Mineralogie I Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Ústav geologických věd, PřF MU v Brně mineralogický systém Úvod Definice minerálu Anorganická stejnorodá přírodnina, jejíž složení lze vyjádřit chemickým vzorcem, většinou pevného skupenství, vzniklá především přírodními pochody, ale i za působení člověka. Základem definice každého minerálu jsou tedy specifická krystalová struktura a specifické chemické složení. Atomy jednotlivých prvků nejsou uspořádány ve krystalové struktuře minerálů náhodně a pro jejich vstup do krystalové struktury platí řada pravidel. Prvky v minerálech Do minerálů vstupují všechny prvky známé v přírodě. Tyto prvky si můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin: kationy relativně malý iontový poloměr, elektropozitivní např. Na^+, Mg^2+ ,Al^3+, Si^4+ aniony relativně velký iontový poloměr, elektronegativní, např. O^2-, F^-, Cl^-, S^2-, OH^- Složení minerálů vyjadřujeme tzv. krystalochemickými vzorci. Vzorce minerálů musí být tzv. elektroneutrální Příklad: forsterit Mg[2]SiO[4 ] 2MgO+SiO[2 ] 2Mg^2++Si^4++4O^2- olivín (Mg,Fe)[2] [SiO[4]] minerál složený ze 2 složek forsterit Mg[2]SiO[4 ] fayalit Fe[2]SiO[4 ](Fe, Mg) – jeden prvek v různém množství je zastupován dalšími prvky – pořadí určuje klesající množství kationtu [SiO[4]] - aniontová skupina Silikáty Největší a nejdůležitější skupina minerálů v mineralogickém systému. Zahrnuje většinu horninotvorných minerálů. Podle uspořádání SiO[4] tetraedrů, které jsou hlavním stavebním prvkem těchto minerálů, je dělíme do několika skupin. Silikáty se skládají z: - tetraedrů SiO[4]^4- Si^4+ je v tetraedru často nahrazen Al^3+ - kationtů kovů (např. Ca, Fe, Mg, Na, Al), které jsou ve středech různých polyedrů např. BO[3], AlO[6], MgO[6], NaO[8] tetraedry a jiné polyedry se spojují (mají společný kyslík) – tak se zmenšuje počet volných vazeb vedle kyslíku se objevují i jiné anionty – např. OH^-, F^- Členění slikátů: Nesosilikáty - tetraedry izolované – olivín, granáty Sorosilikáty – 2 spojené tetraedry Skupina epidotu Cyklosilikáty – tetraedry spojené do cyklů Skupina turmalínu, beryl Inosilikáty - tetraedry spojené do řetězců - jednoduché - pyroxeny - dvojité - amfiboly Fylosilikáty - tetraedry propojené v ploše – slídy, jílové minerály Tektosilikáty - tetraedry tvořící prostorovou kostru – živce, foidy, zeolity, také křemen Nesosilikáty Tetraedry SiO[4] jsou izolované od ostatních tetraedrů, ale sdílejí apikální kyslíky se dalšími typy polyedrů (oktaedry, hexaedry, dodekaedry) ve struktuře Skupina olivínu Obecný vzorec M[2]SiO[4 ] M = Mg, Fe^2+ (Mn) (Mg,Fe)[2]SiO[4 ] Forsterit Mg[2] SiO[4 ] Fayalit Fe[2] SiO[4 ] (Tefroit) Mn[2]SiO[4 ] Olivín – termín užívaný v petrologii pro složení (Mg,Fe)[2] [SiO[4]] [ ] Ideálně mísitelné, hlavní substituce Mg-Fe Vedlejší až stopové prvky: Ca, Zn, Ni Rombický Izolované tetraedry SiO[4], sdílející apikální kyslíky s oktaedry, obsazenými dvojvalentními kationty (Mg, Fe^2+, Mn ) Vlastnosti: Barva: světle žlutozelená, nažloutlý (forsterit), černý (fayalit), lesk skelný, neštěpný, T = 6-7, h = 3,2-4,3. Výskyty: Forsterit (olivín)- ultrabazické magmatické (Smrčí, Kozákov) a metamorfované horniny např. dolomitické mramory (Studnice), hojný ve svrchním plášti Fayalit - pegmatity (Strzegom) a alkalické granity, Fe-bohaté metamorfované hornin Olivín lehce podléhá hydrotermálním alteracím a vzniká serpentin. Využití: jako drahý kámen, důležitý v řešení problémů zemského pláště, PT podmínky. Skupina granátu Obecný vzorec A[3]B[2](SiO[4])[3 ]A = Fe^2+, Mn, Ca, Mg B = Al, Fe^3+, Cr^3+, V^3+ Vedlejší prvky: Y, Zr, Ti, Na, P Struktura Izolované tetraedry SiO[4] sdílejí apikální kyslíky s deformovanými oktaedry (Al a Fe ^3+) a s deformovanými dodekaedry (Mg, Fe ^2+, Mn, Ca). Granáty jsou kubické. Minerály: Pyrop Mg[3] Al[2] Si[3]O[12] Almandin Fe[3] Al[2] Si[3]O[12 ]Spessartin Mn[3] Al[2] Si[3]O[12] Grosulár Ca[3] Al[2] Si[3]O[12] Andradit Ca[3] Fe[2] Si[3]O[12] Uvarovit Ca[3] Cr[2] Si[3]O[12] Mísitelnost mezi jednotlivými členy granátu je různá, neomezená v případě, že je velikost zastupovaných kationtů blízká, menší, je-li rozdíl větší. Závisí i na PT podmínkách. Typické substituce: Mn-Fe^2+-Ca-Mg, Al-Fe^3+-Cr Vlastnosti: Barva: červená a její odstíny, méně často zelená, žlutá, bezbarvý (grossular), granát není nikdy modrý, neštěpný, T = 7-7,5, h = 3,6-4,2. Ve výbruse je izotropní. Výskyty: Almandin – metamorfované pelity (svor, rula – Petrov nad Desnou), pegmatity (Dolní Bory), granity (Přibyslavice) Pyrop (český granát)– ultrabazické horniny (dunity, serpentinity - Drahonín, eklogity - Biskupice) Spessartin – pegmatity (Bližná), Mn-bohaté metamorfované horniny (Chvaletice) Grossular (varieta hessonit) – skarny (Žulová) Andradit – skarny (Vlastějovice) Granáty jsou většinou velmi odolné vůči hydrotermálním alteracím a zvětrávání, proto jsou běžné jako těžký podíl v sedimentárních horninách Využití: drahý kámen, abrazivo, v metamorfní petrologii pro odhad PT podmínek, pro odvození provenience sedimentů. Skupina Al[2]SiO[5 ] Sillimanit Al^6 Al^4 O SiO[4] rombický Andalusit Al^6 Al^5 O SiO[4] rombický Kyanit Al^6 Al^6 O SiO[4] triklinický Vzhled, barva a optické vlastnosti: Sillimanit – jehlicovité až vláknité, méně často i drobně až hrubě zrnité agregáty nebo sloupcovité krystaly, velikost až do několik dm šedá, bílá, žlutá, hnědá, bezbarvý Andalusit - sloupcovité krystaly, jehlicovité, drobně až hrubě zrnité agregáty, velikost až do velikosti 1 m růžová, červenohnědá, bílá šedá, zelená, modrá, někdy je pleochroický Kyanit - sloupcovité až tabulkovité krystaly, drobně až hrubě zrnité agregáty, velikost až několik dm modrá, šedá, bezbarvý, vysoký index lomu Tvrdost 6-7, u kyanitu 7-5, h = 3,2-3,6 (kyanit). Variety: viridin – zelený Mn-andalusit, chiastolit – andalusit se sektoriální zonálností z kontaktních rohovců, fibrolit – jehlicovitý sillimanit Chemické složení je většinou blízké ideálnímu složení. minoritní a stopové prvky Sillimanit Al^6 Al^4 O SiO[4] B^3+, Mg, Fe^3+, Al, H Andalusit Al^6 Al^5 O SiO[4] Mn^3+, Fe^3+, Cr^3+, H Kyanit Al^6 Al^6 O SiO[4] Cr^3+, V^3+, Fe^3+, H Většinou jsou blízké koncovému členu, některé stopové až minoritní prvky jsou uvedeny výše. Pouze Mn^3+ a v menší míře také Fe^3+ v andalusitu dosahují významných koncentrací a existuje Mn^3+ analog andalusitu - kanonait. Výskyty: Sillimanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně, migmatity Andalusit – kontaktně metamorfované horniny, granity, pegmatity Kyanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně, granulity Odolnost Al[2]SiO[5] je proti alteracím je střední až vysoká, proti zvětrávání je vysoká, proto jsou běžné v sedimentech. Využití: Velmi důležité minerály pro odhad podmínek vzniku hornin. Staurolit Fe[2] Al[9] O[6] (SiO[4])[4] (O,OH)[2 ] Vedlejší prvky: Zn, Li, Mn, Co Monoklinický (pseudorombický) Vlastnosti: hnědý v různých odstínech, nedokonale štěpný, t = 7-7,5, h = 3,6-3,8 Výskyty: Typický horninotvorný minerál svorů a rul (Keprník), typický těžký minerál vzhledem ke svojí mechanické a chemické odolnosti a hustotě. Důležitý pro odhad PT podmínek v metamorfovaných horninách. Chloritoid (Fe, Mg)[2] Al[4] O[2] (SiO[4])[2] (OH)[2 ] Vedlejší prvky: Mn Monoklinický a triklinický strukturně a geneticky příbuzný staurolitu Vlastnosti: tmavozelený až černý, výborně štěpný, t = 5-6, h = 3,4-3,6 Výskyty: v metamorfovaných horninách (při nižší metamorfóze, než aby vznikl staurolit) – chloritoidových břidlicích Využití: Důležitý pro odhad PT podmínek v metamorfovaných horninách. Titanit Ca Ti (SiO[4]/O) Vedlejší prvky: Sn, Al, Nb, Ta, F, Y, REE Monoklinický Vlastnosti: hnědý, žlutý, zelený, nedokonale štěpný, t = 5-5,5 h = 3,4-3,6 Výskyty: Hojný akcesorický minerál v různých typech metamorfovaných a magmatických hornin, vyžaduje zvýšenou aktivitu Ca. Středně odolný vůči alteracím. Zirkon Zr SiO[4 ] Vedlejší prvky: Hf, U, Th, Y, Sc, P Tetragonální Vlastnosti: hnědý, žlutý, nedokonale štěpný, t = 7-7,5 h = 4,6-4,7 Výskyty: Akcesorický minerál v různých typech hornin, jediný relativně hojný minerál Zr. Velmi odolný proti alteracím, používá se k radiometrickému datování. Často je ale metamiktní (rozpad struktury působením radioaktivního záření) Závěr 1. Tato přednáška zahrnuje jen základní přehled hlavních minerálů ze skupiny nesosilikátů, ve skutečnosti je v této skupině několik set minerálů. 2. Většina minerálů má poměrně vysokou tvrdost 6-7, hustotu větší než 3, a většina má nedokonale vyvinutou štěpnost. 3. Barva kolísá podle obsahu Fe (Mn), minerály s výraznou převahou Mg nad Fe (Mn) jsou bezbarvé, světle žluté nebo světle zelené, minerály bez Mg a Fe mají různé ale většinou světlé barvy. Minerály s vysokým obsahem Fe jsou tmavé – černé, červenofialové nebo hnědé. 4. Většina minerálů ze skupiny nesosilikátů má nízký nebo nulový obsah H[2]O. 5. Většina minerálů vzniká za relativně vyšších teplot a tlaků v magmatických a metamorfovaných horninách. 6.U většiny z nich je nutné znát chemické vzorce (olivíny, granáty. Al[2]SiO[5], zirkon, titanit).