Minerały i skały glebotwórcze

ćwiczenia

Fizyka i Chemia GlebDr inż. Przemysław Woźniczka

Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska

pokój 202 przemyslaw.wozniczka@up.wroc.pl

• Skrypt – Gleboznawstwo z elementami mineralogii i petrografii. Jerzy Drozd i inni.

• Gleboznawstwo – pod red. Saturnina Zawadzkiego

• Fartuchy

Fizyka i Chemia GlebDr inż. Przemysław Woźniczka

Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska

• Lista studentów, obecności, oceny, informacje, materiały dydaktyczne – strona internetowa

http://www.up.wroc.pl/~pwoz

Kontakt mailowy przemyslaw.wozniczka@up.wroc.pl

– Budowa kuli ziemskiej.

Kula ziemska zbudowana jest z koncentrycznych stref o odmiennym składzie chemicznym i zróżnicowanej gęstości właściwej. Schematyczną budowę kuli ziemskiej przedstawia poniższy rysunek:

Wprowadzenie

– Minerały są substancjami chemicznymi powstającymi na drodze naturalnych procesów geologicznych. Posiadają one określone i w danych warunkach stałe właściwości fizyczne i chemiczne.

– Skały są naturalnymi skupieniami minerałów. Znane są skały monomineralne i polimineralne.

– Skały macierzyste gleb to skały, z których powstają gleby. Stanowią one jeden z podstawowych czynników wpływających na ukształtowanie i właściwości gleby.

Minerały i skały glebotwórcze1. Systematyka minerałów

– Klasyfikacji minerałów - podział minerałów według pokrewieństwa chemicznego i budowy krystalochemicznej.

Zgodnie z tymi kryteriami minerały podzielono na 6 gromad:

• I. Pierwiastki rodzime (złoto, miedź, siarka)• II. Siarczki i siarkosole (piryt, galena)• III. Halogenki (sylwin, halit)• IV. Tlenki i wodorotlenki

– 1)Tlenki i wodorotlenki żelaza (hematyt, limonit, magnetyt)– 2)Tlenki i wodorotlenki glinu (gibbsyt, korund)

• V. Sole kwasów tlenowych

– 1)Azotany (saletra chilijska, saletra indyjska)– 2)Węglany (kalcyt, dolomit)– 3)Siarczany (gips, anhydryt)– 4)Fosforany (apatyt fluorowy, fosforyty)– 5)Krzemiany i glinokrzemiany

• 5a)Krzemiany wyspowe

• 5b)Krzemiany grupowe

• 5c)Krzemiany pierścieniowe

• 5d)Krzemiany łańcuchowe

• 5e)Krzemiany wstęgowe

• 5f)Krzemiany warstwowe

- łyszczyki: biotyt, muskowit, serycyt; (w skałach magmowych – np. w granicie)

- minerały ilaste: kaolinit, illit, montmorylonit (w skałach osadowych – np. w pyłach)

• 5g)Krzemiany szkieletowe

- grupa krzemionki: kwarc, opal, chalcedon

- skalenie: ortoklaz, plagioklazy

- Skaleniowce: leucyt, nefelin

• 6. Minerały organiczne (węgiel kamienny, ropa naftowa)

WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW

• Barwa. Wyróżnia się minerały:

- barwne, o niezmiennej, charakterystycznej barwie,

- zabarwione, o barwie pochodzącej od domieszek innych substancji,

- bezbarwne.

• Rysa. Jest ona barwą sproszkowanego materiału. Bada się ją pocierając minerałem o niepolerowaną płytkę porcelanową. Minerały barwne dają rysę barwną, zaś bezbarwne i zabarwione mają zawsze rysę białą.

• Przezroczystość. Określa ona zdolność minerałów do przepuszczania promieni świetlnych. Wyróżnia się minerały:

- przezroczyste (np. kwarc),

- przeświecające (np. chalcedon),

- nieprzezroczyste (większość minerałów).

• Połysk. Jest to cecha powierzchni minerału (jego ścian bądź powierzchni powstałych po jego rozbiciu), określająca sposób w jaki odbija ona promienie świetlne. Wyróżnia się następujące rodzaje połysku:

- metaliczny: właściwy i półmetaliczny,

- niemetaliczny: diamentowy, szklisty, tłusty, perłowy, jedwabisty i matowy.

WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW

• Łupliwość. Jest to zdolność minerałów do pękania pod wpływem uderzenia bądź nacisku na części ograniczone powierzchniami płaskimi, łupliwość dzielimy na:

- doskonałą - bardzo dobrą - wyraźną - niewyraźną (słabą) • Przełam. Cecha ta mówi nam o braku łupliwości. Minerał wykazujący przełam, pęka wzdłuż

powierzchni zupełnie przypadkowych, jak np. kwarc. Ze względu na kształt tych powierzchni • Twardość.

Skala Mohsa1. talk Mg3[(OH)2Si4O10] 2. gips CaSO4 . 2H2O 3. kalcyt CaCO3 4. fluoryt CaF25. apatyt Ca5F(PO4)3 6. ortoklaz K[AlSi3O8] 7. kwarc SiO2 8. topaz Al2F2SiO4 9. korund Al2O3 10. diament C

• Gęstość właściwa. W przypadku niektórych minerałów stanowi doskonałą cechę rozpoznawczą (np. barytu - 4,5 g . cm-1, galeny - 7,58 g . cm-1). Większość minerałów skałotwórczych ma jednak gęstość rzędu 2,5 - 3,5 g . cm-1.

• Inne cechy:

- kruchość (np. turmalin)

- sprężystość (np. muskowit)

- giętkość (np. gips)

- kowalność (np. srebro rodzime)

- smak (np. halit)

- magnetyzm (np. magnetyt)

WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW

Systematyka Skał

• Skały magmowe

• Skały osadowe

• Skały metamorficzne

Systematyka Skał MagmowychI. Skały bardzo nie dosycone krzemionką (brak minerałów jasnych).– Skały te powstały z magmy zbyt ubogiej w SiO2 aby utworzyły się skalenie i inne minerały

jasne. Z tego względu są one zbudowane wyłącznie z minerałów ciemnych.II. Skały nie dosycone krzemionką (skalenie + skaleniowce).– Skały te powstały z magmy o zawartości SiO2 niewystarczającej do całkowitego

wykrystalizowania skaleni. Obok skaleni wytworzyły się więc uboższe w krzemionkę skaleniowce, które są minerałami wskaźnikowymi dla tej grupy skał.

III. Skały nasycone krzemionką (skalenie, brak skaleniowców i kwarcu). – Skały te powstały z magmy o zawartości SiO2 wystarczającej do wykrystalizowania skaleni

(nie wytworzyły się skaleniowce). Po wykrystalizowaniu wszystkich składników nie pozostał też nadmiar krzemionki i nie powstał kwarc (lub bardzo mała jego - ilość do 10%)

IV. Skały przesycone krzemionką (skalenie + kwarc). – Skały te powstały z kwaśnej magmy, wykazującej nadmiar SiO2 w stosunku do innych

składników. W warunkach tych, po wytworzeniu wcześniej krystalizujących minerałów pozostały nadmiar krzemionki wykrystalizował w postaci kwarcu. Skały tej grupy charakteryzują się obecnością kwarcu (10% - 35%) i odróżniają się od innych skał jasną barwą i najniższą gęstością.

W każdej gromadzie wyróżnia się klasy (rodziny), do których należą skały wylewne i głębinowe o podobnym składzie mineralogicznym

Budowa skał magmowych

Skały magmowe wykazują różną budowę wewnętrzną tj. strukturę i teksturę.

Struktura określa sposób wykształcenia minerałów. • Ze względu na stopień wykrystalizowania masy skalnej

wyróżnia się następujące typy struktur: – pełnokrystaliczne – półkrystaliczne – szkliste

Większość skał magmowych posiada strukturę pełnokrystaliczną,

Ze względu na wielkości wykrystalizowanych składników wyróżnia się struktury:

- jawnokrystaliczną - - skrytokrystaliczną (afanitową) – - porfirową -

Struktury skał magmowych

Jawnokrystaliczna, równoziarnista

Porfirowa Skrytokrystaliczna (afanitowa)

Budowa skał magmowych

Tekstura - określa sposób rozmieszczenia minerałów w skale.

W zależności od stopnia uporządkowania składników skały wyróżnia się tekstury:

• bezładną - gdy rozmieszczenie składników skały nie wykazuje żadnej prawidłowości; • kierunkową (uporządkowaną) - gdy składniki skały rozmieszczone są w sposób regularny;

Uwzględniając stopień wypełnienia przestrzeni skalnej wyróżnia się tekstury:• masywną (zbitą) - gdy składniki mineralne całkowicie wypełniają przestrzeń skalną nie

pozostawiając żadnych wolnych przestrzeni (porów, próżni skalnych) • porowatą - gdy pomiędzy składnikami mineralnymi skały występują wolne przestrzenie, nie

zapełnione podczas krystalizacji magmy substancją mineralną w stanie stałym.

SKAŁY OSADOWE

• wietrzenie

• transport

• sedymentacja

• diageneza.

Wietrzenie• wahania temperatury na powierzchni wietrzejących skał (od - 80 °C

do + 80 °C ),

• znaczna rozpiętość opadów (od zera do kilku tysięcy mm rocznie),

• stosunek opadów do parowania ,

• stężenie jonów wodorowych, które w naturalnych zbiornikach waha się w granicach od pH 5 do pH 9,

• potencjał oksydoredukcyjny ( Fe2+ - Fe3+),

• udział organizmów żywych (mikroorganizmy, rośliny, zwierzęta).

• Skały osadowe są w petrografii sklasyfikowane na trzy grupy, w zależności od genezy:

• skały osadowe okruchowe

• skały osadowe pochodzenia chemicznego i organicznego

Skały osadowe okruchowe:

Mieszanka wszystkich powyższych frakcji – Gliny czyli skały różnoziarniste (forma scementowana o tej samej nazwie)

Struktura skał osadowych

• Stopień selekcji (wysortowania)

• Charakter powierzchni, świadczący o środowisku powstawania skał. Wyodrębnić można następujące rodzaje powierzchni:

– gładkie, świadczące o transporcie wodnym, – matowe, nie poddane obróbce w czasie transportu, charakterystyczne dla utworów

rezydualnych, – porysowane, związane z transportem eolicznym i lodowcowym, – o charakterystycznych śladach, np. drążenia przez organizmu żywe żyjące w określonym

środowisku sedymentacyjnym.

Przy określaniu struktury skał okruchowych bierze się pod uwagę następujące kryteria:

•Rozmiary okruchów•Stopień obtoczenia,

Diageneza (cementowanie okruchów w litą skałę)

• W zależności od składu chemicznego wyróżnia się następujące rodzaje lepiszcza:

– wapniste - złożone z kalcytu, o jasnej barwie, burzące z 10% kwasem solnym na zimno, – margliste - złożone z kalcytu i minerałów ilastych, o jasnej lub szarej barwie, burzące z

kwasem solnym i pozostawiające osad po wyburzeniu, – dolomityczne - złożone z dolomitu, o jasnej barwie, burzące z kwasem solnym na gorąco

lub po sproszkowaniu, – żelaziste - złożone z tlenków i wodorotlenków żelaza, o charakterystycznym czerwonym lub

brunatnym zabarwieniu, – krzemionkowe - złożone z chalcedonu lub opalu, o jasnej barwie, dużej zwięzłości, często

również o szklistym połysku, – ilaste - złożone z minerałów ilastych, o małej zwięzłości, – glaukonitowe - złożone z glaukonitu, o charakterystycznej zielonej barwie.

Charakterystyka Piasków• Piaski eoliczne (wydmowe) są dobrze obtoczone i przesortowane. Składają

się prawie wyłącznie z okruchów drobnoziarnistych, co uwarunkowane jest ograniczoną zdolnością transportową wiatru. Powierzchnia ziarn piasków eolicznych jest matowa i porysowana na skutek wzajemnego ich ocierania się w trakcie transportu.

• Piaski aluwialne (rzeczne) są średnio obtoczone, błyszczące, warstwowane, a w obrębie warstwy dość dobrze wysortowane. Słabe obtoczenie ziarn jest wynikiem transportu w środowisku wodnym, w którym poszczególne ziarna pozornie tracą na ciężarze.

• Piaski zwałowe, wytworzone w wyniku działalności lodowca, charakteryzują się brakiem wysortowania i warstwowania, a obok okruchów obtoczonych występują ziarna ostrokrawędziste.

• Piaski fluwioglacjalne (rzecznolodowcowe) składają się z ziarn obtoczonych jeszcze słabiej niż ziarna piasków rzecznych. Charakteryzują się słabą selekcją i urozmaiconym składem mineralnym.

Charakterystyka pyłów• LESSY – Lessy są pyłami pochodzenia eolicznego, o barwie żółtej, wykazują pionową łupliwość i brak

warstwowania. • Typowy less składa się z kwarcu (60 - 70%), glinokrzemianów (20 - 30%), węglanów (8 - 12%),

wodorotlenków żelaza i glinu oraz minerałów ilastych. Ziarna lessu są na ogół ostrokrawędziste, co przyczynia się do wykształcenia dużej porowatości.

Osady lessowe wykazują bardzo dobre właściwości fizyczne, dobre właściwości fizykochemiczne i stanowią jedną z najwartościowszych skał macierzystych gleb. Ich wadą jest stosunkowo łatwa podatność na erozję, zwłaszcza wodną.

– Lessy i utwory lessopodopbne występują na Wyżynie Lubelskiej, Kielecko- Sandomierskiej i Miechowskiej, w pasie pogórzy przedkarpackich, na Płaskowyżu Głubczyckim, Rybnickim oraz na Przedgórzu Sudeckim i Wzgórzach Trzebnickich.

Charakterystyka Iłów• Tworzenie się iłów może zachodzić in situ, na obszarach

wietrzenia chemicznego glinokrzemianów, częściej jednak związane jest ze środowiskiem wodnym i zachodzącymi w nim procesami transportu i sedymentacji.

– Z iłów różnej genezy powstają gleby zasobne, o niekorzystnych właściwościach fizycznych, o małej przewiewności i przepuszczalności. Są one trudne do uprawy - lepkie i mażące w stanie wilgotnym, twarde i zwięzłe w stanie suchym. Zdolności iłów do silnego pęcznienia w czasie namakania i kurczenia w trakcie wysychania, dodatkowo obniżają ich wartość rolniczą.

Charakterystyka glin• Geneza utworów gliniastych może być różna (gliny

rezydualne, deluwialne i inne), jednak największe znaczenie mają gliny pochodzenia lodowcowego, czyli gliny zwałowe.

– Powstające z nich gleby zaliczane są do dobrych i bardzo dobrych, a ich skład chemiczny, w porównaniu np. z utworami rezydualnymi, jest bogatszy w ważne z rolniczego punktu widzenia składniki, jak fosfor, wapń, magnez, potas.

SKAŁY POCHODZENIA CHEMICZNEGO I

ORGANICZNEGO

• skały węglanowe

• skały krzemionkowe

• skały żelaziste

• ewaporaty

• torfy

Skały węglanowe• Wapienie - powstawać mogą w wyniku nagromadzenia się węglanowych szczątków zwierząt,

niekiedy również roślin, na dnie zbiorników morskich i śródlądowych oraz w wyniku wytrącenia węglanu wapnia z roztworów wodnych.

• Margle - są skałami pośrednimi między skałami węglanowymi a okruchowymi. Zbudowane są głównie z kalcytu

• Dolomity - są skałami pochodzenia chemicznego, zbudowanymi przede wszystkim z dolomitu.

Występowania skał wapiennych w Polsce

Odciśniety liść paproci w wapieniu

Skały krzemionkowe– Są to skały utworzone w całości lub w przeważającej części z autogenicznej krzemionki,

wykształconej w postaci opalu, chalcedonu lub kwarcu.

– Niektóre skały krzemionkowe powstają wskutek chemicznego wytrącania się krzemionki, inne zaś w wyniku osadzania się szczątków organizmów zbudowanych z krzemionki: okrzemek, radiolarii i gąbek krzemionkowych.

– Większość skał krzemionkowych odznacza się znaczna twardością bliską, twardości kwarcu. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy skał są: gezy, opoki lekkie, ziemia okrzemkowa i diatomit, spongiolity i radiolaryty.

Skały Żelaziste– Jest to grupa skał wzbogaconych w tlenki i sole żelaza. Przyjmuje się iż zawartość żelaza

niezbędna do zakwalifikowania skały do tej grupy wynosi 15%. Do skał żelazistych należą między innymi: rudy darniowe i bagienne, żelaziaki brunatne i osadowe syderyty.

Ewaporaty– Ewaporaty powstają w zbiornikach wodnych po wytrąceniu węglanu wapnia, gdy po

odparowaniu wody składniki mineralne ulegają dalszej koncentracji. Należą do nich złoża gipsu, anhydrytu, halitu oraz złoża wielomineralne, np. sole potasowo-magnezowe. Najważniejszymi skałami należącymi do tej grupy są: gips, anhydryt, sól kamienna, sole potasowe i potasowo-magnezowe.

Charakterystyka Torfów

• TORFY– Torfy są skałami powstającymi współcześnie w wyniku nagromadzenia szczątków

obumarłych roślin w warunkach nadmiernego uwilgotnienia oraz w wyniku zarastania jezior. – Torfy wykształcone w dawniejszych okresach geologicznych uległy przekształceniu w

pokłady węgla brunatnego (utwory trzeciorzędowe) lub kamiennego (utwory karbońskie)

– Wyróżnia się torfy niskie, przejściowe i wysokie.

– Torfy niskie powstają zwykle w dolinach rzek i jezior przy udziale wód przepływowych. – Torfy wysokie tworzą się na wododziałach i w zagłębieniach bezodpływowych, przy udziale

wody ubogiej w tlen i związki mineralne.– Torfy przejściowe charakteryzują się cechami pośrednimi pomiędzy torfami wysokimi a

niskimi. W ich podłożu zalega zazwyczaj torf niski.

• Wartość glebotwórczą posiadają właściwie tylko torfy niskie. • Torfy wysokie pełnią funkcję naturalnych zbiorników retencyjnych wody opadowej.• Utwory torfowe są na terenie Polski dość powszechne, choć występują jedynie

lokalnie. Największe obszary zajmują w dolinach rzek (oraz ich dopływów): Narwi, Biebrzy Noteci, Obry i u ujścia Odry.

Torfy - zastosowanie

Torf jako surowiec energetyczny

Torf konserwuje• Człowiek żyjący w 4 w.p.n.e. – znaleziony w 1951roku w Danii

Torf ma wiele zastosowań

Skały metamorficzne– Skały metamorficzne powstają w wyniku działania procesów metamorficznych.

Ich charakter zależy od rodzaju skały wyjściowej oraz zakresu temperatury i ciśnienia w jakich zachodzi przeobrażanie. Na tej podstawie wyróżniono (U. Grubenmann, P. Niggle) trzy strefy metamorfizmu,

– Strefa górna (Epi) - charakteryzuje się działaniem dużych ciśnień kierunkowych (stressu), małego ciśnienia hydrostatycznego oraz niskiej temperatury. Stress decyduje o wykształceniu się wyraźnej tekstury łupkowej.

– Strefa pośrednia (Mezo) - cechuje się działaniem silnego stressu, dużego ciśnienia hydrostatycznego oraz średniej temperatury. Warunki takie sprzyjają rekrystalizacji składników i powstawaniu minerałów o dużej gęstości, np. granatów. W strefie tej powstają skały o strukturze bezładnej

– Strefa dolna (Kata) - panuje w niej duże ciśnienie hydrostatyczne i wysoka temperatura, aż do powstania faz półpłynnych. Oddziaływanie stressu jest nieznaczne. Powstają tu skały wykazujące na ogół teksturę bezładną i strukturę gruboblastyczną, co upodabnia je do magmowych skał głębinowych.

Skały metamorficzne

• gnejsy • łupki krystaliczne • kwarcyty • marmury • zieleńce • serpentynity

Gnejsy

– Gnejsy są jedną z większych, a zarazem ważniejszych grup skał metamorficznych. Powstały one w średniogłębokich strefach metamorfizmu, w wyniku przeobrażenia skał magmowych nasyconych i przesyconych krzemionką oraz skał osadowych ilastych, W ich składzie mineralogicznym zawsze występują skalenie i kwarc, którym z reguły towarzyszą łyszczyki.

– Wietrzenie gnejsów prowadzi do powstania lekkich, zasobnych w potas gleb, wykazujących niedobór wapnia, magnezu i fosforu.

– W Polsce skały gnejsowe występują w wielu miejscach w Sudetach, między innymi w Górach Izerskich, Sowich, w masywie Śnieżnika oraz w Tatrach Zachodnich.

Łupki krystaliczne– Łupki krystaliczne stanowią obszerną grupę skał metamorficznych powstających

w płytkich strefach metamorfizu, o różnym składzie mineralnym i wyraźnie zaznaczonej teksturze łupkowej. Częstokroć w ich składzie dominuje jeden minerał, decydujący o ich właściwościach i nadający im nazwę, np. łupek grafitowy, serycytowy, talkowy, chlorytowy, mikowy i inne.

– Z łupków krystalicznych tworzą się różne gleby, których zasobność zależy od ich składu mineralnego. Na ogół wietrzeją one łatwo, dając zwietrzelinę bogatą w łupkowe odłamki.