Mineralogia
Minerały (z łac. minera- ruda): to naturalne związki chemiczne lub pierwiastki występujące w przyrodzie , w większości w stanie stałym i w formie krystalicznej , odznaczające się jednorodnym składem chemicznym i stałymi właściwościami fizycznymi.
Pierwotnym źródłem wszystkich minerałów jest magma. Bezpośrednio w wyniku krzepnięcia magmy lub z jej par i gazów powstają minerały pierwotne. Natomiast w wyniku wietrzenia fizycznego, chemicznego oraz biologicznego minerałów oraz skał tworzą się minerały wtórne.
Procesy wietrzenia fizycznego, chemicznego i biologicznego.
Wietrzenie fizyczne (mechaniczne)
Procesy wietrzenia fizycznego powodują rozdrobnienie różnych skał i minerałów bez zmiany ich właściwości chemicznych. Siłami, które wywołują wietrzenie tego rodzaju są zmiany temperatury i rozsadzająca działalność mrozu. Zmiany temperatur wywołują w skalach napięcia powodujące tworzenie się pęknięć i szpar. W powstałe szpary dostaje się woda i zamarzając powoduje dalsze rozsadzanie. Zasadnicze znaczenie wietrzenia fizycznego polega na ogromnym zwiększeniu powierzchni substratu skalnego przez rozdrabnianie.
Wietrzenie chemiczne
Wywołuje zmiany w składzie chemicznym zwietrzeliny i zachodzi tym silniej , im intensywniej materiał został rozdrobniony w procesie wietrzenia fizycznego. Głównym czynnikiem wietrzenia chemicznego jest woda, szczególnie zakwaszona CO2 lub kwasami organicznymi. Wietrzenie chemiczne może zachodzić poprzez
- hydrolizę,
- rozpuszczanie,
- hydratację,
- utlenianie,
- redukcję,
- karbonatyzację.
Szczególnie duże znaczenie glebotwórcze mają zjawiska hydrolizy polegające na rozkładzie krzemianów pod wpływem wody. Przebiegają one tym intensywniej im woda jest bardziej zakwaszona. W wyniku hydrolizy wytrąca się krzemionka w postaci koloidalnej i powstają wtórne minerały ilaste. Z kolei przykładem hydratacji (uwodnienia) jest przeobrażenie hematytu w limonit, lub anhydrytu w gips.
Wietrzenie biologiczne
Jest to fizyczne i chemiczne wietrzenie skal wywołane przez działalność organizmów żywych. Jest ono początkową fazą procesu glebotwórczego, ale nie ustaje w glebach już wytworzonych , szczególnie w ich warstwach wierzchnich.
Wszystkie występujące w przyrodzie minerały można najogólniej podzielić na:
Bezpostaciowe: zalicza się do nich ciecze, gazy, szkliwa oraz stwardniałe koloidy (żele). W tych substancjach atomy, jony lub cząsteczki chemiczne nie mają geometrycznego uporządkowania i z tej przyczyny nie mogą tworzyć postaci ograniczonych płaszczyznami i krawędziami. Nie tworzą więc brył geometrycznych i dlatego nazywa się je bezpostaciowymi.
Krystaliczne: to ciała o prawidłowej budowie wewnętrznej, spowodowanej uporządkowanym ułożeniem atomów, jonów i cząsteczek w postaci sieci krystalicznej. W kryształach wyróżniono dwa typy sieci:
- atomową (np. sieć przestrzenna diamentu)
- jonowa (np. sieć przestrzenna soli kamiennej)
CHEMICZNA KLASYFIKACJA MINERAŁÓW
Klasyfikacja chemiczna minerałów odzwierciedla pokrewieństwo poszczególnych pierwiastków w oparciu o układ okresowy pierwiastków. Z gleboznawczego punktu widzenia przyjęcie chemicznej klasyfikacji minerałów jest najkorzystniejsze. Informuje nas bowiem jakie jony mogą uwalniać się z minerałów w procesie wietrzenia. Rzutuje to, w pewnym stopniu na żyzność gleb rozwijających się na określonej skale macierzystej.
PIERWIASTKI RODZIME:
Największe znaczenie ma siarka, która wchodzi w skład ponad 60 minerałów.
SIARCZKI
Są to związki metali ciężkich z siarką, selenem, tellurem, arsenem, antymonem i bizmutem.
Znaczenie glebotwórcze:
Największe znaczenie z tej grupy ma piryt - FeS2 , występujący w przyrodzie bardzo pospolicie, zarówno w skałach magmowych jak i osadowych.
SOLOWCE
Są to związki metali z chlorem, bromem, jodem i fluorem. Nalezą tu m.in. halit (NaCl), sylwin (KCl), karnalit (MgCl2*KCl*6H2O)
Znaczenie glebotwórcze:
Minerały tej klasy nie mają znaczenia glebotwórczego. Jednocześnie są istotnym składnikiem gleb, ponieważ są źródłem składników pokarmowych roślin. Niektóre z nich - sylwin i karnalit to znane nawozy K i Mg-K. Ta grupa minerałów ma znaczenie w glebach słonych (strefa aridowa)
TLENKI I WODOROTLENKI
Minerały tej klasy dzielą się na trzy grupy:
TLENKI KRZEMU
Należy tu najpospolitszy minerał skałotwórczy jakim jest kwarc - SiO2 . Wchodzi on w skład skał magmowych kwaśnych i niektórych obojętnych, skał metamorficznych oraz osadowych. Jako bardzo odporny na wietrzenie (duża twardość wg skali Mohs'a - 7) kwarc jest głównym składnikiem piasku, stanowiąc „szkielet” gleb mineralnych. Stanowi nawet ponad 90% masy glebowej!!! Ma zatem ogromne znaczenie glebotwórcze! Rola kwarcu polega na kształtowaniu środowiska fizycznego i zarazem ekologicznego w stosunku do korzeni roślin. Minerał ten stanowi równocześnie rodzaj „ośrodka dyspersyjnego” dla podatniejszych na przemiany składników mineralnych i substancji organicznej. Spełnia też zatem rolę chemiczno-ekologiczną.
TLENKI I WODOROTLENKI ŻELAZA
Największe znaczenie w glebie maja:
Hematyt - Fe2O3
Limonit - 2Fe2O3*3H2O
Magnetyt- Fe3O4
Znaczenie glebotwórcze:
Tlenki i wodorotlenki żelaza należą do minerałów pospolicie występujących w glebie. W wierzchnich napowietrzonych poziomach gleb występują wysoko utlenione związki tego pierwiastka charakteryzujące się brunatnym lub rdzawo-żóltym zabarwieniem. Nadają one charakterystyczne zabarwienie glebom brunatnym. Natomiast w warunkach nadmiernego uwilgotnienia, które ogranicza dostęp powietrza (tlenu) do pewnych partii profilu glebowego, zachodzi w wyniku działalności życiowej bakterii beztlenowych , zjawisko redukcji żelaza Fe+3→ Fe+2 W procesie tym dochodzi do zmiany barwy na zielonkawo niebieską
TLENKI I WODOROTLENKI GLINU
Do klasy tej należą m.in.
Korund - Al2O3
Diaspor - Al2O3*H2O
Gibsyt - Al2O3*3H2O
Znaczenie glebotwórcze:
Jony tego pierwiastka, które częściowo mogą pochodzić z wietrzenia glinokrzemianów, mają bezpośredni wpływ na zakwaszenie gleby. Przypisuje się im również właściwości toksyczne w stosunku do korzeni.
SOLE KWASÓW TLENOWYCH
Minerały należące do tej klasy tworzą około 80% masy skorupy ziemskiej ( nie gleby!!!).
Należą do nich:
AZOTANY:
Do tej podklasy należą m.in.: saletra sodowa i saletra potasowa. Minerały te nie mają znaczenia glebotwórczego
WĘGLANY
Do tej podklasy należy około 90 minerałów.
Kalcyt - CaCO3
Magnezyt - MgCO3
Dolomit - MgCO3*CaCO3
Znaczenie glebotwórcze
Kalcyt jest podstawowym minerałem skał węglanowych (wapienie, kreda, margle), które są skalami macierzystymi rędzin kredowych. Minerał ten swoją obecnością wpływa na szereg właściwości fizycznych i chemicznych gleb jak na przykład strukturę i odczyn. Tym samym modyfikuje on proces glebotwórczy i warunki ekologiczne. Wymienione wyżej minerały to nawozy (Ca-Mg, Ca lub Mg), które wpływają na zwiększenie pH gleby, a więc zmniejszenie kwasowości.
SIARCZANY
Do tej podklasy należy około 250 minerałów lecz stanowią tylko około 0,1% wagowych skorupy ziemskiej.
Należą tu m.in.
Gips - CaSO4*2H2O
Anhydryt - CaSO4
Kainit MgSO4*KCl*3H2O
Znaczenie glebotwórcze siarczanów:
Spośród ogromnej liczby siarczanów tylko gips odgrywa rolę glebotwórczą. Jego pokłady występujące na powierzchni ziemi są skałami macierzystymi specyficznych gleb tzw. rędzin gipsowych występujących w okolicach Buska. Kainit to nawóz K-Mg, natomiast gips jest powszechnie stosowany od obniżania odczynu w glebach alkalicznych o pH powyżej 8,5
FOSRORANY
Do tej podklasy należy około 170 minerałów, w których związana jest prawie cała ilość fosforu.
Podklasa fosforanów reprezentowana jest m.in. przez:
Apatyty:
3Ca3(PO4)2*CaF2 - fluorowy
3Ca3(PO4)2*CaCl2 - chlorowy
3Ca3(PO4)2*Ca OH2 - hydroksylowy
Fosforyty („gorsze apatyty”)
Składają się głownie ze skrytokrystalicznej odmiany apatytu.
Wiwianit Fe3(PO4)2* 8H2O
Znaczenie glebotwórcze:
Rola glebotwórcza fosforanów polega na dostarczaniu roślinom fosforu. Ponadto z apatytów produkuje się większość nawozów fosforowych, a wiwianit jest rozpowszechniony w rudach darniowych i torfowiskach.
KRZEMIANY
Do podklasy tej należy około 800 minerałów. Charakteryzują się skomplikowaną budową wynikającą z udziału licznych pierwiastków w ich składzie czym różnią się od innych klas minerałów, których budowa jest znacznie mniej skomplikowana. W skład krzemianów wchodzi tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, magnez, potas i inne pierwiastki.
Stałymi elementami uczestniczącymi w strukturze krzemianów jest tetraedr.
Krzemiany dzielą się na pierwotne i wtórne:
Krzemiany pierwotne powstają z magmy w wyniku krystalizacji. Wyróżnia się następujące ich grupy.
- wyspowe (granaty, oliwiny)
- grupowe (beryl)
- łańcuchowe (pirokseny np. augit, amfibole np. hornblenda)
- warstwowe: muskowit (mika biała), biotyt (mika czarna).
- przestrzenne:
a) skalenie : ortoklaz, albit, anortyt. Mieszanina izomorficzna albitu i anortytu to plagioklazy. Plagioklazy dzielą się na: plagioklazy kwaśne (przewaga albitu), plagioklazy zasadowe (przewaga anortytu), plagioklazy obojętne (albit i anortyt w równowadze).
b) skaleniowce (zawierają mniej SiO2): leucyt, nefelin
Znaczenie glebotwórcze
Spośród krzemianów pierwotnych najważniejsze znaczenie mają krzemiany warstwowe i przestrzenne, stanowiące w glebach główne źródło K, Mg, Fe i innych składników oraz będące głównym substratem minerałów ilastych. Glebotwórcza rola muskowitu i biotytu nie jest jednakowa. Wynika to z odmiennego składu chemicznego i różnej odporności na wietrzenie. Muskowit ma mało skomplikowany skład chemiczny i jako minerał trudno wietrzejący dostarcza podczas wietrzenia tylko niewielkie ilości potrzebnych roślinom i wypływających na właściwości gleb pierwiastków. Może przechodzić w illit i w kaolinit - minerały ilaste odznaczające się małą zdolnością sorpcyjną. Natomiast biotyt, dzięki urozmaiconemu składowi chemicznemu (oprócz K zawiera także Mg i Fe) i małej odporności na wietrzenie stanowi bardziej obfite źródło składników pokarmowych dla roślin. Ponadto w procesie wietrzenia biotyt przechodzi w wermikulit i montmorylonit - glinokrzemiany wtórne o dużych zdolnościach sorpcyjnych.
Stąd też glebotwórcza rola biotytu jest wyraźnie większa.
Krzemiany wtórne (minerały ilaste) powstają w wyniku wietrzenia, głownie chemicznego z krzemianów pierwotnych, głównie z warstwowych i przestrzennych. W skład budowy przestrzennej krzemianów wtórnych wchodzą oprócz tetraedrów także i oktaedry. Warstwy tetra i oktaedrów tworzą pakiety, które oddzielone są od siebie przestrzenią międzypakietową. Ze względu na układ warstw wyróżnia się minerały o budowie pakietowej:
- 1:1 - jedna warstwa oktaedryczna i jedna warstwa tetraedryczna
- 2:1- dwie warstwy tetraedryczne i jedna oktaedryczna.
Przestrzeń międzypakietowa w typie budowy 1:1 jest znikoma i „sztywna”, co zdecydowanie ogranicza powierzchnie wewnętrzną, natomiast w minerałach o typie budowy 2:1 jest ona duża i „ruchoma”, co zwielokrotnia powierzchnię wewnętrzną i pojemność sorpcyjną
Minerały ilaste charakteryzują się następującymi właściwościami:
- silnym rozdrobnieniem < 2µm
- ładunkami elektrycznymi (dominują ładunki ujemne)
- pojemność sorpcyjną kationów 5-100 cmol(+)/kg
- chłonnością wody (pęcznienie), przy suszeniu - kurczeniem się,
- dużą lepkością i plastycznością,
- dużą powierzchnią właściwą - 50-800 m2/g (suma powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych)
Główne grupy minerałów ilastych to:
- grupa smektytu (dawniej montmorylonitu) - budowa pakietowa 2:1, pojemnośc sorpcyjna ok. 80-100 cmol(+)/kg,
- grupa illitu - budowa 2:1, pojemność sorpcyjna ok. 40 cmol(+)/kg
- grupa kaolinitu - budowa 1:1, pojemność sorpcyjna ok. 5-15 cmol(+)/kg
Znaczenie glebotwórcze
Najważniejszą właściwością minerałów ilastych jest ujemny ładunek elektryczny, dzięki któremu wiązane są, z możliwością wymiany, kationy dostające się do roztworu glebowego. Wiązanie kationów może odbywać się zarówno na powierzchni zewnętrznej jak i wewnętrznej (w przestrzeni miedzypakietowej). Minerały ilaste wraz z koloidami organicznymi tworzą kompleks sorpcyjny gleby mający kluczowe znaczenie w odżywianiu roślin. Ponadto poprawiają właściwości fizyczne i wodne gleb.
MINERAŁY ORGANICZNE (tzw. węglowce)
Minerały organiczne to produkty niepełnego rozkładu martwych organizmów roślinnych i zwierzęcych. Należą do nich m.in. bursztyn, ropa naftowa, asfalt., torf. Z tej klasy jedynie torf ma znaczenie glebotwórcze, gdyż bardzo często jest skala macierzystą gleb hydrogenicznych.