Minerały i skały

Cele:
Uczeń:

- wyjaśnia różnicę między skałą i minerałem;
- potrafi wymienić kilka minerałów skałotwórczych;
- potrafi wymienić rodzaje minerałów ze względu na ich skład chemiczny;
- zna fizyczne właściwości minerałów;
- zna nazwy minerałów tworzących skalę Mohsa;
- potrafi dokonać podziału skał i przyporządkowuje je do określonej grupy;
- zna podstawowe rodzaje złóż.

Treści przedstawiane na lekcji:
Najczęściej występujące pierwiastki, z których zbudowana jest litosfera to: tlen, glin, wapń, sód, krzem, żelazo, magnez, potas. Aby łatwiej zapamiętać to zestawienie pierwiastków, można nauczyć się ich symboli: O, Al, Ca Na, Si Fe, Mg, K (oalkanasifemaka).
We wnętrzu Ziemi i na powierzchni zachodzi wiele czynników wewnętrznych i zewnętrznych, kształtujących jej powierzchnię. To dzięki nim na bazie wspomnianych wyżej pierwiastków, powstają skały i złoża minerałów.

Minerały to najmniejsze, naturalne składniki skorupy ziemskiej, jednorodne fizycznie i chemicznie.
Powstają głównie na skutek krystalizacji stygnącej magmy, ale też wytrącają się z roztworów wodnych, tworząc pokłady skał osadowych.
Przykładowo: o powstaniu minerałów iłowych decydują też procesy wietrzenia chemicznego.
Na świecie określono około 3000 minerałów, ale tylko nieliczne należą do tzw. grupy minerałów skałotwórczych, które stanowią 99% masy skorupy ziemskiej.
Podstawowe minerały skałotwórcze to:
- skalenie (58% wszystkich minerałów skałotwórczych na Ziemi);
- kwarc (14% wszystkich minerałów skałotwórczych na Ziemi).
Inne minerały skałotwórcze to np.: magnetyt, hematyt, miki lub krzemiany.

Ze względu na skład chemiczny, minerały dzieli się na:
- krzemiany i glinokrzemiany (skalenie – najpospolitsze spośród wszystkich minerałów, miki);
- tlenki i wodorotlenki (kwarc, magnetyt, hematyt);
- węglany i siarczany (kalcyt, dolomit, syderyt, anhydryt, którego uwodnioną postacią jest gips
- pierwiastki rodzime (złoto, srebro, platyna, diament).
Metale rodzime odznaczają się najlepszym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Wszystkie mają połysk metaliczny i na ogół mają największe ciężary właściwe, odznaczają się wysoką kowalnością i zwykle niewielką twardością.
- kruszce, czyli chemiczne związki metali o dużym ciężarze właściwym (piryt, blenda cynkowa);
- chlorowce (sól kamienna). Tworzy ona złoża na dnie łytkich zatok morskich lub słonych jezior. Z uwagi na wysoką plastyczność soli, pierwotnie pokładowe złoża przekształcają się w wysady soli pod ciśnieniem nadległych warstw;
- sole kwasów tlenowych (kalcyt, dolomit, skalenie);
- węglowce (bursztyn, wosk ziemny, asfalt; mające bezładną budowę wewnętrzną (nie krystaliczną), dlatego nazywa się je ciałami bezpostaciowymi).
Każdy minerał ma także określone cechy fizyczne, takie jak:
- postać (związana z atomową budową wnętrza kryształu), większość występujących w przyrodzie minerałów tworzy ciała krystaliczne o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Budujące je atomy usytuowane są względem siebie w ściśle określonym położeniu, tworząc sieć przestrzenną. Wyróżnia się następujące układy krystalograficzne: trójskośny, jednoskośny, trygonalny, heksagonalny, rombowy, tetragonalny, regularny.
- pokrój, czyli kształt minerału. Wyróżnia się następujące pokroje kryształów: izometryczny, gdy kryształ ma identyczne lub zbliżone wymiary w trzech kierunkach, tabliczkowy, gdy kryształ ma różne wymiary w trzech kierunkach, płytkowy, gdy kryształ ma podobne wymiary w dwóch kierunkach, zaś w trzecim jest wyraźnie mniejszy od poprzednich, listewkowy, gdy kryształ ma różne wymiary w trzech kierunkach, przy czym jeden wymiar wyraźnie przeważa nad pozostałymi, słupkowy, gdy kryształ ma podobne wymiary w dwóch kierunkach, w trzecim zaś wymiar wyraźnie większy od dwóch poprzednich (w przypadku, gdy wymiar trzeci bardzo znacznie przeważa nad pozostałymi, można wyróżnić pokrój pręcikowy igiełkowy lub włóknisty).
- twardość (jest określana wg skali Mohsa):

Minerał o wyższym stopniu twardości zarysowuje wszystkie minerały o niższych stopniach twardości. Minerały o twardości 1 i 2 dają się łatwo zarysować paznokciem, o twardości 1 do 4 - gwoździem żelaznym, o twardości do 5 - ostrzem stalowym. Minerały o twardości 7 i większej są zdolne zarysować szkło.
- łupliwość (zdolność minerałów do dzielenia się w określonych płaszczyznach),
- barwa, która zależy od rodzaju i charakteru ułożenia atomów w przestrzeni, które wpływają na pochłanianie i odbijanie promieni świetlnych. Wyróżnia się minerały barwne, o niezmiennej, charakterystycznej barwie, zabarwione, o barwie pochodzącej od domieszek innych substancji i bezbarwne.
- rysa, jest barwą sproszkowanego materiału. Minerały barwne dają rysę barwną, zaś bezbarwne i zabarwione mają zawsze rysę białą.
- przeźroczystość, określa zdolność minerałów do przepuszczania promieni świetlnych. Wyróżnia się minerały: przezroczyste (np. kwarc), przeświecające (np. chalcedon), nieprzeźroczyste (większość minerałów).
- połysk, 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.
- łupliwość, to zdolność minerałów do pękania pod wpływem uderzenia bądź nacisku na części ograniczone powierzchniami płaskimi. Łupliwość nie występuje u minerałów bezpostaciowych i u niektórych minerałów krystalicznych. Minerały mogą wykazywać łupliwość w jednym lub w kilku kierunkach. Kierunki te są w danym krysztale zawsze takie same, niezależnie od kierunku przyłożenia siły, np. uderzenia. W zależności od łatwości pękania minerału oraz stopnia prawidłowości powierzchni, łupliwość dzielimy na: doskonałą, bardzo dobrą, wyraźną, niewyraźną (słabą).
- przełam występuje wtedy, gdy minerał pęka wzdłuż powierzchni zupełnie przypadkowych, jak np. kwarc. Ze względu na kształt tych powierzchni wyróżnia się następujące typy przełamów: równy (powierzchnie zbliżone do płaskich), nierówny: muszlowy (przypominający kształtem powierzchnię muszli), haczykowaty, zadziorowaty i inne.
Wyróżnia się jeszcze inne cechy minerałów. Należą do nich: kruchość, sprężystość (np. muskowit), giętkość (np. gips), kowalność (np. srebro rodzime), smak (np. halit), magnetyzm (np. magnetyt)

Skała to zbiór minerałów różnorodnych bądź jednorodnych, powstała wskutek określonego procesu geologicznego, np. krystalizacji stygnącej magmy.

Skały osadowe
Procesy, które towarzyszą ich powstawaniu to:
- wietrzenie (rozkruszanie),
- sedymentacja szczątków organizmów żywych,
- diageneza (proces, któremu, pod wpływem normalnego ciśnienia i temperatury, ulega skała tuż po jej utworzeniu, np. napojeniu krzemionką, przekrystalizowaniu spoiwa, wytrącaniu się związków chemicznych z roztworu wodnego).
Skały osadowe składają się z okruchów mineralnych i skalnych, pochodzących z niszczenia skał już istniejących, minerałów nowo powstałych, ze szkieletów mineralnych organizmów i ich szczątków oraz produktów rozkładu dawnych organizmów, także z produktów erupcji wulkanicznej i w bardzo niewielkiej ilości z materiału pochodzącego z przestrzeni kosmicznej.
Skały osadowe, zależnie od składu mineralnego i genezy dzielą się na:
- skały okruchowe (klastyczne), zbudowane głównie z okruchów mineralnych i skalnych dawnych skał (klastów); mogą być luźne (np. żwiry, piaski, lessy) lub zwięzłe - scementowane np. spoiwem ilastym, krzemionkowym, węglanowym, żelazistym (np. zlepieńce, piaskowce);
- skały pochodzenia chemicznego, powstałe przez wytrącenie się i osadzenie rozpuszczonych w wodzie substancji mineralnych; np. dolomity, skały gipsowe i solne;
- skały pochodzenia organicznego, składające się głównie ze szczątków organizmów zwierzęcych lub roślinnych albo powstałe przez wytrącenie się substancji mineralnych; szczątki organizmów mogą być scementowane węglanami, krzemionką lub spoiwem żelazistym; są to np.: wapienie (rafowe, numulitowe), kreda, diatomity, radiolaryty, fosforyty, węgle, ropa naftowa.

Charakterystyka i występowanie niektórych skał osadowych:
Brekcja, to skała składająca się ze scementowanych, ostrokrawędzistych okruchów minerałów i skał.
Brekcja osadowa powstaje wskutek nagromadzenia się ostrokrawędzistych fragmentów skalnych na miejscu wietrzenia skały pierwotnej lub w niewielkiej od niego odległości.
Rodzaje brekcji:
- brekcja kostna, składająca się z kości i zębów ssaków (w Polsce występuje w Wężach k. Działoszyna);
- brekcja wulkaniczna tworzy się w wyniku nagromadzenia ostrokrawędzistych bloków skał powstałych w czasie wybuchu wulkanu, spojonych popiołem wulkanicznym;
- brekcja tektoniczna powstaje w wyniku kruszenia skał w czasie ruchów tektonicznych i spojenia tych fragmentów roztartym materiałem.
Piaskowiec to zwięzła osadowa skała okruchowa powstała wskutek scementowania ziaren piasku.
Piaskowce występują:
- w Karpatach (np. piaskowce ciężkowickie, godulskie, krośnieńskie),
- w Górach Świętokrzyskich (piaskowce szydłowieckie, wąchockie i in.),
- na Dolnym Śląsku (okolice Bolesławca, Lwówka Śląskiego, Złotoryi, Kłodzka).
Stosowane są jako materiał budowlany, drogowy, rzeźbiarski, do wyrobu kamieni młyńskich, materiałów ogniotrwałych i kwasoodpornych, tarcz szlifierskich, osełek.
Otoczak, geologicznie odłamek skały wygładzony i zaokrąglony podczas transportu, np. przez płynącą wodę; otoczaki wchodzą w skład żwirów i zlepieńców.
Żwir, luźna, osadowa skała okruchowa składająca się z obtoczonych okruchów skalnych (otoczaków) o średnicy powyżej 2 mm (najczęściej od kilku do kilkunastu cm); może być pochodzenia morskiego, rzecznego, jeziornego.
Jest stosowany w budownictwie (m.in. do wyrobu betonu), także jako materiał drogowy.
Piasek, osadowa luźna skała okruchowa, najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie są piaski kwarcowe, w których głównym składnikiem jest kwarc (zawartość jego może dochodzić prawie do 100%); barwa piasku, zależna głównie od zawartości tlenków i wodorotlenków żelaza, glaukonitu i skaleni, może być biała, żółtawa, brunatna, zielonawa lub czarna.
Piaski są głównie osadami rzecznymi i pustyniowymi oraz przybrzeżnymi i płytkowodnymi osadami morskimi.
Mają powszechne zastosowanie w budownictwie (głównie do wyrobu zapraw bud., betonu, cegieł sylikatowych), w przemyśle szklarskim (czyste odmiany piasków kwarcowych, tzw. piaski szklarskie) i ceramicznym, w hutnictwie (piaski formierskie - do wyrobu form odlewniczych), górnictwie (jako materiał na podsadzkę) i in.
Less, drobnoziarnista (pyłowa), luźna skała osadowa, żółty, szarożółty lub rdzawożółty, niewarstwowany i nieplastyczny, dość zwarty, lecz łatwo rozcieralny na pył.
Powstaje w wyniku nawiewania pyłów przez wiatr (akumulacja eoliczna).
Zajmuje olbrzymie obszary w Azji, zwłaszcza w Chinach, gdzie pokłady jego osiągają grubość do 600 m, w Mongolii, w Turkiestanie, w Ameryce Północnej i Południowej oraz w Europie: na Węgrzech, w Rumunii i w Polsce (na Wyż. Lubelskiej, Małopolskiej i na Przedgórzu Sudeckim).
Stosowany jest do wyrobu klinkieru i innych materiałów budowlanych.
Ił, skała osadowa. W Polsce iły występują między Chodzieżą, Inowrocławiem, Toruniem i Grudziądzem, w obrzeżeniu G. Świętokrzyskich, w Wielkopolsce i w niecce mazowieckiej.
Iły są podstawowymi surowcami w przemyśle ceramicznym lub używane w budownictwie, przemyśle papierniczym.
Glina, skała osadowa składająca się głównie z iłu z domieszką mułu, piasku, niekiedy żwiru; zwykle żółta, ceglasta lub brunatna; zwilżona wodą często staje się plastyczna; glina rezydualna (zwietrzelinowa) jest produktem wietrzenia różnych skał; glina zwałowa (morenowa) jest produktem erozji i akumulacji lodowcowej.
Zwykle zawiera duże ilości żwiru i głazów.
Glina jest podstawowym surowcem w przemyśle ceramicznym (kaolin), w produkcji cegły, dachówki, materiałów ogniotrwałych, używana jest też w budownictwie i garncarstwie.
Muł, szlam, drobnoziarnisty, niescementowany osad współczesnych zbiorników wodnych, głównie mórz i oceanów.
Węgiel kamienny, jeden z węgli kopalnych (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt).
Największe złoża występują w: Rosji (np. zagłębia: Leńskie, Tunguskie, Kuźnieckie, Peczorskie), na Ukrainie (Zagłębie Donieckie), w USA (stany: Wirginia, Pensylwania, Ohio, Kentucky), w Kanadzie (w prowincji Alberta), w Niemczech (zagłębia: Ruhry i Saary), w Chinach (na Nizinie Chińskiej i Mandżurskiej), w RPA (koło Johannesburga), w Wielkiej Brytanii (zagłębia: Yorkshire, Derbyshire, Durham i in.), w Polsce (Górnośląskie Zagłębie Węglowe, Lubelskie Zagłębie Węglowe), w Indiach (zagłębie Damodar), w Australii (Nowa Południowa Walia, Queensland).
Węgiel kamienny jest ważnym paliwem energetycznym wykorzystywanym w procesach spalania lub surowcem chemicznym poddawanym przeróbce chemicznej dla przemysłu chemicznego.
Radiolaryt, skała organiczna składająca się głównie z krzemionkowych szkieletów radiolarii (promienic); zawiera też substancje bitumiczne, związki żelaza, chloryty, nadające mu zabarwienie ciemnoczerwone, ciemnozielone lub czarne; drobnoziarnisty, zwięzły; jest osadem głębokomorskim., towarzyszącym skałom wulkanicznym.
W Polsce występuje w Tatrach, Karpatach fliszowych, G. Świętokrzyskich i Sudetach.
Rogowiec, skała osadowa pochodzenia chemicznego lub organicznego; szary lub brunatny, zbity, bardzo twardy; występuje w postaci cienkich warstw wśród innych osadów, w Polsce - np. w Karpatach fliszowych.
Margiel, skała osadowa składająca się głównie z węglanów i minerałów ilastych; rozpowszechniony zwłaszcza w osadach mezozoicznych, np. kredowych.
W Polsce występuje m.in. na Wyżynie Lubelskiej.
Jest stosowany do wyrobu cementu, także jako nawóz mineralny.
Opoka, geologiczna skała osadowa składająca się głównie z węglanu wapienia i krzemionki; biała lub kremowa, twarda; używana jako materiał budowlany; występuje głównie w utworach wieku kredowego, w Polsce rozpowszechniona w Lubelskiem; jest stosowana m.in. jako środek absorpcyjny i filtracyjny, materiał izolacyjny, ścierny, jako nośnik katalizatorów; w Polsce występuje w Piotrowicach k. Zawichostu.
Sól kamienna, pochodzenia chemicznego składająca się z minerału halitu (zwana również solą kamienną). Halit to chlorek sodu (NaCl) powstający wskutek odparowywania (ewaporacji) mórz (lagun, zatok) i słonych jezior;
Złoża soli kamiennej występują nad Morzem Kaspijskim, w USA nad Zatoką Meksykańską, w Rosji, w Niemczech, w Chinach, we Francji; w Polsce (m.in. Inowrocław, Wapno, Kłodawa),

Skały magmowe
Skały powstałe przez zastygnięcie magmy w wyniku jej krystalizacji. Do minerałów budujących skały mamowe należą przede wszystkim: skalenie, kwarc, łyszczyki, amfibole, pirokseny, oliwiny i skaleniowce.
Ze względu na warunki zastygania, dzieli się je na:
- skały głębinowe, zastygłe w głębi Ziemi, jawnokrystaliczne: granit (kwarc, skaleń, mika), granodioryt, sjenit, dioryt, gabro.
Skały głębinowe zastygały bardzo powoli i dlatego miały dużo czasu na wykrystalizowanie poszczególnych minerałów.
- skały wylewne, zastygłe na powierzchni Ziemi są skrytokrystaliczne, gdyż w niskiej temperaturze krzepnięcie odbywa się bardzo szybko i nie ma dostatecznie dużo czasu na wykrystalizowanie minerałów: bazalt, dacyt, riolit, andezyt o budowie porfirowej, czyli z prakryształami.
Ich krystalizacja została zapoczątkowana na większej głębokości, a następnie zostały wyrzucone na powierzchnię np. podczas wybuchu wulkanu.

Skały przeobrażone
Skały powstałe w wyniku przemian (zmiany budowy, składu mineralnego, chemicznego) skał magmowych lub osadowych np. pod wpływem: wysokiej temperatury i ciśnienia oraz różnych czynników chemicznych.
Efektem tych przemian jest:
- grafit – z węgla kamiennego;
- marmur – z wapienia;
- gnejs – z granitu czy sjenitu;
- łupki – ze skał ilastych.
Przeobrażeniom skał towarzyszy nieraz powstanie złóż mineralnych.
Złoża mogą występować np. w postaci
- pokładów, tak jak węgiel kamienny,
- wysadów (tzw. diapirów), tak jak sól kamienna,
- złóż żyłowych i gniazd
- konkrecji będących wynikiem narastania minerałów wokół jakiegoś obiektu.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Wymień kilka przykładów minerałów skałotwórczych.
2. Dokonaj podziału minerałów ze względu na skład chemiczny i podaj po jednym konkretnym przykładzie minerału należącego do danej grupy.
3. Wskaż, wg których cech fizycznych oprócz twardości różnicuje się jeszcze minerały.
4. Podaj przykłady luźnych i zwięzłych skał.
5. Jakie rodzaje skał wyróżnia się w grupie skał osadowych?
6. Które procesy decydują o powstaniu skał przeobrażonych i z których skał powstawały poszczególne rodzaje skał przeobrażonych?
Na lepszą ocenę:
1. Wskaż na mapie obszary występowania niektórych skał osadowych.
2. Wymień nazwy poszczególnych minerałów od najbardziej miękkich do najtwardszych, zgodnie ze skalą Mohsa.
3. Zapisz wzór chemiczny przynajmniej trzech minerałów ze skali Mohsa.
4. Określ, w jakich warunkach mogą występować złoża na Ziemi?

Zapis lekcji:
1. Podział minerałów i ich cechy.
2. Minerały skałotwórcze i skały.
3. Rodzaje skał.
4. Przykłady złóż mineralnych.