Katolicki Uniwersytet Lubelski
Jana Pawła II
Katedra Chemii
Geochemia,
biogeochemia
czyli Ziemia, życie, ewolucja
Część druga
Andrzej Kuczumow
Wracamy do Ziemi
Omówiliśmy samą
górę  atmosferę
i hydrosferÄ™,
a pod spodem
mamy świat skał
i ich przemian. Bardzo
dynamiczny
Wietrzenie
" Warunki jak na powierzchni Ziemi
" Temperatura od ~-70 do +70oC
" Ciśnienie  atmosferyczne
" Tylko na powierzchni
" Powszechna obecność wody
" Czynniki mechaniczne (wiatr, fale wodne)
" Czynniki biologiczne (pobór pierwiastków przez
organizmy, rozrost i pęcznienie materii
organicznej)
" Często bardzo powolne reakcje
" Trudno ocenić, na który moment reakcji patrzymy
Najbardziej  brutalna forma
wietrzenia - mechaniczne
Typowy przykład wietrzenia 
przecięcie powierzchni Ziemi na kilometry -
kaniony
Efekty uboczne  możemy zobaczyć wnętrze Ziemi
+ wielka atrakcja turystyczna
Wzór ogólny glinokrzemianu
kMeO*lAl2O3*mSiO2
" I faza: Þð l Al2O3*m SiO2
" II faza: Þð l  Al2O3
Ogólnie wietrzenie prowadzi do
nierównomiernego wypłukania składników
Wśród wypłukanych substancji są
wapń i SiO2  podstawa skał osadowych
Ostatki (prawie) z wietrzenia
Pozostałością
sÄ… gliniaste
gleby laterytowe
w miejscach
tropikalnych
Ciemna warstwa boksytu AlO(OH) na warstwach kaolinitu w Australii
Wszystkie drogi prowadzÄ… do
oddania krzemionki
StÄ…d mamy tak wiele piasku
Co powstaje z wietrzenia?
" Z powyższej serii widać, że minerały utworzone z
lawy w najwyższej temperaturze  wietrzeją jako
pierwsze
" Kwarc jest jednym z najstabilniejszych produktów
wietrzenia
" Stąd powszechność piasku  na dnie mórz i na
powierzchni Ziemi, często na pustyniach
" Inny efekt  powstanie minerałów ilastych
" Jeszcze inny efekt  niektóre z minerałów MeO są
też trwałe  stąd mamy złoża aluwialnego złota,
cyrkonu, tlenków cyny
Prosty przykład przemiany skały
litej w minerał ilasty
2KAlSi3O8 + 2H+ + 9 H2O Ûð
Al2Si2O5(OH)4+ 4H4SiO4 + 2 K+
Skaleń potasowy przekształcony w kaolinit
Warto zwrócić uwagę, że reakcja wymaga środowiska
kwaśnego (niezmiernie ważny bufor środowiska morskiego)
i że uwalnia się potas
Materiały ilaste składają się z dwóch warstw
Tetraedrycznej, opartej
Oktaedrycznej, opartej
na krzemie
na glinie
 siloksanowej ;
 aluminolowej ;
Tutaj, Si jest zmieniany
Al jest zamieniany na Mg,
na Al; O na OH;
także na Fe2+, Fe2+ i inne;
Do 15 % zmian
Do 100 % zmian
Różne aranżacje warstw tetraedrycznej
i oktaedrycznej
1:1
1:2
1:2 z Å‚Ä…cznikiem -
znowu potas
Przekrój boczny kaolinitu i smektytu
A to przestrzenny obraz struktury
kaolinitu  niezwykle prosty i elegancki
Znaczenie materiałów ilastych
" Z materiału litego przechodzimy do sypkiego (do 4 mm)
" Przenosi się materia, nawet na duże odległości, tzw.
mieszanie poziome (a np. subdukcja to mieszanie
pionowe)
" Z tego mamy ważny składnik gleby
" Porywane przez wiatr tworzą aerozole, wpływające na
klimat, temperaturę, stopień napromieniowania,
stanowiące ośrodki kondensacji pary wodnej
" Na koniec  w ruchach subdukcyjnych dostajÄ… siÄ™ pod
powierzchniÄ™ i reagujÄ… z magmÄ…  znaczenie dla produkcji
granitu
Sedymenty
" Z produktów wietrzenia i składników
mineralnych i gazowych wody tworzÄ… siÄ™
sedymenty;
" Najważniejsze  węglany wapnia (kalcyt i
aragonit), dwutlenek krzemu (od opalu do
kwarcu) i apatyty;
" Ale  organizmy tworzÄ… szkielety TYLKO z
w/w związków  wybrane są trzy rodzaje
minerałów z ok. 4100 istniejących na Ziemi
W środowiskach morskich na wielką skalę
trwa osadzanie osadów, głównie wapiennych i
krzemionkowych
O znaczeniu skał osadowych mówią nam
pomarańczowe obszary, chociaż takie skały
stanowiÄ… tylko 5% masy skorupy ziemskiej
Na czerwono  skały archaiczne; brązowe  miejsca tworzenia się gór
SÄ… i osobliwe formy osadowe -
speleotemy
1992
1960
1948
Sztuczny stalagmit z tunelu Goddarville w Belgii
Fragment środkowy
z warstwami
rocznymi
SrCa ratio
Optical signal
Pixels [~13.8 mm]
100 200 300 400 500 600 700 800 900
140
1986
0,015 1971
120
0,012
100
80
0,009
60
Wspaniała zbieżność
0,006
40
sygnału Sr/Ca z
0,003
20
obrazem optycznym
0,000 0
4500 6000 7500 9000 10500 12000 13500 15000 16500
Length [mm]
grey scale levels [a.u.]
Ratio [a.u.]
Zastosowanie do oceny temperatur
rocznych
Temp
SrCa
Steps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0,014 0
2
0,012
4
0,010
6
8
0,008
10
0,006
12
14
0,004
16
0,002
18
0,000 20
600 900 1200 1500 1800 2100 2400
Length [mm]
Temperature [ C]
o
Sr/Ca ratio
Zróżnicowanie wietrzenia
Aby zwietrzał 1 mm wierzchniej skały glinokrzemianowej
musi upłynąć 20-250 lat. Z powierzchni lądowej wody zabierają
przeciętnie co roku 30 ton materiału z 1 km2
Ogromne zmiany powierzchni wywołane
wietrzeniem, Park A
uków w USA
Tutaj widać, ile przynajmniej tysięcy lat musi potrwać taki proces
Wietrzenie dotyka dzieła sztuki
średniowieczne
starożytne
Wielka strata, ale - są to nieliczne przypadki, gdy możemy
ilościowo obliczyć efekty wietrzenia
Nagrobek w kościele Św. Piotra
W Budziszynie
Figura Åšw. Bawona w Haarlemie,
podobno kiedyś miał miecz
" Wietrzenie jest jedynym wielkim
procesem geochemicznym, który może
być przyspieszony przez człowieka
" Emisja agresywnych gazów dodaje się
do innych czynników wietrzenia
" Przykład - Kraków
Diageneza
" Rodzina procesów chemicznych
przebiegających w następujących warunkach:
" Temperatura do 250oC;
" Ciśnienie do 4 kbar;
" Głębokość do 11 km.
Inaczej zwana lityfikacją, tzn. przekształceniem w
skały
Rozkład wód w górnej warstwie
przemian diagenetycznych
Bardzo różne procesy, z których
część to lityfikacja
Procesy cementacji, stanowiÄ… pierwszy etap
powstania ważnych skał, np. piaskowców
A tak wyglądają zlepieńce w
miarę pogrążania się w osadzie
Przeróbka materii organicznej;
bituminy rozpuszczajÄ… siÄ™ w rozpuszczalnikach
organicznych, kerogen - nie
Rzeczy o fundamentalnym znaczeniu dla np. kwestii
gazu konwencjonalnego lub Å‚upkowego
Procesy diagenezy jako główna
fabryka paliw kopalnych
Produkcja ropy
60-130oC
Produkcja gazu
ziemnego
130-200oC
Różne paliwa
otrzymane
z kerogenu
Z czego powstaje co?
" Węgiel z tzw. substancji humusowych,
zawierających pozostałości polimerycznych
węglowodanów (celulozy) i lignin, pochodzenia
lądowego, długości łańcuchów węglowych C27 do
C35
" Ropa z tzw. substancji sapropelicznych,
zawierających resztki białek i tłuszczów,
pochodzenia morskiego, długości łańcuchów
węglowych C15 do C21
Zużycie naszych paliw
" Ropa naftowa 36.0%;
" Węgiel 27.4%,
" Gaz 23.0%,
Razem paliwa kopalne 86.4%.
I paliwa nie będące kopalnymi:
" Energia hydroelektryczna 6.3%;
" JÄ…drowa 8.5%;
" Inne (geotermalna, słoneczna, przypływów,
wiatru, bioodnawialna) 0.9 %
A to sÄ… zasoby:
" Węgiel: 997,748 milionów ton, co odpowiada
4,416 miliardów baryłek ropy i starczy na 150 do
420 lat;
" Ropa: 1,119 miliardów baryłek, co starczy na 45
lat
" Gaz 175-181 bilionów m3, co starczy na 60-170
lat
Ale  paliwa są i głębiej i lepiej związane, co
świadczy, że jest ich więcej
Bez paliw kopalnych  nie ma cywilizacji!!!
Kwestia CO2 jest niedorzeczna!
Są i inne rzeczy do rozważenia
" Te paliwa powstały w ciągu ostatnich 500-600
mln lat; ¾ z tego w okresie mniejszym niż 150
mln lat;
" Historia naszej cywilizacji to ok. 5000 lat;
" Tak naprawdę paliwa kopalne zaczęliśmy
zużywać od końca XVIII w.;
" Gdy miałem 20 lat, słyszałem, że opanujemy
syntezÄ™ termonuklearnÄ… w ciÄ…gu 50 lat; teraz
czasem też mówią, ze za 50 lat, ale jakby mniej
chętnie;
" A ropa może się skończyć za 50 lat.
Procesy metamorficzne
" Temperatura  do nadtopienia skał, tzn. dla
mokrego granitu ok. 650oC a dla suchego
bazaltu ok. 1100oC;
" Ciśnienia do 11 kbar;
" Głębokości do 42 km.
Regionalny metamorfizm
Duży obszar, wysoka temperatura, różnice ciśnień
Metamorfizm kontaktowy
Temperatura wysoka, ciśnienie nie zmienia się, warunki trwają
dziesiątki do setek lat, mały obszar
Tak tworzą się skały krystaliczne
w kominach lawowych
To są różne stopnie
metamorfizmu
Tak tworzÄ… siÄ™ tzw. facje metamorficzne,
zależnie od ciśnienia i temperatury
Inne przedstawienie skał
metamorficznych
Prehnit to skała
niskotemperaturowa,
wiek zawsze poniżej
250 mln lat 
tylko wtedy skorupa
ziemska była gruba
Typowe skały metamorficzne - tutaj
widać jak się układają w terenie
Procesy magmowe
" Konieczna jest ciekła lawa, która
krystalizuje przy ochładzaniu i zmianach
ciśnienia;
" Warunki bardziej drastyczne niż przy
procesach metamorficznych;
Wypływ lawy w procesach
wulkanicznych
Proces stygnięcia  powstaje granit
Wypływ lawy w ryftach oceanicznych
Proces stygnięcia  powstaje bazalt
Tak to wyglÄ…da na szerszym
planie
Dwa rodzaje skał magmowych:
Jasny kolor
Granitoidy: skały zdominowane przez
skalenie i kwarc.
Składają się na skorupę kontynentalną.
Granite
Ciemny kolor
Bazalt/gabro: skały magmowe
zdominowane przez Fe-Mg krzemiany,
takie jak oliwin i pirokseny.
Basalt
TworzÄ… dno oceaniczne.
Plaszcz Ocean
Kontynent
SiO2 45.2 49.4 60.3
TiO2 0.7 1.4 1.0
Al2O3 3.5 15.4 15.6
Ciecze o coraz niższej
MgO 37.5 7.6 3.9
temperaturze
FeO 8.5 10.1 7.2
CaO 3.1 12.5 5.8
Na2O 0.6 2.6 3.2
K2O 0.1 0.3 2.5
Ogółem 99.2 99.3 99.5
Kationy
Si 38.5 46.1 56.4
Ti 0.5 1.0 0.7
Al 3.6 16.9 17.2
Mg 47.6 10.6 5.4
Fe 6.0 7.9 5.6
Ca 2.8 12.5 5.8
Na 0.9 4.7 5.8
K 0.1 0.5 3.0
O 140.2 153.0 161.3
Mineralogia
Skorupa oceaniczna - bazalt p
Quartz 0.0 0.0 13.0
Feldspar 13.2 57.3 64.3
Klinopiroxen 6.7 25.7 5.9
Ortopiroxen 18.3 4.1 14.7
Skorupa kontynentalna - granit e
Oliwin 59.9 9.9 0.0
Tlenki 1.8 3.0 2.0
Zmiany zachodzące w miarę stygnięcia lawy
od lawy z dużą ilością Mg i małą SiO2 do
lawy z małą ilością Mg i dużą SiO2
Trójkąt Gibbsa dla diopsytu, albitu i
anortytu  podstawa składu bazaltu
Krystalizuje: 1) oliwin; 2) oliwin i piroksen;
3) piroksen i plagioklaz; 4) plagioklaz
Trójkąt Gibbsa dla kwarcu, albitu i skalenia potasowego
 podstawa składu granitu
W samym środku 
petrogeniczna
ciecz rezydualna,
ostatnia wydziela siÄ™
przy produkcji granitu
pierwsza pojawia siÄ™
w procesach
metamorficznych
Na dwóch prawych rysunkach albit i skaleń potasowy nie mieszają się w stanie stałym
Rysunki pokazują wpływ wody na
powstawanie granitów  woda pod
dużym ciÅ›nieniem >ð3.8 kbar
umożliwia powstanie eutektyku, który
zawiera dwa skalenie alkaliczne - albit
i skaleń potasowy
Diagram świadczący o zmianie charakteru
lawy po dodatkach skał sedymentacyjnych do
lawy bazaltowej
Prosty przykład przemiany
minerału ilastego w skałę litą
Al2Si2O5(OH)4+ 4SiO2 + 2 K+ Ûð
2KAlSi3O8 + 2H+ + H2O
Kaolinit przekształca się w skaleń potasowy
Przy wietrzeniu mówiliśmy o procesie odwrotnym 
a więc historia zatacza pełen krąg
Tak więc widzimy, że wielkie procesy
geologiczne są wzajemnie sprzężone
Uogólnienie  równanie Urey a
CaSiO3 + CO2 Ûð CaCO3 + SiO2
" Z lewej na prawą stronę równanie obrazuje niskotemperaturowy
proces wietrzenia skał (glino)krzemianowych i tworzenie się
sedymentów
" Z prawej na lewÄ… stronÄ™ 
zamianę sedymentów w magmę i skały (glino)krzemianowe
Oczywiście  znaczne uproszczenie, ale nieżle oddaje
pętlę reakcji geochemicznych
Gaz Å‚upkowy
Åšwiatowe zasoby gazu
Å‚upkowego
Miejsca w Polsce podejrzewane o
występowanie gazu łupkowego