Ásványrendszertan PDF

2024. 12. 04. Bevezetés az ásványtanba (előadás) B. Kiss Gabriella dr. ELTE TTK FFI Ásványtani Tsz. 1 Ásványok osztályozása  >5700 ásványfaj  Kémiai összetétel alapján (Dana eredeti osztályozási rendszere): terméselemek,...

2024. 12. 04. Bevezetés az ásványtanba (előadás) B. Kiss Gabriella dr. ELTE TTK FFI Ásványtani Tsz. 1 Ásványok osztályozása  >5700 ásványfaj  Kémiai összetétel alapján (Dana eredeti osztályozási rendszere): terméselemek, szulfidok, oxidok szilikátok, szulfátok, foszfátok, karbonátok, halogenidek, szerves ásványok  Szilikátok: a legnagyobb csoport, jellemző kőzetalkotó ásványok, a Földkéreg 90%-át alkotja, >600 ásványfaj www.mineralshows.com 2 1  2024. 12. 04. Terméselemek  > 30 elem, ami előfordul a Földkéregben  Például:  Fémek: vas, ón, cink, arany, ezüst, higany, réz, ozmium, iridium, platina és ólom  Félfémek: arzén, antimon, bizmut, szelén, tellúr  Nem fémek: kén, szén.  Felhasználás:  Nyersanyagok  Termésarany a nyersanyagkutatásban  stb. termésréz (fotó: Rob Lavinsky, iRocks.com) 3 Termésarany a nyersanyagkutatásban  Arany mint indikátorásvány: kpes túlélni a szállítást és a mállást -> jó indikátor. Tartalmazhat szulfid zárványokat -> elkülöníthet küönböző érctelepeket (pl. epitermás, Cu-porfíros)  Torlat Au morfológia segíthet a primer forrás azonosításában (teleptípus, távolság)  Morfológia változik a szállítás miatt: méret, alak, szövet, körvonal  Flatness Index=(a+b)/2c  A változás függ: távolság, sebesség, Frimmel et al. 2005 turbulenciák, a folyóágy alakja és anyaga 4 2  2024. 12. 04. Termésarany a nyersanyagkutatásban  Példa: Altiplano Fennsík(Bolívia)  A K és NY Cordillera-hegység között. K: paleozoós gránit, kapcsolódó Sn-színesfém és mezotermás Au ércesedés. NY: miocén epitermás IS és HS ércesedés.  A közepes és leghosszabb tengelyek aránya (b/a): penge (0.66) alakú szemcsék  Lapított és enyhén hajlított szemcsék karcokkal és lukakkal -> legalább néhány km szállítás  De: nincsen többszörös hajlítás („szendvics szerkezet) vagy ismétlődő hajlítás -> maximum 10- 15 km szállítás 5 Szulfidok  ~ 30 elem alkot szulfidásványokat  Kovalens és ionos kötés A szfalerit gyémántrácsú Martinez, 2010 A galenit kősórácsú geology.com 6 3  2024. 12. 04. Szulfidok  Leggyakoribb szulfidásványok: galenit, pirrhotin, szfalerit, kalkopirit, pirit, fakóérc, molibdenit  Felhasználás:  Ércek: kőzetek, melyekből kohászati eljárással fémek nyerhetők ki  Szulfidok mint indikátorásványok: limitált felhasználás (klimatikus viszonyok, oxidáció miatt…), de hasznos. Cu- porfíros rendszerek: pirit, kalkopirit, molibdenit (MoS2), bornit (Cu5FeS4). Epitermás rendszerek: pirit, kalkopirit, galenit, szfalerit, realgár (As4S4)  Szulfid ásványok összetétele: keletkezési környezet meghatározása  Környezeti ásványtani szempontok Oxidált, felszíni till üledékben túlélő kalkopirit szemcsék egy Cu-porfíros rendszer környezetében (Averill, 2014) 7 Szulfidok  Szfalerit ásványkémia: termométer  Fe tartalom (Kullerud, 1953)  Ga, Ge, In, Mn, Fe tartalom (Frenzel et al., 2016)  Pirit ásványkémia:  Co/Ni arány: hidrotermás vs. Üledékes eredet (Bajwah et al., 1987)  Ni, Co, Te, Se vs. Fe: VMS stockwork vagy MS lencse (Keith et al., 2016, Ore Geology Reviews) Zhao et al. 2018, based on Bajwah et al., 1987 8 4  2024. 12. 04. Oxides  Metallic characteristics are decreasing, while ionic characteristics are strenghtening  Simple and complex oxides as well as hydroxides  Most common oxides: corundum, hematite, quartz, magnetite, chromite, opal, cassiterite  Applications:  Reconstruction of formation conditions  Raw materials, ores  Gemstones 9 Quartz – useful conclusions on formation conditions  Quartz: the formation circumstances sometimes determine the morphology  Tessin or Penninic morphology: slow precipitation, CO2 rich fuid, >500°C  Dauphiné habit: disproportionate development of crystal faces caused by intense fluid flow  Needle quartz: often Dauphiné habit, quick precipitation (rapid T, p changes, tectonically active environment)  Cumberland habit: pseudo- hexagonal (not necessarily >573°C)  Excellent host of fluid inclusions -> information about conditions of formation or epigenetic processes  Use: glass production, electronics, etc. Photos from: quartzpage.de 10 5  2024. 12. 04. Polimorphism – SiO2  Polymorphism: phenomenon where a compound or element can crystallize into more than one crystal structure  Dependent on p, T http://www.es.ucl.ac.uk/ 11 Corundum  Al2O3. Trace metals can be incorporated (Cr – red, ruby; Fe, Ti – blue sapphire)  Hard, resistant -> use as grinding stone, gemstone, skratch resistant optical equipment, fire resistant equipment, ruby laser  Natural corundum mining vs. Photo: Kupi László artificial corundum The Montepuez mine in Mozambique https://www.cartamz.com/ 12 6  2024. 12. 04. Spinel group  56 minerals, AB2X4 general formula.  Three groups based on X anion: O2– (oxyspinel), S2– (thiospinel), and Se2– (selenospinel)  The oxyspinel group (33 species) can be divided into the spinel subgroup 2-3 (A2+B3+2 O4) and the ulvöspinel subgroup 4-2 (A4+B2+2 O4). Magnetite or Ulvöspinel prism (Stevens 1944) 13 Magnetite, chromite  High temperature formation (most commonly magmatic process)  Petrogenetic indicator and indicator mineral of ore deposits  Ore minerals of Fe, Cr and Ti (see e.g. Bushveld, South Africa) Schlieren-type podiform chromite in Dupuis&Beaudoin, 2011) Albania (Kukes Massif) (photo: B. Kiss G.) 14 7  2024. 12. 04. Silicates  Crystal structures containing complex anions ([SiO4]4-)  Basics of classification  Significance:  rock forming minerals (e.g., olivine, garnet, pyroxene, amphibole, micas, feldspars)  Raw material (e.g., clays, spodumene, zinnwaldite, zeolites)  Gemstones (e.g., beryl: emerald, aquamarin) Britannica.com 15 Olivine group  Nesosilicate, the SiO4 tetrahedra are connected with divalent cations in 6- fold coordination  No Al in tetrahedral position  Almost only divalent cations in the octahedral position  Mg-Fe-olivine: continuous series between the two end-members (forsterite-fayalite)  Fayalite-knebelite (FeMnSiO4)-tefroite (Mn2SiO4): continuous mixing Tabular fayalite in slag (size of crystals: ~ 200 µm)  Monticellite (CaMgSiO4), kirchsteinite (photo: B. Kiss G.) (CaFeSiO4), glaucochroite (CaMnSiO4) 16 8  2024. 12. 04. Garnets  Nesosilicate  Two solid-solution series  rock forming minerals: regional and contact metamorphism  Used since the Bronze Age as gemstones and abrasives Source: Mindat.org Grosszulár Andradit 17 Pyroxenes  Common rock-forming minerals in magmatic and metamorphic rocks https://www.alexstrekeisen.it/english/vulc/structu repyroxene.php 18 9  2024. 12. 04. Amphiboles  Common rock-forming minerals  5 main groups, 76 end-member minerals  General formula: A0-1B2C5T8O22(OH,F,Cl)2 where A = Na, K; B = Na, Zn, Li, Ca, Mn, Fe2+, Mg; C = Mg, Fe2+, Mn, Al, Fe3+, Ti, Zn, Cr; and T = Si, Al, Ti. https://www.alexstrekeisen.it/english/vulc/amphiboles.php 19 Micas https://www.britannica.com/science/mica  Phillosilicates  Common rock forming mineral in magmatic, sedimentary and metamorphic rocks 20 10  2024. 12. 04. Tournassat et al., 2015 Clay minerals  Phyllosilicates  Clay-sized particles  Alteration products of igneous and metamorphic rocks in presence of water. Weathering products also.  Rock forming minerals in sedimentary rocks, constituents of soil  Small size and large ratio of surface area to volume -> unique properties: high cation exchange capacities, catalytic properties, and plastic behaviour when moist. 21 Clay minerals  Types of clay minerals  Uses of clay minerals  Raw material  Reconstruction of formation conditions https://www.le-comptoir- geologique.com/clay- glossary.html 22 11  2024. 12. 04. Feldspars  Tectosilicates  Rock forming minerals: Bowen’s reaction series  Applications: https://en.wikipedia.org/wiki/Feldsp ar#/media/File:Feldspar_group.svg  Raw materials  Earth science research 23 Zeolites  Microporous crystalline aluminosilicates, tectosilicate  General formula: Mn+1/n(AlO2)−(SiO2)x･yH2O where Mn+ 1/n is either a metal ion or H. +  Formation: hydrothermal alteration, synthetic  ~40 natural frameworks, >240 synthetic frameworks  Most common natural zeolites: analcime, chabazite, clinoptilolite, heulandite, natrolite, phillipsite, stilbite.  Uses: adsorbent, catalyst, ion exchange, water purification, softening, Al soil treatment, water moderator… Image by: François-Xavier Coudert 24 12  2024. 12. 04. Phosphates Turquoise (rough and polished). Photo by Chris Ralph  Transitional characteristics among silicates and the other complex anion bearing „salts”  Besides [PO4]3-, arsenates [AsO4]3- and vanadates [VO4]3- belong here, with or without water in the formula  Most common phosphates: Apatite Ca5(PO4)3(OH, F, Cl) Monazite (Ce, La, Y,Th)PO4 Xenotime YPO4 Turquoise CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O  Uses: fertiliser, source of REEs, gemstones, petrogenetical implications 25 Sulphates  Complex anion in the structure: S, Cr, W or Mo in tetrahedral coordination with oxygen (covalent bond), this anion form ionic bonds with metals. With or without water content.  Minerals with salt-like characteristics, generally hardness is low  Most common sulphates: gypsum, anhydrite, barite, celestite  Uses: bulding industry, geotechnic usage (barite in drilling mud), rubber and plastic production, glass and ceramics manufacturing 26 13  2024. 12. 04. Carbonates  Complex anions in the structure: [CO3]2-, [BO3]3-, [BO4]5− and [NO3]2-  Most common carbonates: calcite and aragonite series Minerals Cation radii Å Minerals Cation radii Å Hexagonal: Trigonal rhombohedral CaCO3 vateriite 0,99 CaMg(CO3)2 dolomite Ditrigonal scalenohedral: Ca(Mg, Fe0,2) (CO3)2 ankerite Ca1−x(Mgx).CO3 Mg-calcite 0,99 Ca(Mg, Fe) (CO3)2 ferrodolomite Ca1−x(Fex2+).CO3ferrocalcite Ortorhombic: MnCO3 rhodochrosite 0,80 CaCO3 aragonite 0,99 FeCO3 siderite 0,74 SrCO3 stroncianite 1,12 ZnCO3 smithsonite 0,74 PbCO3 cerussite 1,20 MgCO3 magnesite 0,66 BaCO3 witherite 1,34 Monoklinic: BaCa(CO3)2 baritocalcite Unlimited isomorphic series: calcite-rhodochrosite Siderite-magnesite Rhodochrosite-siderite Dolomite-ankerite 27 Carbonates  Isomorphism, polimorphism  Formation: sedimentary, magmatic,metamorphic environments  Use of carbonates, borates:  building stones (limestone)  Paint pigment (Medieval time), locally Cu ore (malachite, azurite)  Boron: Production of optical glass fibres, of china and enamel, as constituent of detergents, drugs and fertilisers, as solvent for metal oxides, flux for metallurgical processes, neutron absorber in nuclear reactors, rocket fuel and as additive in motor fuels, also applied in airbags -> critical raw material Soldati et al., 2016 28 14  2024. 12. 04. Halides  Minerals with halogenes as anions, alkali metals and alkali Earth metals are connected with ionic bond  Minerals with salt characteristics  Most common halogenides: halite, sylvite, and carnallite (KMgCl3·6H2O), fluorite  Formation: evaporites, hydrothermal processes  Use: raw material 29 Organic minerals  Formed through biological processes, or due to the presence of biological material  True minerals? -> organic origin…  Ecamples: hydrocarbons (e.g., carpathite: C24H12), salts of organic acids (e.g., mellite: Al2C6(COO)6·16H2O and whewellite: CaC2O4·H2O) By Rob Lavinsky, iRocks.com 30 15