Úvod do mineralogie pro TM

7. přednáška - Mineralogie pro TM I

Úvod do mineralogie pro TM [email protected] Ústav skla a keramiky VŠCHT Praha

+42- 0- 22044- 4151


Osnova přednášky  Postup při studiu materiálů pomocí mikroskopie  Mineralogie - obecná a speciální  Základní pojmy mineralogie

 Systematická mineralogie  Příklady


Postup při studiu materiálů v polarizačním mikroskopu - určují se jednotlivé nerostné fáze, mikrostruktura a textura - často se vychází ze známého chemického a surovinového složení nebo známých procesů vzniku - odhady podle fázových diagramů Postup:

1) malé zvětšení v PPL - počet fází, mikrostruktura, textura (zrnitost, homogenita, orientace, póry) 2) střední či velké zvětšení v PPL - reliéf krystalů, tvar průřezů, vývin a stavba, uzavřeniny, štěpnost, barva, pleochroismus - nástřel určování nerostů a krystalografických soustav - více řezů - reprezentativní vzorky 3) pozorování v XPL - anizotropie, zhášení (+ úhel), počet optických os. (+ úhel), optický charakter, ráz délky a výše dvojlomu - vše je tabelováno


Postup při studiu materiálů v polarizačním mikroskopu 4) měření indexů lomu - výběr se zpravidla zužuje na několik kandidátů - následuje relativní srovnání indexů lomu, pokud nepomůže pak absolutní vzhledem k imerzní kapalině.

5) kritické zhodnocení, dodatečná měření, vztahy a procesy - konfrontace s chemickým rozborem, práškovou difrakcí - vysvětlení vztahu mezi mineralogickým složením, mikrostrukturou a texturou a procesem vzniku materiálu


Vymezení technické mineralogie Co je mineralogie? - zkoumá strukturu, fyzikální a chemické vlastnosti nerostů, jejich vznik a přeměny v přírodě, součást geologie - klasifikace OBECNÁ × SPECIÁLNÍ - OBECNÁ - krystalografie, fyz. a chem. mineralogie - SPECIÁLNÍ - systematická, genetická, ..., technická Co je technická mineralogie?

- zkoumá suroviny (technicky zajímavé horniny a nerosty) - technolity - syntetické materiály (keramika, sklo, pojiva, aj.) - a vady materiálů (vměstky, aj. nehomogenity) Role TM v předmětu TM! - demonstrace použití polarizační mikroskopie a analýzy obrazu


Krystalografické soustavy - elementární buňka, translační symetrie, krystalová mřížka mřížkové vektory, hrany, úhly a osový kříž

krychlová (kubická)

šesterečná

čtverečná

klencová

kosočtverečná

(romboedrická) (rombická)

jednoklonná

trojklonná


Krystalografické soustavy

Příklady: diamant, halit, granát, pyrit, zlato

Příklady: apatit, grafit, kalcit



Příklady: chalkopyrit, rutil

𝜶 = 𝜷 = 𝜸 ≠ 𝟗𝟎°

Příklady: kalcit, korund, křemen



Příklady: aragonit, olivín, síra

Příklady: biotit, muskovit, ortoklas, sádrovec



Příklady: albit, plagioklasy, kaolinit, chalkantit


Krystalografické směry a Müllerovy indexy Krystalografické směry se popisují symbolem [𝑢𝑣𝑤], kde 𝑢, 𝑣, 𝑤 jsou celá čísla odpovídající složkám vektoru mířícího z počátku do mřížového bodu: 𝑡 = 𝑢𝐚 + 𝑣𝐛 + 𝑤𝐜 - např. [100] kladný směr osy x, [0-10] kladný směr osy y, [111] kladný směr tělesové úhlopříčky - < 𝑢𝑣𝑤 > symetricky ekvivalentní směry, např. <111> označuje v kubické mříži 8 směrů [111], [-111], [1-11], [11-1], [-1-1-1], [1-1-1], [11-1], [-1-11]. Müllerovy indexy jsou celá navzájem nesoudělná čísla udávající, na kolik dílů dělí daná osnova rovin krystalografické osy a, b, c. Dělí-li např. nějaká osnova rovin osu a na 3 díly, osu b na 2 díly a s osou c je rovnoběžná, je Millerův symbol této osnovy (320) 11


Krystalografické směry a Müllerovy indexy

12


Základní pojmy mineralogie Minerál - od lat. "minera" důl - prvek nebo chemická sloučenina, která je za normálních podmínek krystalická a která vznikla jako výsledek geologických procesů - minerálem není látka vznikající jen "uměle" /wiki/ - minerály běžné v přírodě, které nevznikají při obvyklých průmyslových procesech: K-živce, granáty, amfiboly, slídy, jílové min., sulfidy - minerály běžné v některých materiálech a vzácné v přírodě: mullit, baddeleyit, portlandit, eskolait - krystalické látky vznikající jen v umělých materiálech: alit, kalciumalumináty, β-Al2O3


Základní pojmy mineralogie - jednoznačné určení: složení a krystalová struktura (prostorová grupa s.) - je známo 4500 minerálů, asi 60 se podílí na stavbě hornin - izomorfní řady (slídy, amfiboly: desítky koncových členů) - jednoduché substituce: FeII-MgII (-MnII) olivín (Fe, Mg)2SiO4 - forsterit Mg2SiO4 a fayalit Fe2SiO4 - podvojné substituce: Na-Ca; valenční kompenzace plagioklasy: řada albit NaAlSi3O8 – anortit CaAl2Si2O8


Základní pojmy mineralogie Modifikace - krystalické fáze - stejné chem. složení, ale různá kr. struktura - mohou se lišit i v rámci jednoho minerálu - označuje se často řeckými písmeny - α, β... (většinou od nízkoteplotních)

- nízkoteplotní modifikace : nižší souměrnost, vyšší hustota Polymorfie (polymorfizmus) - chemická sloučenina tvoří krystaly ve dvou nebo více prostorových grupách - různé minerály. - často zůstávají zachovány metastabilní polymorfy, zvláště po zchladnutí (např. diamant, sillimanit, cristobalit) Pseudomorfóza - minerál vyskytující se v podobě krystalu jiného minerálu. Příčinou jsou 1. přeměny polymorfních minerálů, jako např. pseudomorfózy kalcitu po méně stálém aragonitu; tento případ se nazývá paramorfóza (polymorfie); 2. náhrady jednoho minerálu druhým, např. pyritu limonitem, živce kaolinitem; 3. rozpuštění krystalů, např. halitu, uvnitř sedimentu a vyplnění dutin sedimentárním materiálem.


Význam a kritéria členění horninotvorných minerálů Význam horninotvorných minerálů - klasifikace hornin a jejich systematika - geneze hornin - praktické využití hornin Geneze minerálů - magmatogenní m. - krystalizací magmatické taveniny - sedimentogenní m. - zvětrávání povrchu litosféry a sedimentace ve vodě či na souši - metamorfogenní m. - metamorfózou z magmat., sediment. a metamorf. Parageneze - asociace minerálů vyskytujících se pospolu; k rozlišení paragenezí se někdy užívají typické minerály Časová posloupnost vzniku - primární - přímo (viz geneze) - sekundární - z primárních vlivem změny fyzikálně-chemických podmínek


Význam a kritéria členění horninotvorných minerálů Orientace v horninách - bez přednostní orientace - např. kalcit, křemen - orientované podle tvaru - např. slídy, chlority, amfiboly Vliv tlaku, vztah mezi krystalizací a deformací

Barva a vryp - tmavé (mafické) - např. olivín, biotit; světlé (felsické) - např. křemen Hustota Tvrdost a mikrotvrdost - stupnice podle Mohse (1-10), Vickersova mikrotvrdost (Pa) Štěpnost - viz mikroskopie v PPL Optické vlastnosti - viz mikroskopie v PPL Lesk - diamantový, skelný, perleťový, mastný, matný, kovový, aj.


Význam a kritéria členění horninotvorných minerálů Kvantitativní zastoupení - hlavní (podstatné) - pro klasifikaci horniny > 10 obj.% - vedlejší (podružné) - význam pro nomenklaturu a genezi horniny 1-10 obj.%

- akcesorické (přidatné) - poznání geneze, < 1 obj.% Tvar minerálních zrn (habitus) - viz mikroskopie v PPL Omezení - viz mikroskopie v PPL Relativní a absolutní velikost zrn Technické vlastnosti - např. leštitelnost


Mineralogické třídy 1. prvky (+ slitiny, karbidy, nitridy...) 2. sulfidy (+ arsenidy, selenidy apod.) 3. halogenidy 4. oxidy, hydroxidy 5. uhličitany (karbonáty) (+ boráty, nitráty) 6. sírany (sulfáty) (+ wolframany apod.)

7. fosfáty 8. silikáty (křemičitany) 9. organolity


Prvky (+ slitiny, karbidy, nitridy...) 1. grafit (C)


Sulfidy (+ arsenidy, selenidy apod.) 1. pyrit (FeS2)


Halogenidy 1. fluorit (CaF2)


Oxidy, hydroxidy 1. korund (Al2O3) 2. periklas (MgO) 3. rutil (TiO2) 4. spinel (MgAl2O4) 5. brucit (Mg(OH)2)

Korund Al2O3 Trig., n = 1.76 – 1.77, n = – 0.009

korund

sklo

nejvyšší IB: žlutá 1. řádu (kvůli vysoké tvrdosti jsou zrna korundu často tlustší než okolí)

W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Rutil TiO2 Tetr., n = 2.6 – 2.9, n = + 0.287

přeměněný plagioklas

rutil: štěpnost s úhlem cca 60°, tmavě zlatohnědá absorpční barva; extrémně vysoký lom ani dvojlom nelze odhadnout kvůli silné absorpční barvě W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Spinel MgAl2O4 Kub., n = 1.72 – 2.16

spinel


olivín

Brucit Mg(OH)2 Trig., n = 1.56 – 1.60, n = + 0.016

brucit (pseudomorfóza po periklasu MgO)

serpentin (anomální modré IB)


dolomit (vysoký dvojlom, bílé IB vyššího řádu)


Uhličitany (karbonáty) (+ boráty, nitráty) 1. dolomit (CaMgCO3) 2. kalcit (CaCO3)

Dolomit (Ca,Mg)CO3 Trig., n = 1.50–1.68, n = – 0.179

odlišení kalcitu od dolomitu zbarvením (na základě skutečnosti, že kalcit je rozpustný jíž ve zředěné HCl, na rozdíl od dolomitu) W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Kalcit CaCO3 Trig., n = 1.49–1.66, n = – 0.172

kalcit: bílé IB vyšších řádu, štěpnost



Sírany (sulfáty) (+ wolframany apod.) 1. sádrovec (CaSO4·2H2O)


Fosfáty 1. Apatit Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)

Apatit Ca5(PO4)3(OH,F,Cl) Hex., n = 1.65, n = – 0.001 až – 0.007

ilmenit + titanit

nefelín

apatit (jehličky a malé hexagonální krystaly)



Podtřídy silikátů 1. nesosilikáty 2. sorosilikáty 3. cyklosilikáty 4. inosilikáty 5. fylosilikáty 6. tektosilikáty


Významné skupiny silikátových minerálů 1. skupina olivínu - (Mg,Fe)2SiO4 - iz. řada forsterit-fayalit - nesosilikáty 2. granáty - R2+3R3+2(SiO4)3 - nesosilikáty 3. skupina Al2SiO5 - nesosilikáty 4. pyroxeny - M2M1T2O6 - inosilikáty 5. amfiboly - inosilikáty - dvojitý řetěz 6. slídy - | Ts Os Ts | Ts Os Ts | ... - fylosilikáty

7. skupina chloritů - fylosilikáty 8. jílové minerály - fylosilikáty 9. foidy (zástupci živců) - tektosilikáty 10. živce - K, Na, Ca živce - tektosilikáty 11. zeolity -tektosilikáty


Nesosilikáty Skupina olivínu 1. izomorf. řada forsterit-fayalit - (Mg2SiO4-Fe2SiO4) Granáty - R2+3R3+2(SiO4)3 2. pyrop (Mg3Al2(SiO4)3), almandin (Fe3Al2(SiO4)3), grosular (Ca3Al2(SiO4)3) Skupina Al2SiO5 3. sillimanit (Al2SiO5)

4. andalusit (Al2SiO5) 5. kyanit (Al2SiO5) 6. mullit (Al6Si2O13) -3Al2O3·2SiO2 Skupina zirkonu 7. zirkon (ZrSiO4)

Olivín Mg2SiO4 – Fe2SiO4 Ortoromb., n = 1.65 až 1.85, n = + 0.033 až (–) 0.052

řez  opt. ose

Fe-ruda jemnozrnná matrix: plagioklas, pyroxen, Fe-ruda

olivín


IB: modrá II. řádu IB: fialová cca. 570 nm

Olivín Mg2SiO4 – Fe2SiO4 Ortoromb., n = 1.65 až 1.85, n = + 0.033 až (–) 0.052

Fe-ruda olivín

plagioklas


Granát

např. pyrop Mg3Al2(SiO4)3 až almandin Fe3Al2(SiO4)3

Kub., n = 1.77, n = 0

granát (hypidiomorfní rombododekaedry)


Sillimanit Al2SiO5 Ortoromb., n = 1.67, n = + 0.021

cordierit (n = 1.55, n =  0.013, dvojčata)

sillimanit (lištovitý, štěpný, nízké IB max. počátku II. řádu)


Sillimanit Al2SiO5 Ortoromb., n = 1.67, n = + 0.021

cordierit (n = 1.55, n =  0.013)

sillimanit (lištovitý, štěpný, nízké IB max. počátku II. řádu)


Andalusit Al2SiO5 Ortoromb., n = 1.64, n = (–) 0.009

andalusit: štěpnost, nízké IB, grafitické inkluze tvoří kříž (“chiastolit“)


Andalusit Al2SiO5 Ortoromb., n = 1.64, n = (–) 0.009

muskovit

díra ve výbrusu andalusit: štěpnost, nízké IB W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Disthen / kyanit Al2SiO5 Trikl., n = 1.72, n = (–) 0.014

biotit

křemen (výbrus moc tlustý !)


disthen

Mullit Al6Si2O13 (“A3S2“) Ortoromb., n = 1.65, n = + 0.012

sklo

mullit (menší krystalky než sillimanit)


dvojčatné lamely plagioklasu

Zirkon ZrSiO4 Tetr., n = 1.97, n = + 0.055

Fe-ruda

zirkon (vysoký relief a chagrin,vysoké IB)

Matrix: jemnozrnný živec

W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology n Prague (Czech Republic)


Cyklosilikáty Skupina turmalínu 1. skoryl (NaFe3Al6(BO3)3Si6O18(OH,F)4 Skupina berylu 2. cordierit (Mg,Fe)2Al3(AlSi5O18)

Turmalín (borocyclosilikát) Trig., n = 1.66, n = – 0.030

silné IB 2. řádu muskovit křemen a živec W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

pleochroismus + zonálnost

Cordierit (Mg,Fe)Al3(AlSi5O18) Ortoromb., n = 1.55, n = (–) 0.013

cordierit

sericit (“pinitizace“)

plagioklas


cordierit ! (polysyntetická dvojčata)

Cordierit (Mg,Fe)Al3(AlSi5O18) Ortoromb., n = 1.55, n = (–) 0.013

bubliny

pleochroitický dvůrek

cordierit s lamelárním dvojčatěním


sillimanit (IB 2. řádu)


Inosilikáty Skupina pyroxenů 1. enstatit (MgSiO3), ferosilit (FeSiO3) 2. wollastonit (CaSiO3) 3. diopsid (CaMgSi2O6) 4. augit ((Ca,Na)(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Ti)(Si,Al)2O6) 5. spodumen (LiAlSi2O6)

Skupina amfibolů 6. amfibol Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH,F)2 7. hornblend

Ortopyroxen (Mg,Fe)SiO3 Ortoromb., n = 1.71, n = 0.007 až (–) 0.020

ortopyroxen (barva, silný relief, slabý pleochroismus, nízké IB) matrix: křemen, sodno-draselný živec, plagioklas


biotit

Wollastonit CaSiO3 Trikl., n = 1.63, n = (–) 0.014

nefelín egirin

wollastonit (IB až oranž 1. řádu)


jednoduché zdvojčatění

Augit Ca(Mg,Fe)Si2O6 Mon., n = 1.70, n = 0.025

olivín

matrix: analcim (pseudomofóza po leucitu)

augit (zonálnost, IB až modrá 2 řádu)


živec

Augit (Na,Ca)(Mg,Fe)Si2O6 Mon., n = 1.75, n = (–) 0.040

dokonalá štěpnost + zonálnost, pleochroismus (typický pro augity obsahující Na, tj. egirin)


Amfibol Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH,F)2 Mon., n = 1.66, n = (–) 0.022

tremolit – ferroaktinolit (pleochroismus, jednoduché zdvojčatění, protáhlý tvar)


Hornblend Mon., n = 1.66, n = (–) 0.020

magnetit (vzniklý oxidací železa)

matrix: plagioklas sodno-draselný živec

hornblend (silný pleochroismus, štěpnost s úhlem 124 °, IB nízké až střední – překryty absorpční barvou)



Fylosilikáty Skupina kaolinitu 1. kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) 2. serpentin (Mg3Si2O5(OH)4) 3. illit, montmorillonit Skupina mastku 3. mastek (Mg3Si4O10(OH)2) 4. pyrofylit (Al2Si4O10(OH)2) Skupina slíd 5. muskovit (KAl2AlSi3O10(OH,F)2) 6. biotit (K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2)


Fylosilikáty

Serpentin Mg3Si2O5(OH)4 Mon., n = 1.55, n = (–) 0.008 až + 0.012

antigorit (lupenitý) / lizardit (lupenitý) / chryzotil (vláknitý) (nažloutlý-nazelenalý, nízký lom a dvojlom, vzniký z olivínů / pyroxenů)


Mastek / talek Mg3Si4O10(OH)2 Mon., n = 1.59, n = (–) 0.050

velmi podobný muskovitu a pyrofylitu, pouze obvykle menší krystaly (nízký lom, vysoký dvojlom, silné IB 2. až 3. řádu)


Pyrofylit Al2Si4O10(OH)2 Mon., n = 1.59, n = (–) 0.050

velmi podobný muskovitu, pouze obvykle menší krystaly (“flekatý“ vzhled, nízký lom, vysoký dvojlom, silné IB 2. až 3. řádu)


Muskovit KAl2AlSi3O10(OH,F)2 Mon., n = 1.59, n = (–) 0.041

křemen


muskovit (“flekatý“ vzhled)

Biotit K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2 Mon., n = 1.65, n = (–) 0.060

biotit (silný pleochroismus, “flekatý“ vzhled)


Biotit K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2 Mon., n = 1.65, n = (–) 0.060

biotit (silný pleochroismus, zonálnost absorpčních i interferenčních barev kvůli rozdílům v obsahu Fe, IB 2. řádu)



Tektosilikáty Skupina SiO2 1. křemen, cristobalit, tridymit (SiO2) Skupina živců 1. ortoklas, mikroklin (KAlSi3O8) 2. sanidin ((K,Na)AlSi3O8) 3. plagioklasy - albit (NaAlSi3O8) - anortit (CaAl2Si2O8)

Skupina foidů 6. leucit (KAlSi2O6) 7. nefelín ((Na,K)AlSiO4) Skupina zeolitů 6. -

Křemen SiO2 Trig., n = 1.54 – 1.55, n = + 0.009

velké, částečně resorbované (korodované) krystaly (bílé IB) v ryolitu; oproti živcům má “čerstvý“ vzhled a nemá štěpnost, oproti cordieritu je jednoosý, nemívá pleochroitické dvůrky a pinitizaci W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Křemen SiO2 Trig., n = 1.54 – 1.55, n = + 0.009

biotit + sillimanit

cordierit

agregát krystalů křemene s undulózním zhášením


Cristobalit SiO2 Tetr., n = 1.48–1.49, n = – 0.003

cristobalit: tašková struktura (vedle ilmenitu, pyroxenu, plagioklasu) W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Tridymit SiO2 Ortoromb.-pseudohex., n = 1.47–1.48, n = + 0.003

dvojčata resp. trojčata


Mikroklin KAlSi3O8 Trikl., n = 1.52, n = (–) 0.007

perthitické odmíšení: lamely albitu mají o něco větší index lomu (1.53-1.54)

mřížkování mikroklinu: polysyntetické dvojčatění podle albitového a periklinového zákona


Sanidin KAlSi3O8 Mon., n = 1.53, n = (–) 0.007

jednoduché zdvojčatění podle karlovarského zákona (nejčastější zákon u monoklinických živců)


Plagioklas NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8 Trikl., n = 1.53 – 1.59, n = 0.007 až (–) 0.013

polysyntetické dvojčatění podle albitového zákona (nejčastější zákon u plagioklasů); z úhlu zhášení 26 ° lze usoudit na složení Ab50An50 Pozn.: všechny tři fotky jsou snímky se zkříženými nikoly ! W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Plagioklas NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8 Trikl., n = 1.53 – 1.59, n = 0.007 až (–) 0.013

typický znak plagioklasů: (oscilační) zonálnost


Leucit KAlSi2O6 Tetr. – pseudokub., n = 1.51, n = + 0.001

nosean egirinaugit

fenokrystaly leucitu v jemnozrnné matrici


Nefelín NaAlSiO4 Hex., n = 1.54, n = – 0.004

egirinaugit

nefelín

cancrinit (v nefelínitických syenitech často srostlý s nefelínem) W. PABST · Department of Glass and Ceramics Institute of Chemical Technology in Prague (Czech Republic)

Nefelín NaAlSiO4 Hex., n = 1.54, n = – 0.004

matrix: egirinaugit (vyšší index lomu)

titanit (sfén) CaTiSiO4(OH,F)


fenokrystaly nefelínu v jemnozrnné matrici

Úvod do mineralogie pro TM

Recommend Documents