Własności chemiczne minerałów
Każdy minerał posiada charakterystyczny skład chemiczny. Gdy mamy kłopot z identyfikacją danego minerału, można wykonać analizę chemiczna całej skały bądź określonego minerału. Urządzeniem do badania składu chemicznego są analizy spektralne za pomocą sondy. Wynik pokazywany w formie tlenkowej - większość minerałów zawiera pewna ilość SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na podstawie tego wyniku ustalany jest wzór chemiczny minerału. Można go przedstawić w postaci empirycznej (prostej, wzór stechiometryczny), gdzie podaje się prostą listę atomów wchodzących w skład danego związku wraz z ich krotnościami. W tym wypadku możemy uzyskać wzór np. skalenia KalSi3O8 (ortoklaz). Często w praktyce, gdy robimy analizę chemiczną, przeliczane są procentowe udziały poszczególnych atomów w stosunku do tlenu, tu: na 8 tlenów przypadają 3 krzemy, 1 glin i 1 potas. Jeśli proporcja jest taka, mam pewność, że to skaleń. Ten sam wzór można zapisać w formie tlenkowej: K2O * Al2O3 * 6SiO2. Np. magnetyt Fe3O4 = Fe2O3 * FeO. Widać, że magnetyt od hematytu różni się Fe3O4 = Fe2O3 *FeO
magnetyt to mieszanka hematytu z pewna ilością tlenku żelaza, który jest na +II stopniu utlenienia> hematyt to tylko żelazo trójwartościowe, magnetyt to także żelazo dwuwartościowa (co daje czarną a nie czerwoną rysę minerału).
CuFeS2 (halkopiryt) = CuS * FeS (siarczek miedzi * siarczek żelaza).
Jons Jakob Berzelius (1779 - 1848) - w 1819 zaproponował podział minerałów ze względu na ich skład chemiczny. Obowiązuje on do dziś, z lekkimi modyfikacjami.
Podstawowe klasy minerałów tworzą (Berzelius 1819, podział zmodyfikowany):
pierwiastki w stanie wolnym, czyli pierwiastki rodzime; nie pochodzą z procesu wytwórczości fabrycznej, powstały w procesach geologicznych - rtęć rodzima, siarka rodzima, miedź rodzima
siarczki (związki metalu z siarką) (proste i złożone) oraz analogiczne związki metali z selenem, tellurem, arsenem i bizmutem, tj. selenki, tellurki, arsenki i bizmutki
halogenki (haloidy), będące połączeniami metali z chlorem, bromem, jodem i fluorem, tj. chlorki (sól kamienna), bromki,jodki i fluorki
tlenki i wodorotlenki
sole kwasów tlenowych:
a) azotany, węglany, borany
b) siarczany, chromiany, molibdeniany, wolframiany
c) fosforany, arseniany, wanadany
d) krzemiany i glinokrzemiany (jest to najliczniejsza klasa minerałów, która podzielono na 7 grup na podstawie ich budowy wewnętrznej)
e) pozostałe sole kwasów tlenowych
Związki organiczne i pokrewne
Wzory strukturalne
w przyrodzie znany jest Fe2SiO4 (tajalit) i Mg2SiO4 (forsteryt). Trudno spotkać je w czystej postaci, ponieważ
Magnez i żelazo można porównać do piłeczek o podobnej wielkości. Zjawisko wzajemnego podstawiania atomów z uwagi na podobny promień jonowy, nazywamy diadochią jonową. Można mieć d izo- i heterowalentna, w zależności od tego czy kationy są na tym samym czy na odmiennym stopniu wartościowości. Potas ma dużo większą wielkość i nie pasuje do pozostałych dwóch (Na i Ca).
Tak więc nie mamy czystego fajalitu czy forsterytu tylko mamy wspólny minerał - oliwin (Fe,Mg)2[SiO4]-4, zbudowany z magnezu, żelaza i anionu SiO4.
SiO4 strukturalnie to forma zbudowana z małego krzemu, który otoczony jest czterema dużymi tlenami. Struktura ta ma ten walor, ze wykazuje bardzo duża zdolność do polimeryzacji - tworzenia bardziej skomplikowanych form. W tym wypadku oliwin jest minerałem zbudowanym z żelaza i magnezu, które mogą występować w różnej proporcji (50:50, 30:70), ale piłki te nie zmienia struktury minerału, której podstawa jest jeden anion SiO4. Wzory z nawiasem kwadratowym nazywamy wzorami strukturalnymi.
Krzemiany wyspowe - oliwiny SiO4
krzemiany grupowe - lawstonit Si2O7
postaci te są coraz bardziej skoplikowane
krzemieny pierścieniowe - wallastonit Si3O9
krzemiany pierścieniowe - beryl Si6O21 (?)
krzemiany łańcuchowe - pirokseny
krzemiany wstęgowe - amfibole
krzemiany warstwowe - miki (Miki są łatwo łupliwe w jednym kierunku, bo wiązania które się tworzą mają atomy w nierównej odległości. Tam gdzie większe odległości - powstają spękania)
krzemiany przestrzenne - kwarc (najbardziej skomplikowane, bo wszystkie wiązania mają ta samą wartość,, trudno je rozbić, więc kwarc nie posiada łupliwości.
Przedmiotem wykładu są procesy geologiczne zachodzące w głębi oraz na powierzchni Ziemi. Ważna jest terminologia.
Proces geologiczny - zespół zjawisk wywołujących określone przeobrażenia. Przebieg każdego z procesów powodują określone czynniki geologiczne. Procesy te mogą mieć charakter niszczący lub budujący. Do podstawowych wewnętrznych procesów geologicznych zaliczamy plutonizm (powstawanie i krzepnięcie magm wewnątrz Ziemi), wulkanizm (gdzie obserwujemy wydobywane się magmy na zewnątrz w formie lawy), metamorfizm (polegający na przeobrażaniu skał pod wpływem zmieniających się czynników termodynamicznych). Wszystkie te procesy określane są mianem procesów budujących. Jeżeli zasną chodzi o powierzchnię ziemi, spotykamy procesy niszczące i budujące. Do procesów niszczących zaliczamy: wietrzenie, erozję, powierzchniowe ruchy masowe, które łącznie razem z wietrzeniem i erozją powodują rozcinanie, obniżanie wyżyn i masywów górskich, czyli denudację. Zewnętrznymi budującymi procesami są: sedymentacja, (depozycja powstałych podczas wietrzenia osadów) oraz diageneza (konsolidacja tychże osadów).
Skorupa ziemska podlega różnego typu mechanicznym odkształceniom, które prowadza do zmiany linii brzegowych mórz, trzęsień Ziemi, tworzenia się fałdów, uskoków. Wszystkie te procesy noszą nazwę diastrofizmu.
Stosunek geologii do innych nauk
Podstawą rozumienia procesów geologicznych jest znajomość fizyki, chemii i matematyki :-)
Wśród nauk geologicznych można wyróżnić wiele specjalizacji:
mineralogia - nauka o minerałach
krystalografia - dział fizyki zajmujący się ciałem stałym, posiadającym uporządkowaną budowę wewnętrzną
petrografia - nauka o skałach, bada skład chemiczny i mineralny skały, oraz procesy, w ramach których te skały powstały
geochemia - nauka o procesach chemicznych w obrębie skorupy ziemskiej
geofizyka - nauka o procesach fizycznych przebiegających w Ziem; jednym z działów geofizyki jest sejsmologia
sedymentologia - nauka o osadach (sedimentum - osad)
paleontologia - nauka o kopalnych organizmach, roślinach (paleobotanika, jednym z działów jest palinologia badająca pyłki i zarodniki roślin) i zwierzętach (paleozologia) (palayos - dawny)
wulkanologia
stratygrafia - określa wzajemne położenie i bieg warstw skalnych (stratum - warstwa)
hydrogeologia - nauka o wodach
tektonika - nauka zajmująca si budową Ziemi i diastrofizmem (tektonike - sztuka budownicza)
geologia stosowana - geologia złóż, geologia inżynierska, hydrogeologia, petrografia stosowana, petroarcheologia
Zarys historii myśli geologicznej
Geologia jako nauka została wyodrębniona w drugiej połowie XVIII wieku. Za jej twórcę uznawany jest niemiecki uczony Abraham Gottlob Werner, profesor mineralogii i górnictwa na Akademii Górniczej we Freibergu (Saksonia), który, tworząc geologię, nazwał ją geognozją (gnosis - poznanie). Zagadnienia związane z Ziemia i jej genezą były rozpatrywane już w starożytności.
Tales z Miletu (ok 620-540 p.n.e.) reprezentujący jońska szkołę filozofów,m którą założył. Filozof, matematyk, twórca twierdzenia matematycznego. Szkoła ta działała w dwóch miastach Azji Mniejszej na obszarze dzisiejszej Turcji -w Milecie oraz w Efezie. Tales wiele podróżował - Egipt, obliczył wysokość piramid posługując się długością ich cienia. Zastanawiał się genezą wszechświata. Uważał że Ziemia jest płaskim kręgiem otoczonym ze wszystkich stron morzami i że z wody morskiej powstała zarówno Ziemia jak też całe życie organiczne. Jest on uznawany za pierwszego neptunistę (od boga wód - Neptuna).
Pitagoras z Samos (570-496 p.n.e.), twierdził, że Ziemia powinna mieć kształt kuli ze względu na jej doskonałość geometryczną (kuli jako bryły). Ziemia miała by zajmować środek wszechświata i wraz ze Słońcem i gwiazdami krążyć wokół bliżej nieokreślonego ognia centralnego. Po przeciwnej stronie ognia centralnego dla przeciwwagi krążyła przeciwziemia.
Heraklit z Efezu (540-480 p.n.e.) w swoim dziele pt. „Teoria bytu” zakładał, że najistotniejsze elementy Ziemi pochodzą z ognia. Stąd określany jest jako pierwszy plutonista. Zwolennicy plutonizmu głosili, że wszystko pochodzi z magmy. Do historii przeszedł jako wyznawca tezy, że wszystko jest w ruchu i ulega ustawicznym przemianom czyli płynie (panta rhei). „Nie można dwukrotnie wstąpić do tej samej rzeki”.
Anaksagoras z Klazomene (ok. 500-428 p.n.e.) Urla koło Izmiru w Turcji. Twierdził, że ziemia powstała z wody, a namuł ziemski posiadał zarodki, z których powstały rośliny i zwierzęta.
Leukippos i Demokryt z Abdery - miasto greckie w Tracji. Obaj funkcjonowali ok 500 p.n.e. i twierdzili, że materia budowana jest z najmniejszych niepodzielnych cząstek czyli atomów.
Herodot (ok. 485-425 p.n.e.) pochodził z Halikarnasu, był podróżnikiem. Na podstawie własnych obserwacji przeprowadzonych w Egipcie twierdził, że dolny Egipt był w przeszłości zalany przez morze, o czym świadczyłaby obecność skamieniałości morskich (otwornice). Jerzy Twarogowski „Poczet wielkich geologów” - zasługa Herodota było to, ze uświadomił filozofom, ze świat w przesycalności wyglądał inaczej.
Arystoteles (384-332 p.n.e.) uczeń Platona i późniejszy nauczyciel Aleksandra Wielkiego. Przyjmował kulisty kształt Ziemi, która miała zajmować centrum wszechświata. Wokół Ziemi miałoby obracać się 55 sfer utrzymujących ciała niebieskie. Twierdził, że trzęsienia Ziemi są wywołane przez centralny ogień, którego przejawem są wyziewy wulkaniczne. Tenże ogień miał także powodować wypiętrzanie gór. Twierdził on, że skamieniałe ryby żyły kiedyś w mokrym namule, z którego powstała także część zwierząt - samorództwo. Przyjmował zmienność zasięgu lądów i mórz. Opracował systematykę ponad 500 gatunków zwierząt, która funkcjonowała aż do czasów Linneusza.
Krates z Mallos (ok. 159 r.p.n.e.) wykonał pierwszy globus, na którym umieścił 4 rozmieszczone lądy oddzielone oceanami. Jeden ocean był rozciągnięty równoleżnikowo, drugi południkowo.
Pliniusz Starszy (23-79 n.e.) urodzony na północy Włoch. Dziełem jego życia jest praca pt. „Naturalis historia”, w której to opisał m.in. minerały, skamieniałości i wulkany. Zginął obserwując wybuch Wezuwiusza.
Okres wczesnego średniowiecza
Avicenna (Abu Ali al. - Husayn ibn Abd Allah inn Sina) (980-1037) urodzony koło Buchary (słynie z dywanów) (dzisiejszy Uzbekistan). Zajmował się medycyna, filozofią, poezją oraz przyrodą. Napisał 160 prac, w tym „Kanon Medicine” - „Prawidła medycyny”. Uważał, że skamieniałości powstały dzięki sile plastycznej (vis plastica). Największą zasługa dla geologii był podział minerałów na kamienie, metale, minerały siarczyste czyli palne oraz sole. Podział ten utrzymał się do XVIII w.
Albertus Magnus (1193-1280) napisał pięciotomową pracę pt. „Demineralibus” - „O minerałach”. Praca ta nie tyle ma walor naukowy, co jest po prostu odzwierciedleniem stanu wiedzy na temat minerałów w średniowieczu. Także uznawał vis plastica.
Mikołaj Kopernik (1478-1543) dzieło „O obrotach sfer niebi3skich”, wprowadził system heliocentryczny, który zastąpił system geocentryczny. Jako generalny dowód na to, iż Ziemia jest kulą, zwrócił uwagę na kształt jej cienia rzucony na kształt księżyca.
Leonardo da Vinci (1452-1519) napotkane skamieniałości podczas prac melioracyjnych w Lombardii uznał za ślady dawno wymarłego świata organicznego. Jako jeden z pierwszych zwrócił uwagę na erozyjną działalność rzek, a przede wszystkim na niezmierną długość czasu geologicznego.
Ferdynand Magellan (1480-1521) opływając Ziemię, udowodnił jej kulistość.
Georgius Agricola (Georg Bauer) (1494-1555) uznany za ojca mineralogii. Opisał i usystematyzował większość znanych dziś minerałów, w tym 20 wcześniej nieznanych. Szczególną uwagę zwracał na skały osadowe i jako pierwszy wprowadził termin fosils (kopalny) przy czym terminem tym objął zarówno skamieniałości jak i minerały.
Anastasius Kircher (1602-1680) dostrzegł zależność między wzrostem temperatury a głębokością Ziemi. Głosił wiele poglądów współcześnie niezrozumiałych. Skamieniałości dzielił na szczątki organiczne oraz formy stworzone przez ducha architektonicznego. Skamieniałości nieorganiczne to kamienie figuralne takie jak figury geometryczne czy litery. W swoim dziele pt. „Mundus subterraneus” - „Świat podziemny” wykonał przekrój przez kulę ziemską gdzie przedstawił ognista masę wewnątrz, która wydostaje się na powierzchnię wulkanicznymi kanałami.
Rene Descartes (Kartezjusz) (1596-1650) głosił teorię, według której Ziemia ma budowę strefową - wokół ognistego jądra znajduje się twarda metaliczna skorupa otoczona z kolei na zewnątrz sferą wody i powietrza, a z kolei nad powietrzem znajduje się sfera zewnętrzna zbudowana z osadów i dopiero nad tymi osadami miałaby znajdować się atmosfera.
Steno Nicolaus (Stensen) (1638-1686) jako pierwszy opisał profil geologiczny Toskanii. Uznał zawarte w tymże profilu skały osadowe jako produkt sedymentacji w wodzie. Wprowadził pojęcie sedimentum - osad. Skały górnej części profilu uznał za młodsze w stosunku do skał leżących poniżej. Wprowadził także prawo stałości kątów w kryształach