Dodaj do listy

Skały i minerały

Skorupa ziemska stanowi przedmiot zainteresowania przedstawicieli wielu dyscyplin naukowych, ponieważ stanowi ona najbardziej zewnętrzną warstwę Ziemi. Zbudowana ona z minerałów oraz skał. Minerał, według definicji Jana Flisa ("Słownik szkolny. Terminy geograficzne"), to naturalny składnik skorupy ziemskiej, który jest jednorodny pod względem chemicznym jak i fizycznym. Do powstania minerału dochodzi w sposób naturalny, co oznacza, że nie przyczynia się do tego człowiek. Minerały mogą mieć charakter pierwiastków lub związków chemicznych. Do grupy tych pierwszych zalicza się: złoto, srebro rodzime, grafit, diament. Minerałami mającymi postać związków chemicznych są między innymi: kwarc, halit, kalcyt.

Istnieje wiele klasyfikacji minerałów. Każda z nich zwraca uwagę na określoną cechę poszczególnych minerałów. Biorąc pod uwagę budowę wewnętrzną wyróżnia się kryształy oraz minerały bezpostaciowe. Kryształy charakteryzują się uporządkowaną budową wewnętrzną, która wynika z faktu, że poszczególne atomy układają się w regularne sieci. Ten rodzaj Rodzaj jednostka systematyczna - jedna z kategorii w systemie klasyfikacji roślin i zwierząt, wyższa od gatunku, a niższa od rodziny, np. rodzaj szczur obejmuje gatunki: szczur śniady, szczur wędrowny; rodzaj... Czytaj dalej Słownik biologiczny minerałów występuje najbardziej powszechnie. Bywają jednak i takie minerały, których budowa wewnętrzna jest chaotyczna, przypadkowa, nie posiadająca żadnego uporządkowania. Nazywa się je wówczas minerałami bezpostaciowymi, a jako ich przykład podać można bursztyn oraz ozokeryt.

Oprócz budowy wewnętrznej inną bardzo ważną cechą minerałów jest ich gęstość. Uznaje się, iż zdecydowana większość minerałów wchodzących w skład skał (minerały skałotwórcze) ma gęstość 2-4g/cm3. Istnieje jednak szereg minerałów, których gęstość nie mieści się w tym przedziale. Posiadanie informacji na temat gęstości poszczególnych minerałów pozwala odróżnić te, które wizualnie są podobne do siebie (np. złoto i piryt).

Inną cechą minerałów jest ich barwa. Kierując się tym kryterium dzieli się je na: barwne, bezbarwne oraz zabarwione. Minerały barwne od zabarwionych można odróżnić poprzez ich zarysowanie. Barwne posiadają rysę o takiej samej barwie jak cały minerał, zabarwione natomiast odznaczają się rysą białą.

Przy rozróżnianiu poszczególnych minerałów bardzo przydatna jest kolejna ich cecha- twardość. Pod tym pojęciem rozumie się opór, jaki stawia ostrzu dany minerał. Do rozpoznawania poszczególnych skał w warunkach terenowych ułożona została skala twardości (skala Mohsa), która opiera się właśnie na fakcie zróżnicowania twardości minerałów. Jest to skala dziesięciostopniowa, którą tworzą minerały wzorcowe. Każdy następny odznacza się większą twardością aniżeli poprzedni. Wzorcowymi minerałami tej skali są: 1- talk, 2- gips, 3- kalcyt, 4- fluoryt, 5- apatyt, 6- ortoklaz, 7- kwarc, 8- topaz, 9- korund, 10- diament. Istota tej skali jest fakt, że minerał nr 1 zostaje zarysowany każdym innym minerałem, gdyż jest najbardziej miękki. Minerał nr 2 może zostać zarysowany minerałami od 3 do 10, minerał nr 4 od 5 do 10 itd. Ostatni w skali minerał, diament, jest tak twardy, że żaden z minerałów nie jest w stanie go zarysować. Skala Mohsa jest bardzo praktyczna, gdyż wiedząc, że paznokieć ludzki ma twardość 2,5 można próbować zarysowywać nim minerały i w ten sposób sprawdzać ich twardość. do tego samego celu wykorzystuje się również ostrze scyzoryka o twardości 6- 6,5.

Oprócz minerałów skorupę ziemską budują także, a może przede wszystkim skały, które definiuje się jako zespół jednorodnych lub różnorodnych minerałów powstałych w sposób naturalny, tj. bez ingerencji człowieka. Nie wszystkie minerały występujące na kuli ziemskiej wchodzą w skład skał. Te zaś, które budują skały, czyli skałotwórcze to przede wszystkim: kwarc, skalenie Skalenie duża grupa najbardziej rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej minerałów skałotwórczych, glinokrzemianów potasu, wapnia, sodu i baru. Charakteryzują się bardzo dobrą łupliwością i twardością... Czytaj dalej Słownik geograficzny oraz kwarcyt.

Podobnie jak w przypadku minerałów, tak i w przypadku skał istnieje wiele kryteriów ich podziału. Najbardziej powszechna jest klasyfikacja według ich genezy. Składa się ona z trzech zasadniczych grup: skał magmowych, osadowych oraz metamorficznych.

Skały magmowe powstały na sutek krystalizacji magmy, czyli stopu krzemianowego występującego wewnątrz Ziemi. Istnieją dwa podziały skał magmowych:

a. odczyn skał wynikający z zawartości krzemionki: skały kwaśne, obojętne, zasadowe

b. miejsce stygnięcia magmy: głębinowe, wylewne, porfirowe

    • skały głębinowe mają budowę jawnokrystaliczną, ponieważ proces krzepnięcia zachodził wolno, kryształu wykształciły się dobrze, są widoczne (diotyt, gabro, granit, sjenit)
    • skały wylewne o budowie skrytokrystalicznej; krzepnięcie magmy następowało już na powierzchni Ziemi, bardzo szybko, tak że kryształy nie zdążyły w pełni się wykształcić (andezyt, bazalt, pumeks)
    • skały porfirowe- część magmy zastyga nad, a część pod powierzchnią Ziemi (porfir)

Skały osadowe powstają wskutek nagromadzenia materiału, który kiedyś budował inne skały, a które to skały zniszczone zostały w wyniku procesów erozyjnych oraz wietrzenia. Skały osadowe dzieli się na:

a. okruchowe- ma postać luźnej zwietrzeliny bądź zwięzłej skały (piaskowce, zlepieńce, mułowce itp.)

b. pochodzenia chemicznego (anhydryt, siarka, sól kamienna)

c. pochodzenia organicznego (ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel)

Skały metamorficzne są wynikiem procesów metamorficznych. Skały magmowe lub osadowe poddawane są działaniu bardzo wysokiego ciśnienia bądź temperatury. Na skutek tego oddziaływania zmienia się skład chemiczny oraz mineralny skał. Istnieje kilka typów metamorfizmu (np. kontaktowy, w którym czynnikiem przekształcającym jest wysoka temperatura).

Skały budujące obecnie skorupę ziemską powstawały niejednokrotnie w odległej przeszłości geologicznej. By móc dokładnie określić wiek poszczególnych skal stosuje się szereg metod datowania względnego jak i bezwzględnego.

Ustalenie wieku względnego poszczególnych zdarzeń pozwala na ułożenie tych wydarzeń w porządku chronologicznym; od najwcześniejszych do najbardziej współczesnych. Datowanie względne umożliwiło sporządzenie tablicy stratygraficznej. Do metod datowania względnego zaliczają się następujące metody:

  1. metoda stratygraficzna

Podstawą tej metody są pewne ściśle określone zasady, które odnoszą się do dziejów Ziemi oraz ich badania. Dokonując jakichkolwiek badań geologicznych, porównań należy bezwzględnie te zasady stosować.

    • Pierwsza z zasad głosi, że analizując sekwencje skał należy pamiętać, że z reguły pokłady młodsze znajdują się wyżej aniżeli starsze; skały młodsze spoczywają na starszych, a im głębiej tym skały są starsze
    • Druga zakłada, że powstawanie skał osadowych zawsze następowało w sposób poziomy. Pyły, szczątki organiczne po prosty opadały na dno zbiornika wodnego, by z czasem, pod wpływem określonych warunków zamienić się w skałę. W późniejszym okresie dojść mogło do przerwania ciągłości tych skał, do zaburzenia równoległego układu. Jeśli zatem uda się zaobserwować przerwanie ciągłości skał, to należy wiedzieć, że zawsze czynnik przerywający tą ciągłość nastąpił później aniżeli deponowanie osadów. Przyjmuje się zatem, ze czynnik zaburzający jest młodszy aniżeli skały, w których zadziałał.
    • Trzecia zasada mówi o tym, że formowanie się skał osadowych zachodziło na bardzo dużych powierzchniach; jeśli dziś formacje skalne mają niewielkie rozmiary, oznacza to, że po powstaniu tych skał wystąpił czynnik, który przerwał ich ciągłość i podzielił je na mniejsze fragmenty. Zaburzenie ciągłości jest zaś młodsze niż sama warstwa skalna.
    • Czwarta, ostatnia już zasada stwierdza ogólnie, że w każdym przypadku czynniki zaburzające są młodsze od samych procesów skałotwórczych. Najpierw powstała skała, a dopiero później mogło dojść do zaburzenia jej układu.
  1. metoda biostratygrafii

Opiera się na analizie skamieniałości przewodnich. Pod pojęciem skamieniałości przewodnich rozumie się pewne gatunki bądź rodzaje organizmów kopalnych, które są bardzo charakterystyczne dla określonego okresu z dziejów Ziemi. Gatunek Gatunek zespół organizmów o podobnej budowie, wspólnym pochodzeniu, mogących się swobodnie krzyżować, dając płodne potomstwo. W procesie specjacji powstają nowe gatunki. Gatunek jest podstawową jednostką... Czytaj dalej Słownik biologiczny by mógł zostać uznany za skamieniałość przewodnią musi spełnić przynajmniej jeden z poniższych warunków:

    • występował powszechnie a jego szczątki zapisały się licznie w skałach, w związku z czym nie ma problemów z jego odnalezieniem
    • wygląd szczątków jest na tyle charakterystyczny, że bez trudu można go rozpoznać
    • jego występowanie nie było ograniczone jedynie do wąskiego obszaru, musi znajdować się w skałach powstałych w różnych częściach kuli ziemskiej
    • nie zapisał się jedynie w jednym typie skał osadowych, ale w wielu, przez co jego odnalezienie jest dużo łatwiejsze
    • jego czas występowania na Ziemi był na tyle krótki, że odnalezienie jego szczątków w skałach od razu przywodzi na myśl określony okres w dziejach Ziemi

Skamieniałości przewodnie najliczniej reprezentowane są przez mięczaki oraz bezkręgowce posiadające skorupy. Najczęściej spotykanymi skamieniałościami są amonity.

Powstanie skamieniałości nie jest procesem tak prostym jak mogłoby się wydawać. Obumarłe szczątki są najczęściej pożywieniem dla zwierząt padlinożernych. Żeby zatem mogło dojść do zachowania szczątków na bardzo długi czas, muszą one zostać szybko zakopane w osadzie, przez co staną się niewidoczne dla potencjalnych konsumentów. Kolejne warstwy nadkładu przykrywające szczątki odcinają dostęp powietrza, przez co procesy rozkładu zostają zahamowane. Szczątki zostają zatem zakonserwowane, a podwyższone ciśnienie sprawia, że ulegają one przekształceniu w skamielinę, do czego przyczynia się również przenikająca z wyższych warstw woda. Z wody wytracają się rozpuszczone w niej związki mineralne i stopniowo wypełniają ubytki np. w obrębie muszli.

  1. metoda palinologiczna

Metoda ta opiera się na przeprowadzaniu badań pyłków roślinnych, które zapisały się w skałach. Pyłki te pozwalają wnioskować o występującej szacie roślinnej. Ta z kolei umożliwia określanie warunków klimatycznych, w tym termicznych i wilgotnościowych. Badania obecności pyłków w skałach są bardzo żmudne i wymagają wiele cierpliwości oraz odpowiednich przyrządów.

  1. metoda magnetostratygrafii

Nazywana jest także metodą paleomagnetyczną. Jej zastosowanie jest możliwe z racji tego, że Ziemia posiada własne pole magnetyczne. Granice magnetosfery nie są jednakowo oddalone od powierzchni Ziemi, lecz zależą od wzajemnego położenia Ziemi i Słońca. Od strony, z której oddziałuje wiatr słoneczny granica ta jest znacznie bliżej Ziemi, natomiast po przeciwległej stronie zaznacza się jej silne wydłużenie. Nie udało się do końca ustalić co jest przyczyną istnienia tej strefy; najczęściej akceptowana teoria zakłada, że jest ona skutkiem przemieszczania się płynnego żelaza oraz niklu w jądrze zewnętrznym. Takie wyjaśnienie tłumaczyłoby także zjawisko zmiany położenia biegunów magnetycznych Ziemi. Co roku ich położenie zmienia się o około 10m. Czasem jednak miały miejsce gwałtowne przemieszczenia, których skutkiem było przemagnesowanie, czyli zamiana bieguna północnego na południowy i na odwrót.

Zjawiska te posłużyły do badania przeszłości skał metodą magnetostratygrafii. Polega ona na analizie zapisu pola magnetycznego w tych skałach, które zawierają żelazo. Skały te w momencie zastygania zawarły w sobie informację o aktualnym polu magnetycznym w danym miejscu. Najczęściej metodę magnetostratygrafii stosuje się dla skał magmowych.

Omówione powyżej metody datowania bezwzględnego nie są jedynymi; obok nich istnieje cała grupa sposobów, dzięki którym możliwe jest poznanie dokładnego wieku skał oraz ich historii. Faktem jest, że należą one do metod znacznie bardziej skomplikowanych, których zastosowanie wymaga niejednokrotnie znacznych nakładów finansowych i odpowiedniej aparatury.

Poniżej przedstawione są główne metody datowania bezwzględnego:

a) metoda radiometryczna

Jedna z najbardziej podstawowych metod określania wieku skał. Wykorzystuje ona zjawisko promieniotwórczego rozpadu niektórych pierwiastków. Aby móc dalej charakteryzować tą metodę należy odnieść się do pojęcia izotopu. Izotopy są odmianami tego samego pierwiastka, które jednak różnią się między sobą ilością neutronów w jądrze. Izotopy dzielą się na stabilne oraz niestabilne. Stabilne nie ulegają rozpadowi, natomiast niestabilne czyli promieniotwórcze rozpadają się w sposób spontaniczny, tym samym przekształcając się na atomy innych pierwiastków. Atom ulegający rozpadowi określany jest mianem izotopu macierzystego, natomiast nowy, powstały z macierzystego jest nazywany izotopem wtórnym.

Poszczególne izotopy promieniotwórcze mają ściśle określone tempo rozpadu. Właśnie dzięki temu, że tempo to jest stałe możliwe staje się datowanie metodą radiometryczną. Czas, w jakim izotop macierzysty zmniejszy się o połowę nazywany jest okresem połowicznego rozpadu. W tym samym czasie przybędzie odpowiednia ilość izotopu wtórnego. Do datowania metodą radiometryczną najbardziej przydatne są następujące izotopy: rubid- 87, tor- 232, uran- 238, potas- 40, uran-235, węgiel- 14. Wszystkie one różnią się między sobą bardzo pod względem tempa rozpadu, w związku z czym inne izotopy stosowane są do datowania skał młodych, a inne do tych, które powstały w odległej przeszłości geologicznej. Do datowania skał młodych stosuje się najczęściej metodę radiowęglową, gdyż okres połowicznego rozpadu węgla (C 14) trwa jedynie 5730 lat. Z kolei do określania wieku bardzo starych skał użyteczna jest metoda rubidowo-strontowa (okres połowicznego rozpadu rubidu 87 na stront 87 wynosi aż 47mld lat).

b) metoda termoluminescencji

Stosując metodę termoluminescencji bazuje się na właściwości świecenia pewnych minerałów. Świecenie to nie następuje w warunkach normalnych, ale po znacznym podniesieniu temperatury (do około 500oC). Jest ono wynikiem wcześniejszego nagromadzenia przez minerały energii, która emitowana była przez Słońce (promieniowanie jonizujące Słońca). Określając ilość energii wydostającej się z minerału po podgrzaniu można ocenić jak długo poddawany był on promieniowaniu słonecznemu

c) metoda dendrochronologiczna

Metoda ta w odróżnieniu od wcześniejszych sposobów datowania bezwzględnego jest dosyć prosta i znacznie mniej kosztowna. Jej zastosowanie przynosi najlepsze efekty w odniesieniu do obszarów klimatu umiarkowanego

Jest metodą dosyć prostą; bazuje ona na analizie rocznych przyrostów słojów drzew, a jej przydatność jest duża zwłaszcza w klimacie umiarkowanym, w którym przyrosty wiosenne oraz letnie różnią się między sobą. W okresie wiosennym komórki budujące słoje są duże, jaśniejsze i posiadają cienkie ściany. W lecie natomiast, w warunkach niedostatku wody, słoje zbudowane są z komórek znacznie ciemniejszych, o grubszych ścianach i ogólnie mniejszych. Warstwa wiosenna i letnia składa się na roczny przyrost drzewa. Roczne przyrosty dla poszczególnych lat także różnią się między sobą, co wynika z niejednakowych warunków klimatycznych (zwłaszcza termicznych i opadowych). Zestawiając ze sobą przyrosty drzew z wielu lat otrzymano tzw. skalę dendrochronologiczną. Na tej podstawie można określać wiek szczątków drzew, zachowanych w jakiś sposób do dnia dzisiejszego. Opisana metoda najczęściej wykorzystywana jest w badaniach archeologicznych.

d) metoda warwochronologii

Jest bardzo zbliżona w swej istocie do metody dendrochronologicznej, tyle że zamiast słojów drzew wykorzystuje osady jeziorne, lodowcowe itp. Warstwę podłoża, na którą składają się dwie części: ciemniejsza i jaśniejsza określa się mianem warwy. Jaśniejsza część pochodzi z okresu letniego i budują ją głównie piaski oraz muły. Ciemniejsza natomiast utworzona została w zimie z materiału ilastego. Posługując się skalą warwochronologiczną, która jest analogiczna do dendrochronologicznej, możliwe jest określenie wieku bezwzględnego osadów.