dr Jacek Michniewicz, obecność, egzamin w sesji letniej
Zalecana literatura:
Książkiewicz M. 1979: Geologia dynamiczna
Foster R. 1983: General Geology
Thompson G., Turk J. 1993: Modern Phisical Geology
Jaroszewski i in. 1985: Słownik geologii dynamicznej (polecana, na pamięć, niektóre rzeczy nieaktualne)
Van Andel T. 1997: Nowe spojrzenie na starą planetę (do poduszki)
Skinner B., Porter S. 2000: The Dynamic Earth
Marshak S. 2001: Earth, Portret of Planet
Hamblin W., Christianen E. 2000: Earth's Dynamic Systems (podstawa wykładu)
Mizerski W. 2006: Geologia Dynamiczna (są błędy i pułapki egzaminacyjne)
BUDOWA MATERII
Ok 460-370 lat p.n.e. filozofowie Leukippos Demokryt z Abdery głosili że materia zbudowana jest z najmniejszych niepodzielnych cząstek zwanych atomami. Każde ciało ma swoje własne atomy różniące się kształtem i ciężarem, które stale są w ruchu i mogą wchodzić w połączenia z innymi atomami. Obecnie wiemy, że atom jest najmniejszą cząstką pierwiastka określającą jego własności. Zbudowany jest głównie z jądra zawierającego protony i neutrony oraz otaczającej go chmury elektronów. Charakterystyczną cechą atomu danego pierwiastka jest określona liczba protonów obecnych w jądrze (liczba atomowa). Liczba neutronów i elektronów może się zmieniać, ale liczba protonów jest zawsze w określonym pierwiastku taka sama. Masa protonu wynosi w przybliżeniu 1,66 * 10-24 grama co stanowi ok 1/12 masy atomu 12C. Masa neutronu jest w przybliżeniu podobna do masy protonu, zaś masa elektronu jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 1/1850 masy protonu. Stąd też (ze względu na to, że masa ta jest taka mała) za masę atomową przyjmuje się sumę neutronów oraz protonów. Chociaż liczba protonów w jądrze danego pierwiastka jest stała, to liczba neutronów może być różna i np. atom żelaza zawiera 26 protonów, a poszczególne jego atomy mogą zawierać 28, 30, 31 lub 32 neutrony, stanowiąc jego izotopy. Pisząc np. 12C mamy na myśli ilość neutronów. Izotopem pierwiastka nazwiemy atom określonego pierwiastka o odmiennej liczbie neutronów. Atomy mają zazwyczaj ładunek obojętny, tzn. liczba protonów w jądrze jest taka sama jak liczba elektronów. Jednakże większość pierwiastków może przyłączać lub tracić elektrony ze swojej powłoki zewnętrznej, stając się ładunkami dodatnimi lub ujemnymi, czyli jonami.
Stany skupienia materii
Wyróżnia się trzy stany skupienia:
stan stały
stan ciekły
stan gazowy
Rodzaj stanu skupienia zależy od energii cząstek, tzn. od intensywności ich drgania.
W stanie stałym przy stosunkowo niskiej energii cząstek (niskiej temperaturze) atomy (jony) zajmują stałe pozycje. Mówimy wówczas o ich uporządkowania geometrycznym czyli budowie krystalicznej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrastają amplitudy drgań atomów, aż zostają one uwolnione i uporządkowanie zanika. Zazwyczaj pojawia się wówczas stan ciekły o braku uporządkowania i przypadkowym przemieszczaniu atomów, które są nadal stosunkowo blisko, przez co często kolidują ze sobą. Natomiast w stanie gazowym atomy przemieszczają się z dużą prędkością po liniach prostych, aż nie dojdzie do kolizji z innym atomem.
Wyróżnia się dwa podstawowe parametry wpływające na stan skupienia.
temperatura
ciśnienie
W warunkach ciśnienia atmosferycznego stan stały w postaci lodu przy 0oC przechodzi w stan ciekły a przy 100oC przechodzi w gaz. Gdy wzrasta ciśnienie stan gazowy będziemy otrzymywać przy wyższej temperaturze. W temperaturze 371oC, gdy ciśnienie będzie wynosiło 100 barów, nie możemy odróżnić fazy ciekłej od gazowej. Przy spadku ciśnienia temperatura wrzenia będzie nam się zmieniać.
Kwarc SiO2 jest stabilny w dużym zakresie ciśnień i temperatur, dzięki czemu jest to minerał bardzo powszechny wśród wszelkiego typu osadów (np. na plaży). Jednakże w temperaturze 1300oC przy ciśnieniu 1100hP kwarc ulegnie wewnętrznej przebudowie, powstanie inna jego postać - trydymit. W temperaturze ponad 1470oC powstanie krystobalit, a w temperaturze wynoszącej około ponad 1700oC upłynni nam się ten minerał. Temu procesowi towarzyszą coraz większe drgania atomów budujących kwarc.
Większa temperatura → rozszerzalność → spadek gęstości
Jeśli gęstość kwarcu wynosi 2,65 g/cm3 to gęstość trydymitu wynosi już 2,33 g/cm3, a krystobalitu 2,26 g/cm3. Przy braku wody nastąpi upłynnienie w temperaturze ok 1700oC.
Krzemionka to każda postać SiO2
Definicja minerału
Minerał to pierwiastek, związek lub jednorodna mieszanina pierwiastków lub związków chemicznych powstała w warunkach naturalnych. Większość minerałów posiada prawidłową budowę wewnętrzną czyli jest kryształami.
Przy tak przyjętej definicji może to być pierwiastek (np. siarka rodzima), związek chemiczny (kwarc SiO2), mieszanina pierwiastków lub związków chemicznych (żel krzemionkowy - uwodniona krzemionka - opal). W tak szeroko rozumianej definicji minerałem może być również bursztyn (minerał organiczny).
Mikołaj Steno (1638-1687) - Duńczyk, studiował medycynę w Paryżu, przeszedł na katolicyzm, wikariusz w dolnej Saksonii, był pierwszym, który odkrył, ze każdy minerał posiada charakterystyczną formę krystaliczną i sformułował obowiązujące do dnia dzisiejszego prawo stałości kątów.
Rene Hauy (1743-1822) - Francuz, zwrócił uwagę na fakt, że rozbity kryształ rozpada się na mniejsze kawałki, z których każdy posiada taki sam pokrój. Wytłumaczył to tak, że kryształy zbudowane są z niezliczonej liczby drobnych kryształów upakowanych w określony sposób i zjawisko łupliwości (pękania) wytłumaczył przez pękanie najsłabszych wiązań między nimi. Pękanie kryształów związane jest z odległościami między poszczególnymi atomami. Hauy zbadał to na podstawie kwarcu.
Współcześnie budowę kryształy rozpoznajemy wykorzystując promienie rentgenowskie. Wiązka promieni ulega ugięciu na równoległych do siebie płaszczyznach sieciowych, dając refleksy w odstępach odpowiadających odległościom między tymi płaszczyznami w kierunku X,Y,Z (osi krystalograficznej).
Cechą charakterystyczną kryształu jest siatka krystalograficzna, której najmniejszym elementem jest punkt, określany jako węzeł sieci. Jest on zajmowany przez atom lub jon danego pierwiastka. Zbiór identycznych węzłów powtarzających się w równej odległości wzdłuż pewnej prostej nazywamy prostą sieciową. Gdy punkt ten będzie się pojawiał w innym kierunku (Y) uzyskamy płaszczyznę sieciową. Translacja płaszczyzny w trzecim kierunku (Z) tworzy siatkę krystalograficzną, której najmniejszą powtarzalną częścią jest komórka elementarna.
Hipotetyczne trzy proste sieciowe przecinające się w jednym z węzłów siatki utworzą trzy osie krystalograficzne X, Y, Z. Punkt ten oznaczmy literką O. odległość od O do następnego węzła położonego na jednej z osi to tzw. odcinek tożsamości. Odcinek tożsamości na osi X określamy literką „a”, na osi Y - „b”, a na osi Z - „c”. Stosunek odcinków a:b:c to tzw. stosunek osiowy. Kąt między Y a Z - alfa, X a Z - beta, X a Y - gama. Tę samą zależność można uzyskać zamykając przestrzeń czterema ścianami. Uzyskamy wówczas czworościan zasadniczy. Trzy krawędzie czworościanu tworzą osie X, Y, Z a kąty są te same (alfa, beta, gama). Ściana przecinająca trzy osie to ściana jednostkowa (LHK). Jej nachylenie jest charakterystyczne dla danego układu krystalograficznego i tak samo jak w komórce elementarnej określa symetrię kryształu.
Na podstawie różnych wartości stosunków osiowych a:b:c oraz kątów między osiami wyróżnia się 7 układów krystalograficznych: trójskośny, jednoskośny, rombowy, tetragonalny, trygonalny, heksagonalny i regularny. Każdy z tych układów posiada charakterystyczny zespół elementów symetrii. Każdy minerał możemy przypisać do jednego z tych układów na podstawie określonych cech symetrii.
Oś symetrii - taka prosta, względem której muszę obrócić kryształ o 360o i otrzymać taki sam układ ścian. Tyle razy, ile wynosi krotność. Możliwe jest uzyskanie tego samego obrazu 2, 3, 4 i 6 - krotnie. Krotność zapisujemy jako L2, L3, L4, L6. Krotność osi poszukujemy obracając kryształ względem przeciwległych wierzchołków, środków przeciwległych krawędzi oraz środków przeciwległych ścian.
Płaszczyzna symetrii - taka płaszczyzna, która dzieli kryształ na dwie równe połówki tworzące lustrzane odbicie. Oznaczamy ją literką P.
Centrum (środek symetrii) - punkt wewnątrz kryształu, przez który poprowadzona prosta napotka te same elementy budowy w jednakowej odległości od środka (krawędź, ściana i wierzchołek w tej samej odległości).
Romboedr - układ trygonalny
Struktury należące do układu trygonalnego i heksagonalnego można przedstawić przy pomocy komórki elementarnej w kształcie graniastosłupa o podstawie rombu albo komórki o kształcie romboedru.
Kąt rozwarcia tego graniastosłupa wynosi 120o (gama). Potrzebujemy inny układ współrzędny X1, X2, X3, Z.
Ta komórka elementarna nie ma sama w sobie symetrii trygonalnej ani heksagonalnej, natomiast uzyskamy tą symetrię, kiedy połączymy ze sobą trzy takie komórki wspólna krawędzią i kiedy kąt między tymi ścianami będzie kątem wynoszącym 1200. Różnica między układem heksagonalnym a trygonalnym (romboedr) jest taka, że w romboedrze przeprowadzona oś symetrii będzie trójkrotna, a w wypadku heksagonalnego będzie oś sześciokrotna.
Na tych samych osiach X1, X2, X3, Z można zbudować układ trygonalny. W układzie heksagonalnym |x1| = |-x1|. Dla układu trygonalnego |x1| =/= |-x1|.