých volných i zarostlých krystalů granátu (Fe-grosulár = hesonit).

34. Tipy na výlet

35. Kde se dají nalézt informace o minerálech a jejich lokalitách http://un2sg4.unige.ch/athena/mineral/mineral.html http://www.8ung.at/geologie/eetymol.htm http://www.mujweb.cz/www/jirimek/ http://webmineral.com/ http://www.minerals.net/ http://www.gweb.cz/