1
KRZEMIANY, GLINOKRZEMIANY itp. (część 1)
Wiadomości wstępne:
Krzemiany tworzą ok. 95% skorupy ziemskiej. Mogą wykazywać skomplikowany skład chemiczny oraz strukturę
wewnętrzną. Ze względu na dość powszechne tworzenie kryształów mieszanych, klasyfikację krzemianów oparto na strukturze
wewnętrznej.
Podstawowym elementem budującym krzemiany jest kompleksowy anion krzemotlenowy -
[SiO
4
]
4-
tzw. tetraedr.
(rys.1.)
Wiązania Si
-
O noszą nazwę „mostków tlenowych”.
Kondensacja ( rys.2) – jest to zjawisko polegające na
łączeniu się dwóch lub więcej jednakowych jonów
kompleksowych (tetraedrów) w struktury bardziej
złoŜone. W wyniku kondensacji tetraedrów wydziela się
H
2
O lub O
2
.
[SiO
4
]
4-
+ [SiO
4
]
4-
= [Si
2
O
7
]
6-
+ O
Stopień kondensacji krzemianów zaleŜy od stęŜenia tlenu
w stopie krzemianowym.
Krzemiany glinu (berylu, boru, itp) a
gliono-, berylo-, boranokrzemiany
•
Krzemiany (np. Al, B, Be) – Kationy Al, B, Be nie wchodzą w skład anionów kompleksowych, tylko spełniają rolę
głównego kationu, łączącego się z anionem krzemotlenowym za pośrednictwem tlenu (mostek tlenowy).
•
Al-, Be-, B-krzemiany – kationy te mogą tworzyć własne aniony kompleksowe zastępując krzem. W przypadku
Glinokrzemianów kationy
Al
3+
zastępują część kationów
Si
4+
tworząc jony kompleksowe
[AlO
4
]
5-
(zamiast
[SiO
4
]
4-
).
RóŜnica ładunków jest rekompensowana wchodzeniem do struktury dodatkowych kationów ( np.: w skaleniach są to Ca,
Na, K, Mg, itp. np.: Ortoklaz K[AlSi
3
O
8
] )
Przykładem krzemianu glinu jest
kaolinit -
Al
4
[(OH
8
|Si
4
O
10
]
Przykładem glinokrzemianu jest
kordieryt -
Mg
2
Al
3
[
Al
Si
5
O
18
]
Podstawy klasyfikacji:
W wyniku kondensacji (łączenia się) anionów krzemotlenowych tworzą się grupy, pierścienie,
łańcuchy, wstęgi, warstwy oraz struktury przestrzenne. Stopień kondensacji anionu
[SiO
4
]
4-
stał się podstawą klasyfikacji
wszystkich krzemianów, glinokrzemianów i pokrewnych. Podział krzemianów wraz z odpowiadającymi anionami
kompleksowymi oraz przykłady minerałów przedstawiony jest w tabeli poniŜej.
Klasa
Typ
anionu
Przykłady minerałów
wyspowe
samodzielne i nie
powiązane
ze sobą aniony
kompleksowe [SiO
4
]
4-
oliwiny, granaty, cyrkon, subst Al
2
O
3
, topaz, staurolit, tytanit
grupowe
[Si
2
O
7
]
6-
zoizyt - klinozoizyt – epidot - allanit, wezuwian,
turmaliny – elbait, drawit, schörl, uwit, buergeryt)
Tworzą szeregi izomorficzne (najczęściej - schörl z
elbaitem i drawitem)
Krzemiany boru i
boranokrzemiany
(Bawenit) i BERYL Al
2
Be
3
[Si
6
O
18
]
Niektóre krzemiany
berylu, berylokrzemiany,
Be- i Al-krzemiany
1
pierścieniowe
[Si
3
O
9
]
6-
[Si
4
O
12
]
8-
[Si
6
O
18
]
12-
[Si
8
O
20
]
8-
[Si
12
O
30
]
12-
dioptaz, kordieryt
krzemiany i
glinokrzemiany
łańcuchowe
[Si
2
O
6
]
4-
Pirokseny, Fenakit (krzemian berylu)
2
wstęgowe
[Si
4
O
11
]
6
amfibole
3
warstwowe
[Si
4
O
10
]
4-
łyszczki, min. ilaste
4
przestrzenne
[SiO
2
]
kwarc, skalenie
rys.1.
rys.2.
2
Własności fizyczne krzemianów i glinokrzemianów:
łupliwość – jest pochodną budowy wewnętrznej:
•
łańcuchowe i wstęgowe – zwykle 2- kierunkowa (pirokseny i amfibole)
•
przestrzenne – zwykle 3- kierunkowa np.: skalenie, (ale kwarc juŜ nie!)
•
warstwowe – 1-kierunkowa (muskowit, biotyt)
Twardość – wysoka (6,5
÷
8)
Wł. optyczne – wszystkie są przeświecające
Połysk – gł. szklisty. W min. cięŜkich często diamentowy. Brak matowego i metalicznego.
Powstawanie krzemianów:
Krzemiany powstają praktycznie w kaŜdym środowisku. Najliczniej występują w skałach magmowych – powstają w kaŜdym
etapie krystalizacji magmy włącznie z etapem pneumatolitycznym i hydrotermalnym. Jednym z pierwszych minerałów
krystalizujących ze stopu jest oliwin. Krzemiany powszechnie występują w skałach metamorficznych. wiele z nich słuŜy jako
wskaźniki ciśnienia (barometry geologiczne - minerały stresowe i antystresowe) oraz temperatury ( termometry geologiczne).
TakŜe w warunkach powierzchniowych tworzą się krzemiany. W wyniku wietrzenia skaleni i łyszczków w klimacie gorącym
i wilgotnym powstaje kaolinit. W środowisku morskim szelfowym moŜe tworzyć się glaukonit.
PrzeobraŜenia krzemianów – minerały cięŜkie, odporność na wietrzenie:
Warunki powstawania
Przykłady minerałów
uwagi
wczesny
oliwiny
Perydotyty, dunity, bazalty
właściwy
....................
...........................
Etap magmowy
późny
....................
...........................
Etap pneumatolityczny
....................
...........................
Etap hydrotermalny
....................
...........................
wysokich ciśnień
Dysten (Cyanit)
(
stresowe):Omfacyt, Pirop, Glaukofan, Jadeit,
Opx, (łyszczki)
(antystresowe):
.............................
metamorfizm
wysokich temperatur
Syllimanit
...........................
Kaolinit i inne ilaste
Wietrzenie w klimacie ciepłym i wilgotnym
Opal→chalcedon→kwarc
Rekrystalizacja krzemionki biogenicznej lub
wytrąconej z roztworu
Warunki hipergeniczne
glaukonit,
halmyroliza
PRZEOBRAśENIA
minerał pierwotny
minerał wtórny
proces
augit
chloryty
wietrzenie
hornblenda
chloryty
wietrzenie
pH<5 (śr. kwaśne)
K-skalenie
plagioklazy
kaolin
phillipsyt
Wietrzenie
………..
oliwin (fst – faj) (mało Al
2
O
3
)
OPx (zawiera więcej Al
2
O
3
niŜ oliwiny)
serpentynity (hryzotyl)
serpentynity (antygoryt)
Serpentynizacja - wietrzenie /
hydrotermalny (T<400°C)
plagioklaz (An)
zoizyt
hydrotermalny
Px
Amfibole
plagioklaz (An)
klinozoizyt - epidot
hydrotermalny
Granat
Px
Plagioklazy
Epidot
met. regionalny i kontaktowy
szkliwa krzemianowe (ziemskie – występuje
grupa [OH]
-
)
montmorillonit, zeolity
wietrzenie pH>8
muskowit
kaolin
wietrzenie pH<5 (kwaśne)
krzemiany zasobne w Mg – Ol, Px, czasem biotyt
chryzotyl
hydrotermalny
skalenie
serycyt
serycytyzacja
biotyt
chloryt, epidot
odbarwienie (bauerytyzacja) –
hydrobiotyt – nim. ilaste
wietrzenie
Minerały odporne na wietrzenie – przechodzą do osadów
uzupełnić
uzupełnić
3
Krzemiany wyspowe:
Struktura: samodzielne i nie powiązane ze sobą aniony kompleksowe [SiO
4
]
4-
Do najwaŜniejszych krzemianów wyspowych naleŜą oliwiny i granaty.
Poza tym: cyrkon, syllimanit-andaluzyt-dysten, topaz, staurolit, tytanit.
Nazwą oliwiny określa się ciągły szereg izomorficzny ze skrajnymi członami: forsteryt – fajalit oraz tefroit i jego roztwory
stałe z fajalitem (knebelit i ferroknebelit)
Klasyfikacja oliwinów
[%] Mg
2
[SiO
4
]
[%] Fe
2
[SiO
4
]
Forsteryt
100-90
10 - 0
Chryzolit (oliwin właściwy)
Hialosyderyt
Hortonolit
ferrohortonolit
Fajalit
10 - 0
100-90
ferroknebelit
(Fe, Mn)
2
[SiO
4
]
knebelit
(Mn,Fe)
2
[SiO
4
]
tefroit
Mn
2
[SiO
4
]
Liebenbergit
(Ni,Mg)
2
[SiO
4
]
Oliwiny powstają w początkowym etapie krystalizacji stopu krzemianowego. Pojawiają się często w paragenezie z chromitem
i platynowcami rodzimymi.
Mogą tworzyć skały monomineralne (perydotyty i dunity). Spotykane są równieŜ w wielu skałach magmowych (plutonicznych
i wylewnych) – bazalty, gabra, diabazy. Znane są z meteorytów.
W skałach metamorficznych, w przekrystalizowanych wapienie i dolomitach występuje forsteryt. Fajalit moŜe pojawić się w
zmetamorfizowanych osadach Ŝelazistych i metamorficznych rudach Ŝelaza.
Oliwiny są odporne na wysokie temperatury więc są wykorzystywane do produkcji materiałów ogniotrwałych. Łatwo ulegają
działaniu czynników atmosferycznych (nie są odporne) i rzadko przechodzą do osadów.
Granaty. Wzór ogólny: A
3
2+
B
2
3+
[SiO
4
]
3
, gdzie: A = Fe
2+
, Mg, Mn, Ca; B = Fe
3+
, Cr, V, Ti, Zr
wyróŜnia się 4 serie granatów:
pirop, almandyn – krystalizują w warunkach wysokiego cisnienia i temperatury. Są składnikami skał występujących w
płaszczu i i najniŜszych części skorupy (kimberlity, ekloglity, granulity). Często występują w skałach metamorficznych
np.: gnejsy, łupki łyszczykowe itp.
grossular, andradyt, uwarowit – tworzą się na kontaktach intruzji magmowych ze skałami wapiennymi (skarny).
Granaty są odporne na działanie czynników atmosferycznych i przechodzą do osadów. Często tworzą nagromadzenia razem z
innymi minerałami cięŜkimi (np. na plaŜach bałtyckich - almandyn).
Cyrkon: Zr[SiO
4
]
Pospolity
minerał
akcesoryczny
skał
magmowych
i
metamorficznych zwłaszcza wśród granitów i pokrewnych. W
pegmatytach tworzy durze kryształy. Jest odporny na wietrzenie –
gromadzi się w osadach jako jeden z minerałów cięŜkich. Jest
wykorzystywany w geologii do datowania skał metodami
izotopów promieniotwórczych.
syllimanit-andaluzyt-dysten
Al
2
O
3
•SiO
2
Są to trzy odmiany polimorficzne substancji Al
2
O
3
•SiO
2
syllimanit – minerał skał metamorficznych związanych z
działaniem wysokich temperatur. produkt przeobraŜenia skał
ilastych w strefach kontaktowych (hornfelsy)
andaluzyt - składnik skał metamorficznych (hornfelsy).
Współwystępuje z biotytem i cordierytem oraz syllimanitem i dystenem.
GRANATY – 4 serie, główne kationy
Seria schorlomitu
schorlomit Ca, Ti
Seria piralspitu
pirop
Mg, Al
almandyn
Fe, Al
spessartyn
Mn, Al
Seria grandytu
grossular Ca, Al
andradyt Ca, Fe
uwarowit Ca, Cr
Hydrogranaty
hydrogrossular
Ca, Al + grupa OH
4
dysten (cyjanit) - minerał skał metamorficznych utworzonych w warunkach wysokiego ciśnienia (łupki łyszczykowe,
paragnejsy). często występuje ze staurolitem i almandynem. Składnik granulitów i ekloglitów. Odporny na wietrzenie –
przechodzi do osadów.
Topaz: Al
2
[(F,OH)
2
|SiO
4
]
Typowy minerał pneumatolityczny kwaśnych skał magmowych, głównie granitów i ich pegmatytów. Występuje w strefach
przeobraŜonych pneumatolitycznie. Współwystępuje z kasyterytem, turmalinem i mikami litowymi. Odporny na wietrzenie.
Staurolit
Jest to m minerał łupków krystalicznych powstałych z przeobraŜenia skał osadowych. Współwystępuje z dystenem (cyjanitem)
i granatami.
Tytanit (sfen) – CaTi [O|SiO
4
]
Często jest spotykany w skałach plutonicznych i metamorficznych (łupki krystaliczne). W większych ilościach występuje w
amfibolitach, zmetamorfizowanych wapieniach i skał wapienno-krzemionkowych.
Krzemiany grupowe:
zoizyt, klinozoizyt, epidot, allanit, wezuwian
Struktura: dwa połączone (kondensacja) aniony kompleksowe [Si
2
O
7
]
6-
Grupa zoizytu – epidotu:
Zoizyt
Klinozoizyt
Epidot
Piemontyt
Allanit
Zoizyt: minerał skał metamorficznych niskich temperatur i wysokiego ciśnienia oraz produkt hydrotermalnego przeobraŜenia
plagioklazów zasobnych w anortyt.
Wezuwian:
Minerał skał węglanowych zmienionych kontaktowo (metamorfizm kontaktowy /termiczny/). Współwystępuje z grossularem,
diopsydem, wollastonitem.
Krzemiany pierścieniowe:
dioptaz, kordieryt, beryl, turmaliny
struktura: tetraedry połączone w pierścienie 3, 4, 6, 8, 12 członowe.
Beryl: Al
2
Be
3
[Si
6
O
18
] (krzemian berylu)
Odmiany fizyczne (jubilerskie) berylu:
akwamaryna – barwa wody morskiej
heliodor – Ŝółty, zielonawoŜółty (domieszka tlenku uranu)
szmaragd – zielony (domieszka chromu)
morganit – róŜowoczerwony do fioletowego
Beryl krystalizuje ze stopów resztkowych i roztworów pomagmowych (np.: pegmatyty granitowe).
Znaczenie: jest najwaŜniejszą rudą berylu. Kamienie ozdobne.
Turmaliny: (krzemiany boru)
Elbait
-
Na
, Li
Drawit
-
Na
, Mg
Schörl
-
Na
, Fe
2+
Uwit
-
Ca
, Mg
Buergeryt
-
Na
, Fe
3+
, F
Jest to minerał typowy dla pegmatytów i utworów pneumatolitycznych. Występuje równieŜ wśród skał zmienionych
kontaktowo (schörl). Elbait -w pegmatytach granitowych często wraz z lepidolitem.
Cechy charakterystyczne:
Często występują krzyształy mieszane.
5
► trójkątny kształt przekroju poprzecznego
► brak łupliwości
► pionowe prąŜkowanie (wzdłuŜ ścian słupa)
► Silny pleochroizm
Uwaga: turmalin moŜe wydawać się podobny do piroksenów lub amfiboli.
O podobieństwach i róŜnicach będzie na kolejnych zajęciach
Inne o niewyjaśnionej strukturze –
- datolit (krzemian boru) – często towarzyszy zeolitom, prehnitowi i kalcytowi. Najczęściej powstaje na etapie
pneumatolitycznym.
Opracowano na podstawie "mineralogia szczegółowa" A.Bolewski, A.Manecki, wyd. PAE 1993.