Földtani ismeretek

Földtani ismeretek

2. témakör:

Ásványtani és kőzettani alapokElőadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

Témakör vázlat

• Ásványtani ismeretek:– Fogalom, összetétel– Kristálytani csoportosítás – Fizikai és kémiai tulajdonságok– Az ásványok keletkezése

• Kőzettani ismeretek:– Fogalom, a kőzetek körforgása– Magmás kőzetek– Üledékes kőzetek– Metamorf kőzetek

Ásványtani alapismeretek

• Ásvány: meghatározott kémiai összetétellel és kristályszerkezettel rendelkező természetes eredetű anyag. A kőzetek építőelemei.

• Az ásványtan a földtani tudományok egyik lapvető része, mely foglalkozik az ásványok fizikai tulajdonságaival, vegyi összetételével és belső szerkezetével, valamint keletkezési és előfordulási körülményeivel.

• Az érc elsősorban gazdaságföldtani fogalom. Minden olyan ásvány vagy kőzet ércnek tekinthető, ha abból valamilyen fémet gazdaságosan lehet előállítani.

Kristálytani fogalmak

• A kristály szilárd, egynemű, síklapokkal határolt, térrácsszerkezettel rendelkező, egyes sajátságaiban anizotrop anyag

• Az ásványok rendszerezésének egyik lehetséges alapja: a kristálytani tengelykeresztek (a, b, c és ezek hajlásszögei)

• A kristálytani tengelykeresztek alapján 7 kristályrendszer és 32 szimmetriakombináció van

Kristálytani fogalmak

A kristályrendszerek:– Háromhajlású (triklin)

– Egyhajlású (monoklin)

– Rombos

– Négyzetes (tetragonális)

– Háromszöges (trigonális)

– Hatszöges (hexagonális)

– Szabályos

Kristályok

Bf_33

Ásványfizika

• Az ásványok fizikai sajátosságainak ismerete segítséget nyújt felismerésükben és felhasználhatóságukhoz

• Fontosabb ásványfizikai paraméterek: sűrűség, szilárdság, fénytani-, hőtani-, mágneses- és elektromos tulajdonságok, radioaktivitás

Ásványkémia

• Napjaink ásványrendszertana a kémiai összetételen, ezen belül az anionok fajtáin alapul. A rendszer osztályai:– terméselemek (nincsen anion)

– szulfidok és rokon vegyületek (As, Sb, Te, Se)

– oxidok és hidroxidok (anion O és OH)

– szilikátok (SiO4, helyettesítői: AlO4, OH, O, F, Cl)

– foszfátok és rokon vegyületek

– szulfátok és rokon vegyületek

– borátok, karbonátok, nitrátok

– halogenidek (sófélék)

– szerves vegyületek

Az ásványok keletkezése

• Egy-egy ásvány, ásványtelep keletkezése az adott kiindulási anyag és a környezet fizikai-kémiai állapotának függvénye, törvényszerű következménye.

• A földkéreg (az óceáni és kontinentális kéreg) zömében magmás kőzetből áll, melynek közel 99%-át 8 főelem alkotja (Goldschmidt szerint): O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K.

A földkéreg főelemei*

Tömeg %

Atom %

Térfogat %

*Goldschmidt szerint

Az ásványok elterjedése

• A természetben ismert ásványok száma több, mint 2000 fajta.

• A földkérget alkotó kőzetek összetételében ebből uralkodóan mindössze 11 vesz részt. A többi ásvány meghatározott folyamatokhoz kötötten dúsulhat, és elsősorban ezeknek van gazdasági jelentőségük.

• Kőzetalkotó ásványok: kvarc, plagioklászok, ortoklász, olivin, piroxének, amfibólok, biotit, muszkovit, agyagásványok, kalcit, dolomit.

Az ásványok keletkezése

• Az ásványok és ásványcsoportok keletkezése 3 fő folyamatba illeszthető be:– a magmás, – az üledékes és – a metamorf (és metaszomatikus) folyamat.

A magmás folyamat ásványtársulásai

• A magmás folyamatban képződő ásványok (és kőzetek) kiindulási anyaga a nagy nyomáson és hőmérsékleten képlékeny, kis nyomáson folyékony, forró szilikátolvadék, továbbá a hűlési folyamat végére felszaporodó gázok és gőzök.

• Ha a köpenyből felnyomuló magma a szilárd kéregben reked meg, mélységi (intruzív) kőzetté válik, ha a szilárd kérget áttöri és a felszínre ér, kiömlési (vulkáni) kőzetként merevedik meg.

• A magmás kőzetek ásványos összetétele egyszerű. A leggyakoribb 7 ásványcsoport: kvarc, földpátok, földpátpótlók, piroxének, amfibólok, biotit, olivin.

A magmás folyamat szakaszai

• Folyós magmás szakasz, előkristályosodás

• Főkristályosodás

• Utómagmás szakasz, pegmatitos-pneumatolitos fázis

• Hidrotermális fázis

• Vulkáni utóműködés

Főkristályosodás

• Az ásványtársulások a szilárd kéreg magmás kőzeteit alkotják, ércek vagy nem érces nyersanyag telepek nem keletkeznek• a Bowen-féle kristályosodási sorrend:

Utómagmás szakasz (pegmatitos-pneumatolitos fázis)

• A kiindulási anyagai: a SiO2, Al és alkáliák, továbbá vízben, könnyen illókban gazdag, hígfolyós maradék magma.

• A gázzal való telítettség folyékony halmazállapotot és igen nagy belső nyomást eredményez.

• Hatalmas méretű ásványok keletkeznek, hasadékokban, telérekben, üregekben.

• Pegmatitos fázis (600-500 oC): pl. K-földpát, drágakövek-berill, turmalin, korund ásványok (pl. smaragd, akvamarin, rubin, zafír), volframit

• Pneumatolitos fázis (500-375 oC, könnyenillókban feldúsult, nagy nyomású szakasz): pl. ónkő, kvarc, topáz, volframit, uránszurokérc (gránitban keletkező greizen); illetve wollastonit, diopszid, gránát-csoport; továbbá a kontakt metaszomatikus vasércek (magnetit, hematit)

A magmás folyamat szakaszai

• Hidrotermális fázis– A kiindulási anyag 370-90 oC hőmérsékletű vizes oldat,

mely érces teléreket vagy tömzsöket hoz létre– A fázis gazdasági jelentősége óriási (Au+As, Cu, Pb+Zn,

Co+Ni+Ag, Hg+Sb+As, metaszomatikus telérek)

• Vulkáni utóműködés– Kiindulási anyag a felszínre törő magmás származású

forró és melegvíz, gázkitörések, melynek hőfoka <370 oC, és SiO2-ben nagyon gazdag

– Polymetallikus szulfidok, iszapvulkánok, gejzírek (víz), szolfatára (S), fumaróla (C, N, vízgőz), mofetta (CO2)

Az üledékes folyamat ásványai

• A kiindulási anyag a kőzetciklusban résztvevő összes kőzet

• Az üledékképződés leghatékonyabb közege a víz, mint oldószer, szállító és ülepítő közeg

• Az élő szervezetek, mint ható tényezők• A keletkező ásványok főképpen karbonátok,

szulfátok, borátok, foszfátok, kloridok, továbbá Al, Fe, Mn és SiO2 összetételű képződmények

Az üledékes folyamat ásványai

• A törmelékes kőzetek ásványtársulásai:– Értékes és ritka ásványokat tartalmaz torlat formájában,

melyek kémiailag és fizikailag igen ellenállók, nehezen oldódnak, nagy keménységűek és fajsúlyúak (pl. Au, Pt, gyémánt és más drágakövek, ritka földfémek)

• Az oxidációs és cementációs öv ásványai:– A magmás szulfidércek felszínre kerülése és mállása

következtében övezetes szerkezetű ásványtársulás jön létre

Az oxidációs és cementációs öv ásványai

• Fe és Cu szulfidokból álló oxidációs és cementációs öv (pl. Rudabánya)• mangánérc-telepek (mangánérc kalap – piroluzit keletkezik)• Pb és Zn szulfidokból álló oxidációs öv (pl. cerusszit, smithsonit jön létre)

Az üledékes folyamat ásványai

• A magmás kőzetek mállásából keletkező ásványtársulások– A kiindulási kőzet, a mállási helyszín klíma viszonyai

(hőmérséklet, csapadék), az oldószer (víz) mennyiségétől és pH-tól, a domborzati viszonyoktól függ

– A legkönnyebben oldódnak az alkálifémek, a Ca, Mg– Kisebb szállítási távolságra jut a Fe és Mn– Nehezen oldódik az Al (pH 5-9 között oldhatatlan), Si (pH

7-ig alig, 7-10 között jól oldódik)

Az üledékes folyamat ásványai• Alumínium dús ásványtársulások– Q-ban szegény magmás kőzetek mállásából, a klíma és az

oldat pH-jának függvényében bauxit, laterit vagy agyagásványok (pl. kaolinit, montmorillonit, illit) keletkezhetnek

• Kovakőzetek ásványai– Trópusi, szubtrópusi klíma alatt, Q és szilikátásványokból

kalcedon– Tengerekben, szerves élőlények közreműködésével tűzkő,

szarukő mészkőbe, dolomitba ágyazva– Élőszervezetek vázából: opál, diatomapala és radiolarit

• Vas és mangántartalmú ásványtársulások– Szideritgél (fehérvasérc) és limonit (gyepvasérc) esetében

kiválásukat a CO2 csökkenése és a vasbaktériumok, valamint az oolitos vasércnél (sziderit, hematit, ghoethit, chamosit) mechanikai gócok kialakulása váltja ki.

Az üledékes folyamat ásványai• Karbonátos ásványtársulások

– Az oldott szénsavtartalom csökkenésekor, vagy az oldószer hőmérsékletének emelkedésekor kalcit, aragonit és kisebb mennyisében dolomit válik ki (pl. hévforrások)

– Vízi környezetben biogén és kemogén eredetű kalcit és aragonit kiválások

• Sótelepek ásványtársulásai– Csak meghatározott vegyi összetétel, hőmérséklet és nyomás mellett

megy végbe– Tengervizek esetében: az átlagos tengervíz sótartalom 35 g/l, ennek

3x-nál + 30oC-nál megkezdődik a sókivállás: gipsz, anhidrid, kősó, fedősó

– Szárazföldi vizeknél száraz és meleg klíma esetében: Na, K, Mg karbonátok, nitrátok és borátok (borax, szóda, glaubersó, epsomit

• Foszforfeldúsulások– Biogén hatásra Ca foszfát anyagú gél (kollofán), majd apatit

keletkezik (foszforit)

A metamorf folyamat ásványai

• A metamorf ásványképződéseken belül a nyomás és hőmérséklet növekedése alapján három típus különíthet el:– Kontakt metamorfózis ásványai (itt a hőhatás dominál)– Diszlokációs (nyomás) metamorfózis– Regionális (területi) metamorfózis (nagy nyomás és

hőmérséklet)

• A gazdasági szempontból értékesebb ásványok: grafit, amfibólazbeszt, talk, márványok, stb.

A legfontosabb kőzetalkotó ásványokÁsvány neve Idealizált kémiai összetétel Kõzet-típus

kvarc SiO2 magmás, üledékes, metamorf

ortoklász KAlSi3O8 magmás, metamorf, (üledékes)

plagioklász csoport CaAl2Si2O8+ NaAlSi3O8 magmás, metamorf, (üledékes)

olivin csoport (Mg,Fe)2SiO4 magmás, (metamorf)

piroxén csoport (Mg, Fe)2Si2O6 magmás, metamorf

amfibol csoport (Ca2Mg5)Si8O22(OH)2 magmás, metamorf

biotit (csillám) K(Mg, Fe)3O10(OH)2 magmás, metamorf (üledékes)

muszkovit (csillám) KAl3Si3O10(OH)2 magmás, metamorf (üledékes)

agyagásvány csoport K,Mg,Ca,Na-Al-hidroszilikátok üledékes

kalcit CaCO3 üledékes

dolomit CaMg(CO3)2 üledékes

klorit csoport (Mg, Fe, Al)6(Si,Al)4O10(OH)8 metamorf

szerpentin csoport Mg6(Si4O10)2(OH)2 metamorf

epidot csoport Ca2Al3(SiO4)3(OH) metamorf

Kőzettani alapfogalmak

• A kőzetek a földkéreg adott nyomás és hőmérsékleti viszonyai között keletkezett természetes ásványtársulásai. Vannak monomineralikus és heterogén kőzetek.

• A litoszférában előforduló kőzetek 3 fő típusa ismert:– Magmás kőzetek

– Üledékes kőzetek

– Metamorf kőzetek

• A litoszféra felszínén, belsejében és az asztenoszférában zajló anyag és energiaáramok következtében a fenti kőzetek állandó körforgásban vannak.

A kőzetek körforgása

A magmás kőzetek

• A magma: a földkéregben, a litoszférában és az asztenoszférában elhelyezkedő, nagy nyomás alatt álló, izzón folyós, főleg szilikátos kőzetolvadék.

• A földkéreg minden anyagának ősforrása.• A kéreg jelentős részét a magmás kőzetek

alkotják.• A magmás tevékenység a vulkanizmus és a

plutonizmus együttese

A magmás kőzetek szerkezete

• A kőzetek szerkezetén (struktúráján) a szabad szemmel jól megfigyelhető alaki sajátosságokat értjük.

• A magmás kőzetek szerkezeti tulajdonságai közül a legfontosabb a kőzetek elválása– Lemezes, vékonypados, vastagpados (a kihűlési

felülettel párhuzamosan alakul ki, pl. andezit, gránit, bazalt)

– Gömbhéjas (főleg andeziteknél)

– Oszlopos (pl. bazalt, bazanit, andezit)

A magmás kőzetek szerkezete

A magmás kőzetek szövete

• A kőzetek szövetén (textúráján) felépítésük finomabb jellegzetes alaki tulajdonságait értjük.

• A magmás kőzetek szövete tükrözi a keletkezési körülményeket (a kihűlés lassan következett-e be, milyen nyomáson és illó alkotórész jelenlétében)

• A magmás kőzetek szövetének vizsgálati szempontjai:– Kristályossági fok

– Az ásványos elegyrészek alakja, nagysága és egymáshoz viszonyított helyzete

A magmás kőzetek szövete

Kristályossági fok:

•Holokristályos v. teljesen kristályos (pl. mélységi kőzetek)

•Hipokristályos v. részben kristályos (pl. vulkáni kőzetek)

•Hialinos v. üveges szövet (pl. bazalt)

•Holohialinos v. teljesen üveges (pl. obszidián)

A magmás kőzetek rendszerezése

• Keletkezési mélységük alapján:

• Intruzív: nagy mélységi, plútói vagy abisszikus, összefüggő nagy tömegű és nagy területeken található

• Hipabisszikus (szubvulkáni): átmeneti a vulkanikus és a mélységi között, gyakran teléres megjelenésű, kisebb kiterjedésű

• Effuzív (kiömlési vagy vulkanikus): földtörténeti keletkezésük szerint (harmadidőszak előtt illetve után) paleo- és neoeffuzív

Magmás kőzetek keletkezési mélységük alapján

A magmás kőzetek rendszerezése: kovasavtartalom és az alkáliák mennyisége alapján

A magmás kőzetek rendszerezése: kovasavtartalom és az alkáliák mennyisége alapján

Üledékes kőzetek

• Az üledékes kőzetek keletkezésének folyamata:– Mállás – Szállítás – Felhalmozódás - Kőzetté válás

• Az üledékes kőzetek rendszerezése (keletkezési körülményeik, szemcsenagyságuk és anyagi összetételük alapján:– Tűzi eredetű törmelékes kőzetek (piroklasztitok)– Törmelékes üledékes kőzetek– Vegyi és biogén kőzetek– Vegyes típusú, átmeneti kőzetek

Üledékes kőzetek településviszonyai• Az üledékes kőzetek egymás után lerakódott rétegei

rétegcsoportot (rétegösszletet) alkotnak. Az egyes rétegek időrendi sorrendben következnek egymás után.

• A párhuzamosan települő rétegek általában egy üledékképződési menetben halmozódnak fel (fekü és fedő rétegek).

• A fentitől eltérő rétegződés települési zavarra (diszkordanciára) utal.

Üledékes kőzetek szövete

• Az üledékes kőzetek szövete az üledéket alkotó törmelék, ill. vegyi kicsapódások kristályos szemcséinek:

– nagyságától (finom és durva szemcsés)

– alakjától (szögletes vagy lekerekített), és

– a szemcsék elrendeződésétől (kaotikus, irányított) függ.

• A törmelék- és kristályszemcsék közötti hézagokat általában kötőanyag tölti ki, mely a szemcséket összecementálja. Az alapanyag és a kötőanyag anyaga és egymáshoz viszonyított aránya sokféle lehet.

Tűzi eredetű törmelékes kőzetek

A kőzet ásványos részei részben vagy egészben vulkáni eredetűek, de a felhalmozódás körülményei miatt az üledékes kőzetek csoportjába soroljuk.

A tűzi és üledékes eredetű ásványok aránya alapján:• Vulkáni tufák: T:Ü=max. 80:20), pl. riolittufa, andezittufa• Vulkáni tufit: T:Ü=max. 30-80:70-20• Tufás kőzet: pirogén anyag 5-30%, pl. andezittufás

homokkő

Törmelékes üledékes kőzetek

• Osztályozásuk alapja szemcsenagyságuk– Durva törmelékek: d> 0,2 cm, (kőzettömb, 1m–20cm

görgeteg, 20-0,2cm kavics vagy murva)– Homokok: d=0,2-0,06cm– Finomszemcsés törmelékek (kőzetlisztek): d=0,06cm-

0,002mm– Agyagok: d<0,002mm

• A fenti laza üledékek kőzet változatai:– Konglomerátum és breccsa– Homokkő– Aleurolit– Agyagkő

Vegyi és biogén kőzetek

• Osztályozásuk alapja kémiai összetételük– Karbonátos üledékek és üledékes kőzetek: szerves és

szervetlen eredetűek; mikro vagy makrokristályos; oolitos és pizolitos; konkréciós, gumós, travertino (pl. mésziszap, mészliszt, mészkő, dolomit mésztufa, bryozoás mészkő)

– Üledékes vas (pl. gyepvasérc; oolitos geothit, hematit, opál; sziderit, ankerit) és mangánércek (oxidos és karbonátos, pl. piroluzit, manganit, rodokrozit)

– Foszfátos (pl. monacithomok, guano, foszforit és apatit) és kovás (pl. kvarcit, gejzirit, diatomapala, radiolarit) üledékek és üledékes kőzetek

Vegyi és biogén kőzetek

– Sókőzetek (evaporitok): szárazföldi és tengeri eredetű kloridok, jodidok, bromidok és fluoridok ásványaiból állnak. Fontosabb tengeri sókőzetek:

• Gipsz és anhidrit

• Kősó telepek

• Kálisó vagy fedősó telepek

– Szerves üledékes kőzetek: a szerves anyagoknak bonyolult biokémiai és geokémiai átalakulásán létrejött éghető kőzetei (kausztobiolitok)

• A tőzeg és a kőszén

• Szénhidrogének

Vegyes típusú átmeneti kőzetek

Metamorf kőzetek

• A kőzetmetamorfózis (= kőzetátalakulás) a már meglévő kőzetnek újabb kőzetekké való alakulását jelenti.

• A szilárd fázisban végbemenő átalakulás a Föld mélyében uralkodó fizikai és kémiai feltételek hatására következik be.

• A folyamat két legfontosabb tényezője a nyomás és a hőmérséklet, de legtöbbször csekély mennyiségű oldószer (víz) is jelen van.

Metamorf kőzetek

• A földtani előfordulás mérete alapján:– lokális (kontakt, pl. szkarnok és diszlokációs pl. milonit)

– regionális (a megnövekedett hő és nyomás együttesen jelentkezik, pl. kristályos palák) metamorfózis

• A regionális metamorfizmushoz szükséges 2.000 - 14.000 bar nyomás és 100 – 750 oC közötti hőmérséklet.

• A metamorf kőzetek szerkezete általában irányított, palás, lemezes vagy gyűrt

A lokális metamorfózis

Kontakt metamorf kőzet: szkarn

A regionális metamorfózis

• 600oC felett a metamorfózis és a magmatizmus átfedi egymást, a rendszer víztartalmától függően.

• A víztartalom növekedése a kőzetek olvadáspontjának csökkenésével jár.

A regionális metamorfózis övei (Grubenmann-Niggli):• Epiöv: irányított nyomás mellett viszonylag alacsony ToC• Mezoöv: irányított nyomás mellett magasabb ToC• Kataöv: magas nyomás és hőmérséklet (ToC)

A fluidumok szerepe

• Fluidum: gőzállapotú vizes oldat (gázok, sók, ásványi alkotók) a kőzetek pórusaiban és repedéseiben.

• A metamorfózis során felgyorsítja a kémiai reakciókat, mint szállító tényező.

• A nyomás növekedésévek kipréselődik az oldott kovaanyag, mely kvarckitöltésű ereket hoz létre.

Metamorf kőzetek

• Ha a metamorfózis során a kőzet ásványos összetétele nem változik izofázisos vagy izokémiai átalakulásról beszélünk (pl. mészkőből márvány lesz).

• Allofázisos vagy allokémiai az átalakulás, ha a folyamat során új ásványok keletkeznek, megváltozik az eredeti kőzet szerkezete és szövete is (pl. olivin tartalmú kőzetből szerpentinit keletkezik).

• Ha a kőzet eredeti kémiai összetétele is megváltozik, akkor metaszomatózisról beszélünk (pl. mészkőből magnezit lesz)

A hőmérséklet, nyomás és idő szerepe

• Hőmérséklet: emelkedését a mélyebb helyzetbe kerülés vagy magmás intrúzió okozza.

• Nyomás (szöveti változás vizsgálatánál feszültség): szöveti irányítottságot okoz.

• Idő: hosszabb idő, nagy nyomás, hőmérséklet --> nagyobb kristályok, durvább szemcsés kőzetek

A regionális metamorfózis övei

A metamorf fáciesek

• A regionális metamorfózis övbeosztása helyett P. Eskola az ásvány-fáciesek elvét állította fel.– Ugyanolyan nyomás és hőmérséklet mellett, adott kémiai

összetétel esetén a kémiai egyensúly elérésekor csak egy meghatározott ásványtársulás lehetséges

– Az egyes ásvány-fáciesek kritikus ásványokkal jellemezhetőek (index-ásványok), melyek csak az adott fáciesen belül stabilak

– Metamorf fáciesek: 1. felszín közeli kontakt metamorfózis 2. regionális (kisfokú és nagyfokú) metamorfózis

A metamorf fáciesek

Metamorf fáciesek a nyomás-hőmérséklet viszonyoktól függően:

• Az A görbe egy mélységi magmás test környezetében jellemző geotermikus gradienst jelöl.

• A B görbe egy átlagos kontinentális geotermikus gradiens.

• A C görbe szubdukciós zónában jellemző geotermikus gradiens