Mineralogie I Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Mineralogický systém - silikáty Osnova přednášky: • Strukturní a chemický základ pro klasifikaci silikátů • Nesosilikáty • Shrnutí 1. Co je minerál? • 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. 1. Co je minerál? - 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^- 1. Co je minerál? - Krystalochemický vzorec • Složení minerálů vyjadřujeme tzv. krystalochemickými vzorci. • Vzorce minerálů musí být tzv. elektroneutrální 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 je zastupován dalšími prvky – pořadí určuje klesající množství kationtu [SiO[4]] - aniontová skupina 1. Silikáty - úvod • 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- - 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 tak, aby byl minerál elektroneutrální Si^4+ je v tetraedru často nahrazen Al^3+ vedle kyslíku se objevují i jiné anionty OH^-, F^- 1. Silikáty - klasifikace Nesosilikáty - tetraedry izolované – olivín, granáty Sorosilikáty – 2 spojené tetraedry Cyklosilikáty – tetraedry spojené do cyklů 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 1. Silikáty – krystalové struktury 1. Silikáty – krystalové struktury 1. Silikáty - klasifikace 2. Nesosilikáty - 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 [ ] 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. 2. Nesosilikáty - skupina olivínu 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 horniny • Olivín lehce podléhá hydrotermálním alteracím a vzniká serpentin. • Využití: jako drahý kámen, důležitý v řešení problémů zemského pláště, PT podmínky. 2. Nesosilikáty- skupina granátu [• ] Obecný vzorec A[3]B[2](SiO[4])[3 ] A = Fe^2+, Mn, Ca, Mg B = Al, Fe^3+ Vedlejší a méně časté prvky: V, Cr, Y, P 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] Grossular Ca[3] Al[2] Si[3]O[12] Andradit Ca[3] Fe[2] Si[3]O[12] • Kubický • Typické substituce Mn-Fe^2+-Ca-Mg, Al-Fe^3+ • 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. 2. Nesosilikáty- skupina granátu • Izolované tetraedry SiO[4] sdílejí apikální kyslíky s deformovanými oktaedry (Al a Fe ^3+) a s deformovanými dodekaedry (Mg, Fe ^2+, Mn, Ca). • 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. 2. Nesosilikáty- skupina granátu 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. 2. Nesosilikáty- skupina granátu 2. Nesosilikáty- skupina granátu 2. Nesosilikáty- skupina granátu 2. Nesosilikáty- skupina granátu 2. Nesosilikáty - Skupina Al[2]SiO[5 ]2. Nesosilikáty - Skupina Al[2]SiO[5 ]2. Nesosilikáty - Skupina Al[2]SiO[5 ]2. Nesosilikáty - Skupina Al[2]SiO[5 ]• Výskyty: • Sillimanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně, migmatity • Andalusit – kontaktně i regionálně metamorfované horniny (Branná), granity, pegmatity (Dolní Bory) • Kyanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně (Frymburk), granulity Z obrázku je zřejmé, že pozice trojného bodu zůstává stále diskutabilní. Především pozice univariantní křivky reakce andalusit=sillimanit je nejistá. • 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. 2. Nesosilikáty - Skupina Al[2]SiO[5 ]2. Nesosilikáty – další minerály • 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. 2. Nesosilikáty – další minerály • 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 • 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. 2. Nesosilikáty – další minerály • 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) 3. Shrnutí • Tato přednáška zahrnuje jen základní přehled hlavních minerálů ze skupiny nesosilikátů, ve skutečnosti je v této skupině několik set minerálů. • Většina minerálů má většinou poměrně vysokou tvrdost 6-7, hustotu větší než 3, a většina má nedokonale vyvinutou štěpnost. • 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. • Většina minerálů ze skupiny nesosilikátů má nízký nebo nulový obsah H[2]O. • Většina minerálů vzniká za relativně vyšších teplot a tlaků v magmatických a metamorfovaných horninách. • U většiny z nich je nutné znát chemické vzorce.