15.12.2016 1 Přírodní skla Petr Gadas bloková přednáška Struktura přednášky - Vymezení pojmů sklo, přírodní sklo, klasifikace skel s.l. atd. - Přírodní skla - vulkanická skla - kyselá skla - bazická skla - ostatní skla - pseudotachylity - fulgurity - Makroskopické a mikroskopické vlastnosti - Fyzikální a chemické vlastnosti přírodních skel - Stáří, stabilita a rozpad skel…. - Vznik přírodních skel - Využití přírodních skel 15.12.2016 2 Přírodní skla – definice Definice skla - Pevná amorfní látka bez pravidelného uspořádání stavebích částic na vzdálenost větší než je několikanásobný rozměr elementárních stavebích jednotek (Bouška a kol. 1987, pozn. – jednotky nanometrů) - někteří autoři začleňují mezi skla všechny pevné amorfní látky bez ohledu na původ a složení - opticky izotropní - přechlazená kapalina, která vlivem vysoké viskozity nemůže krystalizovat Pevná látka x kapalina konvenční hranice - viskozita 1012 Pa.s (N.s.m-2) - experiment s asfaltem (1011 x viskóznější než voda - 10-3 Pa.s) – počátek 1930, dnes se čeká na 10. kapku !! 15.12.2016 3 Tavenina vs. pevná látka Obr. a: Závislost měrného objemu na teplotě pro krystalickou látku a sklo Obr. b: Tvorba skla s rychlostmi chlazení R1 K > Ca > Mg nejprve exponenciálně a po určité době lineárně (interdifuze H3O+ nebo H+ ve skle). Je to důsledek dobré pohyblivosti těchto iontů. - proces účinku H2O lze vyjádřit rovnicemi podle Doremuse et al. (1983), penetrace je úměrná t1/2 Na+ sklo + 2H2O H3O+ sklo + Na+ + OHSi O Si + H2O SiOH + HOSi (silanolové skupiny) - v další fázi dochází k uvolňování Si procesem, víceméně konstatní rychlostí: - s rostoucím pH roztoků roste rychlost rozpouštění skel (především intenzita rozpouštění skeletu, sítě). - s rostoucím obsahem Al ve skle klesá schopnost uvolňování Na iontů. Ty jsou v původním skle dvojího druhu (a. silněji vázaný - vyrovnávající nábojový deficit Al IV, b. slaběji vázaný na Si-O-). - Obsah Fe a jeho oxidační stupeň hrají rovněž významnou roli – v případě nepřítomnosti Fe3+ je Al síťotvorný a silně vázaný, v opačném případě jako modifikátor vázaný slabě. Podobně slabě je vázáno jako modifikátor Fe2+ a naopak síťotvorné Fe3+. - Bouška et al. (1984) předpokládá při hydrataci skla vznik dvou vrstev na povrchu: a) vnější gelovitá vrstva s lepší difůzí a konstatním obsahem vody a alkálií a vnitřní rozpraskaná vrstva hydrosilikátu s proměnlivou konc. alkálií o tloušťce cca 0,2 μm. Mechanickým odnosem vnější vrstvy dochází k postupnému průniku vnitřní vrstvy dále do hloubky a tím k redukci objemu skla (např. u bazaltových skel je tato redukce kolem 0,07 μm /rok při 25 oC, tzn. desítky cm/1 mil. let. S kyselostí skla tato rychlost ještě roste. Voda ve vulkanických sklech – sekundární nebo primární? - existují různé názory na původ vody v různých typech především vulkanických skel. Na základě studia δ 18O dospěli vědci k tomu, že výhradně magmatogenní voda je přítomna ve sklech velice nízkým obsahem. Tzn., že všechna ostatní voda je meteorická a je příčinou hydratace skel. Na druhé straně jsou názory, že i například perlit, jako jedno z nejvíce hydratovaných skel, může vznikat současně s obsidiány pouhým přerozdělením magmatogenní vody v důsledku rozdílných pT podmínek. Při tlaku páry vyšším, než je v okolí dochází ke zpěnění, expandaci skla a vzniku pemzy. Mechanicky a rozpouštěním narušený povrch různých typů vulkanického skla. vulk. jednotka Konya, Turecko (miocénní stáří). Pemza 15.12.2016 21 - Dlouhodobá hydratace způsobuje výrazné strukturní změny. Vzhledem k narušování i nejpevnějších vazeb Si - O umocněném přítomností modifikátorů jsou silně hydratovaná zachovalá skla v přírodě velmi vzácná. - V případě bazických a intermediálních skel se často setkáme s termínem palagonitizace. Jde o proces vzniku tzv. palagonitu tj. pórézní horniny, často páskované a nehomogenní stavby, složené ze skla, jílových minerálů, epidotu, zeolitů, karbonátů, Fe oxidů a hydroxidů, Si amorfních hmot aj. Dochází při něm vzápětí po extruzi za relativně vysoké teploty k rozpouštění a hydrataci vulk. skla, místy s jeho opětovným vysrážením nejčastěji v prostředí podmořském, ledovcovém, za spolupůsobení meteorických vod např na hyaloklastika apod. Sklo takto vzniklé bývá ochuzeno o alkálie a naopak relativně obohaceno o Fe, Ti a vodu. Je výrazně náchylnější k devitrifikaci ve srovnání s nehydratovaným sklem, to vyvětluje, proč se nachází relativně mladá, ale zcela devitrifikovaná skla nebo naopak stará, ale nedevitrifikovaná skla. (např. Bonatti 1965) Hydratace, destrukce a přeměny vulkanických skel palagonitizovaný vitritický tuf, původ neznámý, procházející světlo, www- dp.tamu.edu/publications - V případě kyselých skel vznikají jako sekundární minerály především zeolity, neboť jsou svým chemickým složením velmi blízké pův. sklu. Přechodným stavem mezi kyselým sklem a zeolitem bývá někdy tzv. hydrogel, ze kterého postupně zeolity krystalují (nejčastěji mordenit (Ca,Na2,K2)Al2Si10O24•7(H2O) nebo klinoptilolit (Na,K,Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36•12(H2O)) - za spolupůsobení hydrotermálních roztoků vznikají a jiné fáze jako jílové minerály (kaolinit, illit, montmorillonit aj.) Toto je proces vedoucí ke vzniku někdy velmi bohatých ložisek např. montmorillonitu z původně hyaloklastických tufů. Hydratace, destrukce a přeměny vulkanických skel Experimenty – alkáliemi bohaté roztoky zvyšují intenzitu devitrifikace, např. Lofgren (1970) pozoroval při T = 240-700 °C a tlacích 0,5-4 kb vznik mikropoikilitického křemene, orbikulární mikrostruktury, miarolitické mikrodutiny. Nevznikly ale žádné perlitické stavby (Experimentally Produced Devitrification Textures in Natural Rhyolitic Glass) Ze studií alterací vulk. skel vyplývá, že nejčastějšími produkty vzniku jsou fylosilikáty (biotit , jílové minerály, chlority, sericit. Vedlejšími produkty jsou hematit, pyrit, karbonáty, epidot, 15.12.2016 22 Vulkanická skla – klasifikace a výskyty Klasifikace vulkanických skel, příklady, výskyty - Vzhledem k relativně nízké stabilitě skel jsou vulkanická skla (a obecně přírodní skla) poměrně málo rozšířená a 99% z výskytů je mladších 65 mil. let. Nejstarší prokazatelná přírodní skla byla nalezena v karbonských ignimbritech (kolem 332Ma) v oblasti Port Stephens v SZ Austrálii ( Hamilton 1992, The oldest abundant volcanic glass on Earth Journal of the Geological Society of Australia) Bouška et al. 1987, upraveno výskyty spojené s andezity subdukčních zón, akt.kont. okraje Výskyty spojené s vulkanismem kont. riftů výskyty spojené s vulkanismem oceánských riftů Nejrozsáhleší výskyty vulkanických skel na Zemi 15.12.2016 23 Klasifikace vulkanických skel, příklady, výskyty Bazické a intermediální skla – samostatně spíše drobná tělesa (vliv nízké viskozity a jednodušší difuze), Součást matrix v bazaltech, s rostoucím obsahem Si a K roste viskozita a skla vznikají snáze (př. tholeitové bazalty). Při podmořském vulkanismu tvoří okraje výlevů, na souši jsou často velmi propěněné. Větší výskyty bazických skel jsou známé pouze z Islandu (formace Moberg, pleistocén nebo Havajských ostrovů – skla tholeitických i alkalicko-bazaltových tavenin, recent) Kyselá skla – samostatně i rozsáhlejší tělesa, často v asociaci s ryolity, jsou známé i prvohorní (Sasko – perm, Zabajkalí – jura, křída), masív Bakkagerdi na Islandu (450km2, holocén). Obrovské formace tvořené kyselými skly většinou ve fromě hyaloklastitů (ignimbrity) jsou známy ze z. části Mexika (Sierra Madre Occidental, eocén, až 1 km mocnost), v Evropě sz. Sardinie (terciér), řecké ostrovy Milos, Nisiros aj. V oblasti střední a vých. Evropy pak karpatsko-rodopská vulkanická zóna (paleogén až neogén) spojené s andezito-ryolitovým vulkanismem. Sem náleží i výskyty z oblasti středního Slovenska (sarmat až panon) nebo vých. Slovenska (baden-sarmat) Klasifikace vulkanických skel, příklady, výskyty Jako obsidiány jsou označovány skla s obsahem vody v setinách až destinách % (pravděpodobně primární). Mohou být jak kyselé, tak bazické (někdy termín tachylit, u nás např. Kozákov). Druhé jmenované bývají vetšinou neprůhledné, v případě, že jsou, označují se někdy jako sideromelany. Termín obsidián pochází od římského badatele Obsia, který jej údajně objevil v Etiopii (Němeček 1974, in Přichystal 2009). Jde o kompaktní, nepřeměněné sklo většinou s nízkou pórovitostí a relativně nízkým obsahem krystalů. Jsou nejčastěji tmavé až černé,vzácně hnědavé, červené nebo zelenavé, výjimečně žlutavé nebo zcela bezbarvé (např. kyselé macusanity z Peru, Ekvádoru). Marekanit – Superior, Arizona, USA, vyvětráváním vznikají tzv. Apačské slzy 15.12.2016 24 Klasifikace vulkanických skel, příklady, výskyty Perlit dostal název podle charakteristické odlučnosti, dnes se od obsidiánu odlišuje především množstvím vody (1-10%). Po zahřátí (nad 900 oC)je schopná expandovat. Někdy se vyčleňují primární perlity (H2O do 5%), které vodu získaly ještě v plastickém stavu a sekundární, které ji získaly již v utuhlém stavu a mohly být původně obsidiány. Barvu mají šedou, nezelenalou, bílou i černou. Často jsou heterogeńní s obsahem jiných typů skel, úlomků krystalů, jsou porézní a mají fluidální stavbu. Termín marekanit popisuje horninu složenou z kuliček obsidiánu uzavřených v perlitu (neúplná hydaratace). Smolek je většinou kyselé sklo, s obsahem vody meteorického původu 6-16%, typický je smolný lesk. Jsou šedavé, hnědavé. Někdy vykazuje perlitovou strukturu. Pemza je typ skla, vznikající extrémním proplyněním, často na povrchu obsidiánových příkrovů. Obsah vody je podobný jako v perlitu, bývá šedavá, žlutavá, červenavá. Pórovitost může dosahovat až 90%. Perlit – Szabova skala, stř. Slovensko Perlit – Palháza (Tokajské Vrchy, Maďarsko) Ostatní přírodní skla 15.12.2016 25 Ostatní přírodní skla - Fulgurity Název pochází z latisnkého Fulgur – blesk. Z toho vyplývá, že tento typ skel vzniká za specifických podmínek – při úderu blesku do povrchu zemského. Z doby trvání tohoto jevu lze usoudit, že vznik fulguritů je jev trvající řádově 0,00X sec., přičemž vlivem teploty vzniku mohou přesáhnout i 3000 oC (teplota plazmatu blesku kolem 30000 oC. Mají tvar nepravidelných trubic, někdy větvených, někdy spirálovitých (vždy pravotočivě – Switzer, Melson 1972). Jejich délka se pohybuje od X cm do 3m (výjimečně více) a šířka od X mm do Xcm. Směrem dolů se obvykle zužují a velmi často obsahují centrální dutinu. Její vznik je vysvětlován expanzí plynů (H2O, CO2). www.visionforum.com www.stormblogging.com Barva fulguritů je nejčastěji hnědá, zelená, šedá až černá. Jsou poměrně značně proplyněné a málokdy fluidální. Fulgurity se někdy rozdělují (např. podle Switzera a Melsona 1972) podle protolitu na písčité fulgurity (vysoký SiO2), horninové fulgurity (netvoří trubice, ale spíše povlaky a krusty). Složení skla je proměnlivé, obvykle dochází k mírnému nebohacení o SiO2, K2O. U ostatních složek je poměr fulgurit/protolit proměnlivý, toto vše však nasvědčuje tomu, že docházelo k selektivnímu tavení,resp. odpaření části postiženého protolitu. www.geology.about.com Ostatní přírodní skla - Fulgurity Dva příklady fulguritů a BSE snímky jejich řezy. Fulgurit, Bedřichovice Fulgurit, Saharská poušť Bubliny Si bohatší partie Ca bohatší partie Fulgurit z Bedřichovic více bublin, int. zelený (více H2O, Fe?) v protolitu Fulgurit ze Sahary hnědošedý, méně bublin, více Ca, Si 15.12.2016 26 Pseudotachylit www.mineral-rock.blogspot.com Jedná se o sklovité hmoty vznikající v zónách intenzivně tlakově namáhaných, podél dislokací v zemské kůře, spolu s projevy drcení, kataklázy a mylonitizace. Při těchto procesech může vlivem frikčního tepla k tavení hornin podél těchto poruch v poměrně úzkých pásmech. Vzniklá hornina může mít vzhled brekciovitý až megabrekciovitý. Samotné sklo je většinou tmavé až černé barvy. Vykazuje znaky ostatních přírodních skel jako obsah novotvořených mikrolitů, porfyroklastů, litoklastů, devitrifikace, hydratace apod. Běžné jsou v nich na rozdíl od např. vulkanických skel hojné relikty původních minerálů protolitu, většinou se známkami natavení. Teploty při vzniku mohou dosahovat i přes 1000 oC při tlaku kolem 5 kbar (např. Maddock 1983) popř. kolem 700 oC a tlaku kolem 7,3 kbar (Clark a Norman 1992). P-T podmínky vzniku pseudotachylitů ovlivňuje rovněž množství H2O a zásadně složení protolitu. Buchit, porcelanit Buchit je specifická hornina s proměnlivým obsahem skla, jejíž vznik se spojuje s kontaktní metamorfózou nebo pyrometamorfózou nejč. psamitů za LP HT podmínek. Teploty, při nichž dochází k tavení pevné horniny nejčastěji vlivem intruze magmatu, hoření uhelných slojí apod. dosahují běžně 1100- 1300 oC. Vlivem relativně rychlého utuhnutí nedochází ke krystalizaci a výsledná hornina obsahuje ař XO% skla spolu s relikty pův. minerálů nebo i staveb. Míra tavení a zachování závisí na teplotě magmatu, složení protolitu (obsah minerálů, vody apod.) a délce expozice. Za těchto extrémních podmínek mohou vznikat neobvyklé minerální asociace vč. některých minerálů jinak v přírodě extrémně vzácných jako jsou různé typy ferritů apod. Výsledné asociace jsou např. cordierit + mulit + tridymit + hercynit nebo armalcolit + rutil + ferropseudobrookit nebo melilit + esseneit + anortit + perovskit + srebrodolskit (Ca2Fe3+ 2O 5). V případě, že protolitem byl sediment s obsahem org. hmoty, objevuje se grafit. Hornina bývá často velmi nehomogenní, obsahuje plynové bubliny, litoklasty aj. Barva těchto hornin je rovněž proměnlivá (hnědá, šedá až černá, zelenavá apod.) Sklo v xenolitech buchitu, Stromboli, Itálie, recent, a) jehlice silimanitu a sloupečky kordieritu, b) krystaly spinelu, kordieritu a mullit, g) rutil a spinel, h) hojné vesikuly, Salvioli et al. (2005) Silně pórézní Buchit z Želének (Žáček et al. 2005 15.12.2016 27 Porcelanit Někdy s můžeme setkat také s termínem porcelanit, což je relativně kompaktní, masívní a jemnozrnná hornina s lasturnatám lomem. Fediuk (1987) rozlišuje porcelanity vzniklé působením magmatu, o nichž tvrdí, že sklo neobsahují, zatímco porcelanity vzniklé teplem hořících uhelných slojí býva sklo běžně zastoupeno v obsazích X až X0 %. Protolitem bývá většinou jemnozrnný sediment (jílovec, slínovec apod.). Má vzhled porcelánu a barvu od světle šedé přes červenavou, nažloutlou apod., často bývá skvrnitý. U nás se vyskytuje porcelanit vzniklý efektem hořících uhelných slojí např. na Mostecku nebo Lounsku (Želénky, Dobrčice aj.) Odkryv ve zvětralém porcelanitu u Mostu (SUP), wikipedia.org Porcelanit z Komně u Uherského Brodu Přírodní skla - využití 15.12.2016 28 Využití přírodních skel V pravěku byly některé vhodné typy přírodních skel hojně využívány pro výrobu štípané industrie (čepele, škrabadla, drasadla, hroty apod.). Jako nejvhodnější se jevily různé variety obsidiánu vzhledem k dobré štípatelnosti a mechanickým vlastnostem. V rámci ČR to byly především obsidiány z oblasti východního Slovenska a s. Maďarska. Ze světa známy čepele až 40cm dlouhé. V dnešní době ozdobné předměty, šperkové kameny z barevně a strukturně atraktivních variet obsidiánu. Využití přírodních skel Zásadní význam má studium přírodních skel pro geology , petrology a archeology. - Často dobře odráží složení mateřského magmatu (nealterovaná, nehydratovaná a nedevitrifikovaná skla) Například pooměrně jednotný chemismus bazických skel z prostředí oceánské kůry ukazuje na její vznik parciální anatexí pláště v prostředí MORB popř. srovnávání složení inkluzí skla s reziduálním sklem ukazuje, do jaké míry a jakým procesem prošlo magma v průběhu jeho diferenciace. - dobře vypovídá a procesech vedoucích k jejich vzniku včetně pT podmínek, rychlosti tuhnutí, kontaminacích a procesech vedoucích k jeho přeměnám, degradaci a zániku.