Minerały i skały glebotwórcze ćwiczenia

Fizyka i Chemia Gleb Dr inż. Przemysław Woźniczka Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska pokój 202 [email protected]

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

• Gleboznawstwo – pod red. Saturnina Zawadzkiego • Fartuchy

Fizyka i Chemia Gleb Dr 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

[email protected]

–

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 glebotwórcze

1. 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 Mohsa

1. talk Mg3[(OH)2Si4O10] 2. gips CaSO4 . 2H2O 3. kalcyt CaCO3 4. fluoryt CaF2 5. apatyt Ca5F(PO4)3 6. ortoklaz K[AlSi3O8] 7. kwarc SiO2 8. topaz Al2F2SiO4 9. korund Al2O3 10. diament C

WłAŚCIWOŚCI MAKROSKOPOWE MINERAŁÓW

• •

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)

Systematyka Skał • Skały magmowe • Skały osadowe • Skały metamorficzne

Systematyka Skał Magmowych

I. Skały bardzo nie dosycone krzemionką

(brak minerałów jasnych).

– Skały te powstały z magmy zbyt ubogiej w SiO 2 aby utworzyły się skalenie jasne. Z tego względu są one zbudowane wyłącznie z minerałów ciemnych.

II. Skały nie dosycone krzemionką

( skalenie + skaleniowce ).

i inne minerały – Skały te powstały z magmy o zawartości SiO 2 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 SiO 2 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 SiO 2 barwą i najniższą gęstością. 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 W każdej gromadzie wyróżnia się klasy (rodziny), do których należą skały wylewne i głębinowe podobnym składzie mineralogicznym o

Budowa skał magmowych

• Skały magmowe wykazują różną budowę wewnętrzną tj.

strukturę teksturę.

i

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 porfirową

(afanitową) –

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

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

Rozmiary okruchów

•

Stopień obtoczenia

, •

Stopień selekcji

(wysortowania) •

Charakter powierzchni

–

gładkie

, świadczący o środowisku powstawania skał. Wyodrębnić można następujące rodzaje powierzchni: , świadczące o transporcie wodnym , –

matowe

, nie poddane obróbce w czasie transportu, charakterystyczne dla utworów rezydualnych, – –

porysowane

, związane z transportem eolicznym środowisku sedymentacyjnym . i lodowcowym ,

o charakterystycznych śladach

, np. drążenia przez organizmu żywe żyjące w określonym

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 również o szklistym połysku, lub opalu , o jasnej barwie, dużej zwięzłości, często

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 w trakcie transportu. wiatru . Powierzchnia ziarn piasków eolicznych jest matowa i porysowana na skutek wzajemnego ich ocierania się

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 wodorotlenków żelaza kwarcu i glinu (60 - 70%), glinokrzemianów oraz minerałów ilastych co przyczynia się do wykształcenia dużej porowatości. (20 - 30%), węglanów (8 - 12%), . Ziarna lessu są na ogół ostrokrawędziste, 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

wietrzenia może zachodzić

in situ

, na obszarach 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 wykształconej w postaci opalu , chalcedonu lub kwarcu .

krzemionki, – 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 wody ubogiej w tlen i związki mineralne.

– Torfy wysokie tworzą się na wododziałach i w zagłębieniach bezodpływowych, przy udziale przejściowe charakteryzują się cechami pośrednimi pomiędzy torfami wysokimi a niskimi. W ich podłożu zalega zazwyczaj torf niski. • Wartość glebotwórczą posiadają właściwie tylko Noteci, Obry i u ujścia Odry.

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

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

tej powstają skały o strukturze bezładnej . Warunki takie sprzyjają rekrystalizacji składników i powstawaniu minerałów o dużej gęstości, np. granatów. W strefie

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.

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

– 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

Gnejsy

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.