Ćwiczenia laboratoryjne z geologii inżynierskiej (skrypt internetowy)-1.doc

ĆWICZENIA LABORATORYJNE

Z GEOLOGII INŻYNIERSKIEJ

OPRACOWANIE

Zakład Geologii Inżynierskiej i Hydrogeologii

Katedra Geotechniki PS

Szczecin,   czerwiec 2007

1. MAKROSKOPOWE ROZPOZNAWANIE GŁÓWNYCH MINERAŁÓW SKAŁOTWÓRCZYCH.

1.1. Wiadomości wstępne

     Minerałem nazywa się składnik materii nieożywionej utworzony w wyniku działania określonych procesów geologicznych i charakteryzujący się określonymi własnościami fizycznymi i chemicznymi. Zazwyczaj są to określone związki chemiczne (większość z nich jest pochodzenia nieorganicznego), rzadziej mogą występować rodzime pierwiastki (np. C, Au, Ag). Badaniem minerałów zajmuje się mineralogia, jako jedna z dyscyplin nauk geologicznych.

     W środowisku przyrodniczym minerały mogą występować w postaci krystalicznej lub jako formy bezpostaciowe. Rzadkim zjawiskiem jest występowanie minerałów o prawidłowo rozwiniętych formach krystalicznych (takich, gdzie wewnętrzne ułożenie atomów i jonów nadało okazom mineralnym postać brył geometrycznych ograniczonych płaskimi ścianami). W przyrodzie minerały posiadają utrudnioną swobodę krystalizacji, dlatego też większość z nich przedstawia różny stopień zdeformowania zewnętrznego rozkładu cech krystalicznych (naroży i ścian). Na Ziemi poznano już ponad 3000 minerałów. Natomiast znaczenie skałotwórcze posiada zaledwie 30 okazów mineralnych. Dokładne badania minerałów polegają na stosowaniu szeregu specjalistycznych metod badawczych, ustalających fizyczne i chemiczne własności tych skupień.

     Makroskopowe rozpoznawanie minerałów polega na zaobserwowaniu za pomocą własnego wzroku i prostych metod badawczych, szeregu własności fizycznych i chemicznych badanych okazów. Podczas badań makroskopowych ustala się barwę, rysę, pokrój kryształów, łupliwość, przełam, twardość oraz formę skupienia. Dodatkowo można zaobserwować inne cechy badanych okazów takie jak: smak, duży ciężar właściwy, magnetyczność, czy reakcja z HCl.

     H. Strunz (1970) podzielił minerały na dziewięć klas:

* Pierwiastki rodzime,

* Siarczki, selenki, tellurki, arsenki, antymonki i bizmutki,

* Halogenki,

* Tlenki i wodorotlenki,

* Azotany, węglany i borany,

* Siarczany, chromiany, molibdeniany i wolframiany,

* Fosforany, arseniany i wanadany,

* Krzemiany,

* Substancje organiczne.

Klasy te dzieli się na mniejsze jednostki systematyczne (grupy i odmiany).

1.2. Postać minerałów

     Postacią minerałów nazywa się stopień wykrystalizowania materii mineralnej. Wyróżnia się postać jawnokrystaliczną, skrytokrystaliczną i minerał bezpostaciowy. Postać jawnokrystaliczna występuje wówczas, gdy badany minerał jest w pełni krystaliczny (posiada dostrzegalne gołym okiem płaskie ściany i naroża kryształów). Postać skrytokrystaliczna występuje wówczas, gdy cechy krystaliczne badanego okazu są dostrzegalne dopiero przy zastosowaniu lupy lub mikroskopu. Minerał bezpostaciowy w ogóle nie posiada cech krystalicznych.

1.3. Forma skupienia

     W przyrodzie minerały mogą przyjmować następujące formy skupienia (rys.1):

* pojedynczy kryształ – występuje duży osobnik mineralny z wyraźnymi krawędziami, narożami i płaskimi ścianami kryształu, może wystąpić forma bliźniaków krystalicznych (np. „jaskółczy ogon” w gipsie);

* forma ziarnista – występują ściśle do siebie przylegające kryształy mineralne (rys.1a);

* szczotka krystaliczna – ze wspólnej podstawy skalnej wyrastają pionowo poszczególne kryształy (tak jak włosie w szczotce);

* forma zbita – bardzo drobne kryształki tak ściśle ze sobą związane, że aż nie widoczne gołym okiem;

* forma włóknista – występuje szereg drobnych niteczek mineralnych, równolegle do siebie ułożonych i ściśle ze sobą powiązanych;

* forma pręcikowa – występują drobne igiełki mineralne (rys.1b);

* forma blaszkowa – występują cienkie płytki mineralne równolegle do siebie ułożone (rys.1c);

* forma oolitowa – występują drobne kuleczki mineralne ściśle ze sobą powiązane (rys.1d);

* forma naciekowa – występują różnorodne chemiczne naskorupienia (rys.1e);

* dendryty – skupienia przypominające wyglądem gałązki krzewów lub liście paproci typowe dla miedzi i złota (rys.1f);

* konkrecje, buły – występują nieforemne skupienia o silnie rozczłonkowanej powierzchni i budowie koncentrycznej lub radialnej (rys.1g);

* forma ziemista –bardzo drobne ziarenka mineralne tak luźno ze sobą powiązane, że dające się rozcierać w palcach;

* forma porowata i gąbczasta – w masie mineralnej występują wolne przestrzenie porowato-gąbczaste (rys.1h);

* formy stalaktytowe – formy naciekowe (np. węglanu wapnia) w jaskiniach krasowych (rys.1i).

Rys. 1. Formy skupienia minerałów w przyrodzie.

a) forma ziarnista; b) forma pręcikowa; c) forma blaszkowa; d) forma oolitowa; e) forma naciekowa; f) dendryty; g) konkrecje, buły; h) forma porowata i gąbczasta; i) forma stalaktytowa.

1.4. Pokrój kryształów

     W badaniach szczegółowych minerały o postaci jawnokrystylicznej są również oznaczane pod względem ich przynależności do określonego układu krystalograficznego. Bierze się tutaj pod uwagę położenie określonej bryły kryształu w układzie przestrzennych osi współrzędnych. W związku z tym wyróżnia się układ trójskośny, jednoskośny, rombowy, tetragonalny, heksagonalny, trygonalny i regularny (rys.2).

     Dla celów rozpoznania makroskopowego jedynie przyrównuje się wygląd kryształów do określonych brył geometrycznych. W ten sposób można wyróżnić następujące pokroje kryształów:

·         pokrój blaszkowaty – występują cienkie blaszki mineralne o grubości ok. 1 mm;

·         pokrój tabliczkowaty – występują cienkie tabliczki mineralne o grubości do kilku milimetrów;

·         pokrój kostkowy – kryształy mają kształt regularnych sześcianów;

·         pokrój słupkowy – kryształy mają kształt ostrosłupów;

·         pokrój igiełkowaty – kryształy mają kształt mineralnych igiełek.

1.5. Połysk minerałów

     Połysk minerałów to zdolność do obijania promieni świetlnych od ich powierzchni. Własność ta zależy od współczynnika załamania światła, absorpcji światła oraz od rodzaju powierzchni. Wyróżnia się następujące rodzaje połysku:

Rys. 2. Układy krystalograficzne z charakterystycznymi postaciami kryształów.

·         połysk metaliczny – charakterystyczny dla większości minerałów nieprzezroczystych (rudy metali);

·         połysk półmetaliczny – nieco słabszy od metalicznego (minerały półprzezroczyste);

·         połysk szklisty – przypomina połysk szkła;

·         połysk półszklisty – nieco słabszy od szklistego;

·         połysk diamentowy – bardzo silny połysk (minerały przezroczyste i przeświecające);

·         połysk perłowy – połysk, który występuje u minerałów przezroczystych o doskonałej łupliwości;

·         połysk jedwabisty – charakterystyczny dla minerałów, które występują w formie włóknistej;

·         połysk matowy – charakterystyczny dla minerałów, które występują w formach ziemistych;

·         połysk tłusty – jest podobny do połysku natłuszczonego papieru.

1.6. Łupliwość i przełam

     Łupliwością minerałów nazywa się zdolność do łatwego pękania wzdłuż określonych kierunków pod wpływem nacisku lub uderzenia. Jest ona związana ze spójnością minerałów. Wyróżnia się następujące rodzaje łupliwości:

·         łupliwość doskonała – minerał łatwo rozpada się pod wpływem uderzenia na poszczególne równoległe płaty;

·         łupliwość wyraźna – minerał nie rozpada się pod wpływem uderzenia, lecz wykazuje cechy łupliwości (zarysowane pęknięcia);

·         łupliwość niewyraźna – nieduża część badanego okazu wykazuje cechy łupliwości.

     Minerały pozbawione łupliwości posiadają przełam. Świeża nierówna, odłamowa powierzchnia minerałów nosi nazwę przełamu. Wyróżnia się następujące przełamy:

·         przełam muszlowy – powierzchnia odłamowa ma kształt muszli;

·         przełam haczykowaty (zadziorowy) – ostrokrawędzista powierzchnia odłamowa kalecząca dłoń;

·         przełam nieforemny – nierówna powierzchnia odłamowa.

1.7. Barwa minerałów

     Barwa minerałów jest bardzo charakterystyczną cechą lecz nie zawsze wiarygodną (subiektywne postrzeganie barw). Bardzo dużo minerałów występujących w przyrodzie posiada różne odcienie tej samej barwy lub wręcz różne zabarwienia. Przykładowo fluoryt, który posiada trzy podstawowe zabarwienia jako szaro-zielone, szaro-różowe i szaro-fioletowe, może jeszcze być bezbarwny, biały, żółty i niebieski. Minerały występujące w przyrodzie są barwne, zabarwione i bezbarwne.

·         minerały barwne – posiadają taką samą barwę w naturze, jak po sproszkowaniu (po dokonaniu rysy na płytce porcelanowej);

·         minerały zabarwione – posiadają inną barwę w naturze i inną barwę po sproszkowaniu;

·         minerały bezbarwne – całkowicie przepuszczają światło.

Przy opisywaniu barw stosuje się złożone określenia, gdzie pierwszy człon zabarwienia jest dopełniający, drugi zaś jest właściwy (np. brunatno-wiśniowy czy biało-szary).

1.8. Twardość minerałów

     Twardość minerałów związana jest z ich spójnością. Jest zależna od łupliwości (twardość najmniejsza występuje w kierunku równoległym do płaszczyzny łupliwości). Największa twardość występuje w kierunku prostopadłym do płaszczyzny łupliwości. Twardość jest jedną z najważniejszych cech diagnostycznych minerałów. Jest to opór, jaki stawia minerał rysującemu go ostrzu.

     Twardość minerałów oznacza się za pomocą względnej skali twardości Mohsa. Skala ta obejmuje 10 minerałów wzorcowych (rys.3) o białej rysie, ułożonych według wzrastającej twardości i jest ona następująca:

1- talk, 2- gips, 3- kalcyt, 4- fluoryt, 5- apatyt, 6- ortoklaz, 7- kwarc, 8- topaz, 9- korund, 10- diament. W rozpoznawaniu makroskopowym, twardość określonego minerału oznacza się przyporządkowując mu odpowiednią liczbę ze skali Mohsa.

Rys. 3. Bezwzględna i względna twardość minerałów i ilościowy udział minerałów o różnej twardości.

W badaniach terenowych lub laboratoryjnych, gdy nie dysponuje się minerałami wzorcowymi skali Mohsa, to twardość można określić w sposób przybliżony, wiedząc, że minerały o twardości 1 i 2 można zarysować paznokciem, a ich powierzchnia jest w odczuciu miękka i tłusta. Minerały o twardości od 3 do 5 dają się zarysować szkłem, gwoździem lub nożem. Natomiast minerały o twardości większej od 5 same zarysowują szkło. Twardość minerałów należy badać na świeżych i dużych próbkach okazów. Należy pamiętać, że powierzchnie zwietrzałe badanych minerałów mają zwykle mniejszą twardość niż pojedyncze kryształy tego samego minerału.

1.9. Inne własności

     Oprócz wcześniej wymienionych podstawowych własności fizycznych, minerały mogą posiadać jeszcze inne charakterystyczne właściwości. Przykładowo minerały rud metali posiadają zwykle duży ciężar właściwy, niektóre z nich są półmagnetyczne. Inne minerały wykazują sprężystość, strugalność i kowalność. Minerały zawierające węglany wapnia reagują na zimno z kwasem solnym (HCl), bardziej złożone minerały węglanowe reagują z kwasem solnym dopiero po podgrzaniu (np. dolomit). Pewna grupa minerałów rozpuszcza się w wodzie, posiada określony zapach lub smak.

1.10. Opis głównych minerałów skałotwórczych

     Minerały, które będą brane pod uwagę na kolokwium zaliczeniowym z ćwiczeń laboratoryjnych z geologii inżynierskiej są w tym dziale podkreślone, a na fotografiach zaznaczone jako zbiory Zakładu Geologii Inżynierskiej i Hydrogeologii. Oprócz podstawowych obowiązkowych własności fizycznych minerałów, dodatkowo nie obowiązkowo przedstawiono ich występowanie na Ziemi. W pierwszej kolejności opisano minerały wskaźnikowe ze skali Mosha:

1.      Talk 3MgO x 4SiO2 x H2O – Barwa szara lub zielona, rysa biała, połysk jedwabisty (tłusty w dotyku), pokrój blaszkowaty, łupliwość doskonała, twardość 1, forma ziarnista  lub zbita (fot.1). Występuje w dużych złożach w Chinach, a ponadto w Korei Północnej, Kanadzie, Australii, Słowacji, w Niemczech (Zoblitz w Saksonii), Szwajcarii (St.Gotthard) i USA (Appalachy).

2.      Gips CaSO4 x2H2O – Barwa biała lub szaro-beżowa, może być bezbarwny, rysa biała, połysk jedwabisty, perłowy lub szklisty, pokrój tabliczkowy, czasem słupkowy, pręcikowy, łupliwość doskonała, twardość 2, forma włóknista lub zbita (fot.1). Występuje w znanych złożach permo-triasowych w Niemczech, w osadach neogeńskich we Francji, Włoszech, Austrii (okolice Salsburga), w Polsce (dolina Nidy, okolice Krakowa, Sandomierza i Chmielnika, Śląsk Opolski i Dolny Śląsk, wraz z anhydrytem i solą kamienną występuje w USA (stan Nowy York, Kansas, Michigan, Nowy Meksyk, Kolorado).

3.      Kalcyt CaCO3 – Barwa biała, żółto-biała, brązowa, może być bezbarwny, rysa biała, połysk szklisty, pokrój kostkowy, tabliczkowy czasem słupkowy, łupliwość doskonała, twardość 3 (fot.1), forma ziarnista, zbita (reaguje na zimno z HCl).Występuje powszechnie w Niemczech (St. Andreasberg, Freiberg, Schneeberg), w Czechach (Przybram), w Słowacji (Bańska Szczawnica) w Polsce (G. Świętokrzyskie, Karpaty, Tatry, Dolny Śląsk) w Rumuni (Cavnic) w Belgii (Rhisnes) w Wielkiej Brytanii (Derbyshire, Kornwalia, Cumberland) w Meksyku (Guanajuato) oraz w Islandii (Helgustadir).

4.      Fluoryt CaF2 – Barwa fioletowa, seledynowa, różowa, rysa biała, połysk szklisty, pokrój kostkowy, łupliwość doskonała, twardość 4, forma ziarnista lub zbita (fot.1). Występuje w Niemczech (Badenweiler, Freiberg), Czechach (Horni Slavkov, Moldava, Harrachov, Litice), Polsce ...