Földtani ismeretek

1. Földtani ismeretek 2. témakör: Ásványtani és kőzettani alapok Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

2. 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

3. 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.

4. 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

5. Kristálytani fogalmak A kristályrendszerek: • Háromhajlású (triklin) • Egyhajlású (monoklin) • Rombos • Négyzetes (tetragonális) • Háromszöges (trigonális) • Hatszöges (hexagonális) • Szabályos Kristályok Bf_33

6. Ásványfizika • Az ásványok fizikai sajátosságainak ismerete segítséget nyújt felismerésükben és felhasználhatóságukhoz • Fontosabb ásványfizikai paraméterek: sűrűség, szilárdság, fénytani-, hőtani-, mágneses- és elektromos tulajdonságok, radioaktivitás

7. 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

8. 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.

9. A földkéreg főelemei* Tömeg % Atom % Térfogat % *Goldschmidt szerint

10. 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.

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

12. 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.

13. A magmás folyamat szakaszai • Folyós magmás szakasz, előkristályosodás • Főkristályosodás • Utómagmás szakasz, pegmatitos- pneumatolitos fázis • Hidrotermális fázis • Vulkáni utóműködés

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

15. 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)

16. 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 törőmagmás 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)

17. 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

18. 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

19. 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)

20. 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)

21. 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.

22. 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)

23. 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.

24. A legfontosabb kőzetalkotó ásványok

25. 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.

26. A kőzetek körforgása

27. 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

28. 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)

29. A magmás kőzetek szerkezete

30. 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

31. 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)

32. 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

33. Magmás kőzetek keletkezési mélységük alapján

34. A magmás kőzetek rendszerezése: kovasavtartalom és az alkáliák mennyisége alapján

35. A magmás kőzetek rendszerezése: kovasavtartalom és az alkáliák mennyisége alapján

36. 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

37. 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.

38. Üledékeskőzetekszövete • 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.

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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

43. Vegyes típusú átmeneti kőzetek

44. 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.

45. 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

46. A lokális metamorfózis Kontakt metamorf kőzet: szkarn

47. 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)

48. 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.

49. 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)

50. 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