Mineralogie II Milan Novák Ústav geologických věd, PřF MU v Brně Inosilikáty Hlavní skupiny: pyroxeny amfiboly Struktury inosilikátů se skládají z nekonečného řetězce tetraedrů SiO[4], které se střídají s pásovými vrstvami oktaedrů, a obojí jsou orientovány rovnoběžně s osou z (vertikálou krystalu). V pyroxenech jsou řetězce tetraedrů SiO[4] jednoduché, v amfibolech dvojité. Obr. 1. Srovnání struktur pyroxenů, amfibolů a slíd Skupina pyroxenu Monoklinické, rombické obecný vzorec M2M1T[2]O[6]. M2 = Mg, Fe, Ca, Na, Li M1 = Mg, Fe, Mn, Al, Fe^3+, Cr, V, Sc Struktura Spojitý řetěz o složení (SiO[3])[n] je tvořen spojením [SiO[4]] tetraededrů sdílejících dva ze čtyř vnějších rohů. Řetězy jsou spojeny kationy ve dvou odlišných pozicích, M2 a M1. M1 kationy v oktaedrické koordinaci leží mezi dvěma vrcholky SiO[3] řetězů, M2 kationy v hexaedrické nebo oktaedrické koordinaci leží mezi jejich bázemi. Obr. 2. Krystalová struktura pyroxenů Tab. 1. Schematický diagram znázorňující vstup kationtů do jednotlivých krystalografických pozicí v pyroxenech. Obr. 3. Klasifikace jednotlivých typů pyroxenů. Obr. 4. Mísitelnost pyroxenů v různých podmínkách. Tab. 3. Distribuce kationtů a symetrie minerálů skupiny pyroxenu M2 M1 T[2] symmetry Mg-Fe pyroxenes Enstatite Mg Mg Si orthorhombic Ferrosilite Fe^2+ Fe^2+ Si orthorhombic Clinoenstatite Mg Mg Si monoclinic Clinoferrosilite Fe^2+ Fe^2+ Si monoclinic Pigeonite Mg, Fe^2+,Ca Mg, Fe^2+ Si monoclinic Mn-Mg pyroxenes Donpeacorite Mn^2+ Mg Si orthorhombic Kanoite Mn^2+ Mg Si monoclinic Ca pyroxenes Diopside Ca Mg Si monoclinic Hedenbergite Ca Fe^2+ Si monoclinic Augite Ca, Mg, Fe^2+ Mg, Fe^2+ Si monoclinic Johannsenite Ca Mn^2+ Si monoclinic Petedunnite Ca Zn Si monoclinic Esseneite Ca Fe^3+ Si,Al monoclinic Ca-Na pyroxenes Omphacite Ca,Na Mg, Fe^2+,Al Si monoclinic Aegirine-augite Ca,Na Mg, Fe^2+, Fe^3+ Si monoclinic Na pyroxenes Jadeite Na Al Si monoclinic Aegirine Na Fe^3+ Si monoclinic Kosmochlor Na Cr Si monoclinic Jervisite Na Sc Si monoclinic Namansilite Na Mn^3+ Si monoclinic Natalyite Na V Si monoclinic Li pyroxenes Spodumene Li Al Si monoclinic Typické substituce: Fe-Mg, CaMg-NaAl Výskyty Typické horninotvorné minerály magmatických a metamorfovaných hornin. Vznikají téměř výhradně za relativně vysokých teplot a tlaků, od podmínek zemského pláště až po vulkanické horniny. Hojné jsou také v extraterestrických horninách. Pyroxeny jsou často zatlačovány amfibolem, popř. slídou nebo chlority. Skupina amfibolů Ve struktuře amfibolů se objevují motivy struktury pyroxenů a slíd a amfiboly leží mezi oběma skupinami i petrologicky (např. Bowenovo schema) a běžně se pro ně používá souhrnný název biopyriboly. monoklinické, rombické obecný vzorec: AB[2]^VIC[5]^IVT[8]O[22] (OH)[2 ] kationy pozice koordinace A = vakance, Na a K 1 A 10-12 B = Na, Ca, Mg, Fe^2+, Mn^2+, Li, (Zn,, Ni, Co) 2 M4 6-8 C = L-typ - Mg, Fe^2+, Mn^2+, Li, M-typ - Al, Fe^3+, Cr, Mn^3+, Ti 2 M1+2 M2+M3 6 T = Si, Al 8 T 4 OH = OH, F, Cl, O M-typ kationů obyčejně zaujímá pozici M2. Obr. 5. Struktura amfibolu. Struktura Základní motiv struktury je dvojitý dvojčlánkový řetězec tetraedrů SiO[4], v němž se periodicky opakuje skupina 4 tetraedrů. Vzorcová aniontová skupina je tedy Si[4] O[11] ^6- . Tab. 4. Klasifikace amfibolů (Leake et al. 1997) a vybrané amfiboly Mg-Fe-Mn-Li amfiboly A B C T Antofylit * Mg[2 ] Mg[5 ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Gedrit * Mg[2 ] Mg[3]Al[2 ] Si[6]Al[2 ] O[22] (OH)[2 ]Holmquistit * Li[2 ] Mg[3]Al[2 ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Ca amfiboly Tremolit * Ca[2 ] Mg[5 ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Magnesiohornblend * Ca[2 ] Mg[4]Al Si[7]Al O[22] (OH)[2 ]Aluminotschermakit * Ca[2 ] Mg[3]Al[2] Si[6]Al[2] O[22] (OH)[2 ]Edenit Na Ca[2 ] Mg[5 ] Si[7]Al O[22] (OH)[2 ]Pargasit Na Ca[2 ] Mg[4]Al[ ] Si[6]Al[2 ] O[22] (OH)[2 ]Kaersutit Na Ca[2 ] Mg[4]Ti[ ] Si[6]Al[2 ] O[22] (OH)[2 ]Na-Ca amfiboly (často s Fe^3+) Richterit Na NaCa[ ] Mg[5 ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Magnesiokatoforit Na NaCa[ ] Mg[4]Al[ ] Si[7]Al [ ] O[22] (OH)[2 ]Winchit * NaCa[ ] Mg[4]Al[ ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Aluminobarroisit * NaCa[ ] Mg[3]Al[2 ] Si[7]Al O[22] (OH)[2 ]Na amfiboly (často s Fe^3+) Glaukofan * Na[2 ] Mg[3]Al[2 ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ]Magnesioarfvedsonit Na Na[2 ] Mg[3]AlFe^3+[ ] Si[7]Al[ ] O[22] (OH)[2 ]Leakeit Na Na[2 ] Mg[3]Fe^3+Li[ ] Si[8 ] O[22] (OH)[2 ] vybrané základní substituční vektory (odvozené od tremolitu) (1) ^VIAl^IVAl ^ Mg[-1]Si[-1] tremolit - tschermakit (magnesiohornblend) (2) ^BNa^VIAl[2]^IVAl ^ Ca[-1]Mg[-2]Si[-1 ] tremolit - barroisit (3) ^BNa^VIAl ^ Ca[-1]Mg[-1] tremolit - glaukofan (winchit) (4) ^ANa^VIAl[2]^IVAl[3] ^ "[-1]Mg[-2]Si[-3] tremolit - magnesiosadanagait (5) ^ANa^VIAl[2]^IVAl ^ "[-1]Mg[-2]Si[-3] tremolit - pargasit (6) ^ANa^IVAl ^ "[-1]Si[-1] tremolit - edenit Obr. 6. Hlavní klasifikace amfibolů (bez Mg-Fe-Mn-Li amfibolů) Obr. 7. Příklady klasifikace amfibolů (Ca amfiboly, Na-Ca amfiboly) Výskyty: Typické horninotvorné minerály magmatických a metamorfovaných hornin. Vznikají většinou za relativně vysokých teplot a tlaků, od podmínek zemského pláště (vzácně) až po vulkanické horniny, některé amfiboly (např. arfvedsonit) mohou vznikat i v podmínkách diageneze. Amfiboly tvoří podstatnou součást některých hornin (amfibolity, amfibolická gabra), někdy je přítomen jako vedlejší až akcesorický minerál (granitoidy). Další inosilikáty Prehnit Ca[2]Al[2]Si[3]O[10] (OH)[2 ]Wollastonit CaSiO[3 ]Důležité horninotvorné minerály metamorfovaných hornin bohatých Ca Rhodonit MnSiO[3 ]Karfolit MnAl[2] Si[2]O[6] (OH)[4 ] Fylosilikáty Významná skupina silikátů, tetraedry SiO[4] jsou propojeny třemi vrcholy do nekonečných rovinných sítí s hexagonální nebo pseudohexagonální symetrií. Periodicky se opakuje motiv Si[4] O[10] ^4- . Tyto sítě jsou kombinovány s vrstvami oktaedrů a vytvářejí množství fylosilikátů s výbornou štěpností podle báze 001. Hlavní skupiny: slídy jílové minerály chlority Struktura Základní struktura běžných fylosilikátů sestává z vrstev tetraedrů SiO[4], střídajících se s rovnoběžnými vrstvami oktaedricky koordinovaných kationtů. Vyskytují se dva typy střídání vrstev: - "dvojvrstevné struktury" -- tetraedrická + oktaedrická vrstva, spojené dohromady společně sdílenými kyslíky (kaolinit) - "trojvrstevné struktury" -- vrstva oktaedrů, sevřená mezi dvěma vrstvami tetraedrů SiO[4] (muskovit) Dvojvrstevné a trojvrstevné struktury jsou dále děleny na základě valence kationtu uvnitř oktaedrické vrstvy: a) vrstvy s dvojvaznými kationty (Mg, Fe) se označují jako trioktaedrické brucitová -- Mg (OH)[2] kationty v oktaedrické vrstvě obsazují všechny oktaedrické pozice biotit K Fe[3] Al Si[3] O[10] (OH)[2 ] b) vrstva s trojvaznými kationty (Al) je označena jako dioktaedrická gibbsitová -- Al (OH)[3] jsou obsazeny jen 2 ze 3 oktaedrických pozic (třetí je vakantní) muskovit K Al[2] Al Si[3] O[10] (OH)[2 ] Způsob, kterým jsou spojena "souvrství" ve strukturách fylosilikátů, dále rozlišuje jednotlivé minerální fáze a skupiny a určuje některé z jejich fyzikálních vlastností: - vodíkové můstky (dvojvrství u kaolinitu) - Van der Valsovy síly (neutrální trojvrství pyrofylitu a mastku) - molekuly H[2]O (montmorillonit -- bobtnání) - v případě slíd je jeden ze 4 tetraedrů obsazen Al ^3+ a přebytek negativního náboje je kompenzován jednovalentním kationem, obvykle K (nebo Na), umístěným mezi trojvrstvími (jde o relativně pevnější spojení "souvrství") Skupina slíd Typické horninotvorné minerály magmatických a metamorfovaných hornin, ale objevují se běžně také v sedimentárních horninách. Vznikají ve velmi širokém rozsahu teplot a tlaků, od podmínek zemského pláště (flogopit) až po vulkanické horniny a diagenezi (illit). Obecný vzorec I M[3] T[4] O[10] A[2] I = K, Na, Cs, Rb, NH[4], Ca, Ba, vakance M = Li, Fe^2+, Mg, Mn, Zn, Al, Fe^3+, Cr, V, Ti a vakance T = Si, Al, B, Fe^3+ A = OH, F, Cl, O Ve struktuře se střídají vrstvy tetraedrické (Te) a oktaedrické (Oc) a mezivrstevní kation I v pořadí: I-Te-Oc-Te-I-Te-Oc-Te... Slídy jsou pseudohexagonální většinou krystalují v monoklinické soustavě, typickým znakem slíd je velké množství polytypů. Obr. 8. Krystalová struktura slíd. Tab. 5. Klasifikace slíd. Dělí se do tří hlavních skupin: trioktaedrické: flogopit dioktaedrické: muskovit křehké: margarit Substituce ve slídách Obr. 9. Vybrané substituce ve slídách (substituční vektory). Příklady nejrozšířenějších slíd: Muskovit K Al[2] (Si[3]Al) O[10] (OH)[2 ]Biotit K (Fe,Mg)[3] (Si,Al)[4] O[10] (OH,F)[2 ]Flogopit K Mg[3] (Si,Al)[4] O[10] (OH,F)[2 ]Lepidolit trilithionit polylithionit Margarit CaAl[2] Al[2]Si[2]0[1O] (OH)[2 ] Skupina chloritů monoklinické a triklinické obecný vzorec: A[6-8]Z[4] O[10] (OH,O)[8 ] A = Al, Fe^2+, Fe^3+, Li, Mg Z = Si, Al, B Hlavní minerály klinochlor (Mg[5] Al) Si[3] Al O[10] (OH)[8] chamosit (Fe^2+[5] Al) Si[3] Al O[10] (OH)[8] pennantit (Mn[5] Al) Si[3] Al O[10] (OH)[8 ] Výskyt Typické horninotvorné minerály metamorfovaných hornin, ale objevují se běžně také v sedimentárních horninách. Skupina kaolinit-serpentinu monoklinické, rombické, triklinické, hexagonální obecný vzorec M[3] Z[2] O[5] (OH)[4] . nH[2]O M = Al, Fe^2+, Fe^3+, Mg, vakance Z = Si, Al, Fe^3+ kaolinit, dickit, nakrit Al[4] Si[4] O[10] (OH)[8 ] serpentiny blízké vzorci Mg[6] Si[4] O[10] (OH)[8 ]Antigorit - lupenitý Serpentin Chryzotil - vláknitý Výskyt přeměnou olivínu (serpentinizací) v ultrabazických horninách "Jílové minerály" Fylosilikáty s velikostí částic pod 0,01 mm, studované zejména RTG-difrakčními metodami, elektronovým mikroskopem, mikrosondou, termickou analýzou. Řada z nich patří do skupiny slíd. kaolinit, dickit, nakrit Al[4] Si[4] O[10] (OH)[8 ]montmorillonit (Na,Ca)[0,3] (Al,Mg)[2] Si[4]O[10] (OH)[2] . nH[2]O illit název skupiny, blízký muskovitu s vakancí v I glaukonit název skupiny, blízký biotitu s vakancí v I Další fylosilikáty Mastek Mg[3]Si[4] O[10] (OH)[2 ]Pyrofylit Al[2] Si[4] O[10] (OH)[2 ] Tektosilikáty Významná skupina silikátů s trojrozměrným skeletem tetraedrů SiO[4], které jsou vzájemně propojeny všemi rohovými kyslíky. Do dutin pak vstupují většinou relativně velké kationy, popř. H[2]O a jiné aniony. Skupina živců Důležitá skupina tektosilikátů, které patří mezi nejrozšířenější minerály v zemské kůře. Jsou podstatnými minerály většiny vyvřelých hornin a obvykle jsou hojné v mnoha metamorfovaných i sedimentárních horninách. Chemické složení živců odráží celkový chemismus mateřských hornin -- proto je charakter živců důležitým kriteriem pro klasifikaci vyvřelých hornin a také pro geochemické studie. Obecný vzorec AT[4]O[8 ] nebo AT[1](T[2])[3]O[8 ]A = Na,K, Ca, Ba minoritní Rb, Cs, Sr, NH[4]^+ T[1] =Al minoritní B, Fe^3+ T[2] = Si, Al minoritní P Typické substituce: Na-K, Ca-Ba, Al-Fe^3+, NaSi - CaAl, KSi-BaAl, AlP - 2Si Struktura Všechny živce jsou charakterizovány trojrozměrným skeletem tetraedrů SiO[4], které jsou vzájemně propojeny všemi rohovými kyslíky. Do dutin pak vstupují velké kationy (K, Na, Ca, Ba, Sr). Obr. 10. Struktura živců. Symetrie struktur a uspořádanost Vysokoteplotní živce jsou monoklinické (sanidin, monalbit stabilní nad 1000 ^oC) -- struktury jsou neuspořádané (distribuce kationtů Al a Si je nahodilá) S ochlazováním dochází v tetraedrických polohách T1 a T2 k uspořádávání Al a Si a to je příčinou poklesu symetrie na trojklonnou. Částečně uspořádanou strukturu má ortoklas, tato struktura je stále ještě monoklinická (vzniká pomalým ochlazováním pod 800 ^oC) Dalším ochlazováním (pod 600 ^oC) vzniká úplně uspořádaný K-živec mikroklin (triklinický), má již pravidelně uspořádané Al a Si v tetraedrických polohách. Hlavní minerály: Draselné živce: K Al Si[3] O[8] sanidin (K+Na) ortoklas mikroklin Sodnovápenaté živce - plagioklasy: Na Al Si[3] O[8] albit Ca Al[2] Si[2] O[8] anortit Jednotlivé členy (albit, oligoklas, andezín, labradorit, bytownit, anortit) Barnaté živce: Ba Al[2] Si[2] O[8] celsian hyalofan Mísitelnost je odlišná za různých PT podmínek a mezi různými členy skupiny živců. U plagioklasů se setkáváme s výraznými exsolučními strukturami, kdy se od sebe odmísí 2 živce (často v submikroskopickém měřítku). Zejména u plagioklasů intermediárního složení -- velká rozmanitost exsoluce, tvorba doménových struktur Odmíšeniny - perthity Živce jsou jako hlavní nositelé minoritních prvků jako jsou Cs, Rb, Sr a Ba velmi důležité geochemicky (poměry K/Rb, Rb/Sr, K/Cs). Výskyty Živce jsou přítomné a obvykle hojné skoro ve všech vyvřelých horninách i metamorfovaných horninách, jsou běžné i v mnohých sedimentech. Živce sedimentárních a metamorfovaných hornin odrážejí složení zdrojových hornin: Hydrotermální proces -- živce chybí s výjimkou "alpské parageneze", kde je albit a mikroklin "Foidy" Zastupují živce v magmatických horninách s deficitem SiO[2] a proto jsou označovány jako "Zástupci živců". Stejně jako živce patří do tektosilikátů, jejich struktury sestávají z trojrozměrné sítě tetraedrů, které jsou obsazeny ionty Si^4+ a Al^3+ už od poměru 1:1 (v nefelínu NaAlSiO[4]). Do jejich struktur ale často vstupují i další anionty, např. S, Cl, CO[3]. Nejdůležitější foidy: nefelín (Na, K)AlSiO[4] hexagonální sodalit Na[8]Al[6]Si[6]O[24]Cl[2] kubický nosean Na[8]Al[6]Si[6]O[24] (SO[4]) . H[2]O kubický lazurit (Na,Ca)[7]-8(Al,Si)[12](O,S)[24] (SO[4],Cl[2]) kubický kankrinit Na[6]Ca[2]Al[6]Si[6]O[24] (CO[3])[2] hexagonální Výskyty Většina foidů je svým výskytem omezena na horniny, ve kterých není přítomen křemen, vyskytují se buď současně s alkalickými živci, nebo bez nich (při větším deficitu SiO[2]). Nefelín bývá v asociaci s alkalickými živci ve vyvřelinách nenasycených SiO[2] (nefelinické syenity, fonolity) a pegmatitech nefelinických syenitů. Lazurit se vyskytuje v metasomatických horninách bohatých Na a Ca. Skupina skapolitu Podobně jako foidy zastupují živce v horninách se specifickým složením tetragonální Marialit 3NaAlSi[3]O[8] . NaCl Mejonit 3CaAl[2]Si[2]O[8] . CaCO[3] (SO[4]) [ ]Výskyty Především v metamorfovaných a hydrotermálních horninách se zvýšenou aktivitou Cl nebo CO[2] popř. SO[3 ] Skupina zeolitů Skupina minerálů, převážně silikátů, které mají specifickou strukturu a z ní odvozené specifické fyzikální a chemické vlastnosti. Zeolity mají strukturou složenou ze vzájemně propojených tetraedrů, jejichž rohy jsou tvořeny O a obklopují kation. Tato struktura je prostorově uspořádaná tak, že obsahuje otevřené prostory ve formě kanálů nebo dutin. Ty jsou obvykle vyplněny H[2]O nebo kationy, které jsou vyměnitelné. Kanály jsou natolik velké, že umožňují i průchod příbuzných látek bez porušení struktury. Obecný vzorec zeolitů Definice obecného vzorce je podle nové definice spíše nemožná. Ve starší literatuře je ale uváděn vzorec, který do určité míry vystihuje složení zeolitů: M[x]D[y] (Al [x+2y] Si [n-x-2y] O[2n]) . m H[2]O (Si > Al), x a y se mohou rovnat, kde nově uváděné prvky M = jednovalentní kationy (Na,K) (Li, Cs, NH[4]) D = dvojvalentní kationy (Ca, Mg) (Ba, Sr, Mn) Al (Be) Si (P) aniony v kanálech H[2]O (Cl, B) aniony v tetraedrech O, OH, F Typické substituce: CaAl - NaSi 2Na - Ca BeP - AlSi Obr. 11. Příklady krystalových struktur zeolitů. Vlastnosti zeolitů - převážné bílé, bezbarvé - nízká tvrdost - nízká hustota - nízké indexy lomu a dvojlom - vratná dehydratace při teplotách pod 400 °C - schopnost výměny kationů Klasifikace zeolitů Tab. 6. Nově definované série ve skupině zeolitů. Důležité zeolity: natrolit, stilbit, heulandit, laumontit, wairakit, klinoptilolit, mordenit, faujasit, erionit, harmotom, phillipsit, chabazit, analcim Vznik a výskyt zeolitů Až na výjimky, typické nízkoteplotní a relativně nízkotlaké minerály. Způsoby vzniku zeolitů - zvětrávání silikátů při vysokém Ph - diagenetické pochody - alterace minerálů cirkulující pozemní vodou - hydrotermální alterací a krystalizací spojenou s magmatickou aktivitou - krystalizace z hydrotermálních roztoků - regionální metamorfóza nízkého stupně Typické horniny - vulkanické a subvulkanické tufy a skla (zeolity vznikají většinou až po reakci s vodou různého původu) - hlubokomořské pelagické sedimenty - nízce metamorfované horniny - dutiny ve vulkanitech - hydrotermální systémy na trhlinách hornin (hydrotermální rudní žíly, alpská parageneze) - hyperalkalické magmatické horniny - granitické pegmatity Použití Vyplývá ze specifických vlastností zeolitů. Většina dnes používaných zeolitů je ale vyrobena synteticky. - zachycení různých typů polutantů (radioaktivní látky, organické látky, SO[2]) - čištění různých látek - zemědělství - výroba papíru Další tektosilikáty Danburit CaB[2]Si[2]O[8 ]Petalit LiAlSi[4]O[10] Helvin Mn[4]Be[3](SiO[4])[3] S