Skały, minerały - charakterystyka, podział, proces powstawania

Jednym z odwiecznych i ważnych geograficznie i przyrodniczo obiektów, z których zbudowana jest nasza planeta są skały i minerały. Gdy dokładniej przyjrzymy się budowie skał, to dostrzeżemy, że przeważnie nie są one jednorodne, lecz składają się z "cząstek", które można wydzielić sposobami fizycznymi, np. przez mechaniczne rozkruszanie. Takie składniki skorupy ziemskiej nazywamy minerałami. Te skupiska jednorodnych lub różnorodnych minerałów, powstałe w przyrodzie w wyniku procesu naturalnego składają się na skomplikowaną budowę skał.

Podstawowym składnikiem skał są więc minerały i pierwiastki lub związki chemiczne, powstałe w sposób naturalny w procesie geologicznym, różniące się między sobą cechami wewnętrznymi: barwą, połyskiem, twardością a przede wszystkim kształtem, który jest wyrazem przestrzennego układu atomów budujących minerały. Większość minerałów ma właściwą sobie postać kryształu.

Podział minerałów

Minerały dzielą się na podstawie ich składu chemicznego na 9 klas. Są to:

1. pierwiastki: (np. złoto, srebro, rtęć, siarka i krystaliczny węgiel czyli diament);
2. związki siarki (np. piryt, galena);
3. tlenki i wodorotlenki (np. kwarc, limonit);
4. gliniany,
5. węglany,
6. krzemiany (np. kalcyt i grupa skaleni);
7. saletrowce,
8. gipsowce,
9. solowce,
10. węglowce.

W zależności od historii powstania możemy, ogólnie biorąc, wyróżnić minerały pierwotne lub wtórne.

Minerały pierwotne
Pierwotnymi nazywamy te minerały, które powstały wskutek zastygnięcia gorącego stopu magmowego oraz takie, które wykrystalizowały się z roztworów gazów lub par.

Minerały wtórne
Minerały już istniejące, wskutek przemian fizyczno-chemicznych jakie w nich zachodzą, mogą wytwarzać inne, które nazywamy wtórnymi.

W budowie skorupy ziemskiej bierze udział kilkanaście tysięcy minerałów, tworzących kilka tysięcy odmian. Większość z nich występuje jednak w skąpych ilościach, często w małych ziarnach lub w stanie tak silnego rozproszenia, że nie można ich dostrzec gołym okiem. Spośród znanych kilkunastu tysięcy minerałów, tylko niewiele ponad dwieście najczęściej buduje skały, jako tzw. minerały skałotwórcze. Najpospolitszymi minerałami skałotwórczymi są kwarc, skalenie i miki. W skorupie ziemskiej występują też ciała niebędące minerałami, np. szkliwo wulkaniczne czy wosk ziemny. Nazywa się je mineraloidami.

Znaczna większość minerałów ma budowę krystaliczną, do wyjątków należą minerały zwane ciałami bezpostaciowymi o bezładnej budowie wewnętrznej (np. bursztyn, asfalt, wosk ziemny). Skład chemiczny i cechy budowy krystalicznej decydują o właściwościach fizycznych danego minerału:

• barwie,
• połysku,
• przezroczystości,
• twardości,
• łupliwości,
• gęstości
• a w rezultacie o jego odporności na niszczenie mechaniczne i chemiczne.

Za najtwardszy minerał uważa się diament, najmniejszą twardość ma talk.

Proces powstawania minerałów

Minerały powstają w procesach krystalizacji ze stopów krzemianowych - magmy (np. kwarc, skalenie) i roztworów nasyconych (np. kalcyt) w wyniku procesu wietrzenia chemicznego (minerały iłowe) oraz w procesach metamorfozy (przeobrażenia). Szczególną grupę minerałów i skał wykorzystywanych praktycznie stanowią kamienie szlachetne i ozdobne. Ich wartość wynika z walorów estetycznych. Z gospodarczego punktu widzenia istotne są minerały stanowiące surowiec do produkcji różnorodnych wyrobów, zwane minerałami złożonymi.

Skupiska jednorodnych lub różnorodnych minerałów, powstałe w przyrodzie w wyniku procesów naturalnych tworzą skały. Przez skałę rozumie się zarówno utwory twarde i zbite jak i luźne (piaski) oraz plastyczne (gliny, iły).

Proces powstawania skał

Proces ukształtowania skał rozpoczął się w momencie zastygania materii globu przy powierzchni. Wskutek krystalizacji powstały pierwsze skały krystaliczne. Z czasem włączyły się inne procesy - rozpad i przeobrażenia. Zaczęła się długa historia przemian skał, wynikająca z nieustannego "obiegu" materiału mineralnego. Równolegle z procesami dokonującymi się przy powierzchni, wewnątrz Ziemi trwał i stale trwa proces ponownego przechodzenia skał w formę płynną. Cechą tego obiegu jest częsta i wielokierunkowa zmiana właściwości materii wnętrza oraz skał przy powierzchni Ziemi. Zmiany te są wynikiem:

• krystalizacji,
• rozpadu,
• twardnienia,
• przeobrażenia i przechodzenia w fazę ciekłą.

Podział skał

W przeciwieństwie do klasyfikacji minerałów, która opiera się na składzie chemicznym, za podstawę klasyfikacji skał przyjmuje się ich genezę. Ze względu na pochodzenie wyróżnia się trzy główne typy skał:

1. magmowe,
2. osadowe,
3. przeobrażeniowe (metamorficzne).

Jednakże w tym ogólnym i prostym systemie klasyfikacyjnym napotyka się czasami wątpliwości dotyczące przeprowadzania granicy między wymienionymi typami.

Skały magmowe

Skały, które powstały w wyniku zastygnięcia płynnej magmy nazywamy skałami magmowymi. Ze względu na miejsce krystalizacji wyróżnia się skały magmowe głębinowe (krystalizują się na dużych głębokościach - nawet kilkunastokilometrowych, w warunkach wysokiego ciśnienia i powoli obniżającej się temperatury) i skały magmowe wylewne (wulkaniczne), które powstają w wyniku szybko postępującej krystalizacji lawy. Skały magmowe są skałami pierwotnymi, uformowanymi w wyniku krystalizacji magmy głęboko pod powierzchnią planety, bądź też na samej jej powierzchni. Skały te zbudowane są z minerałów, a procentowy udział poszczególnych minerałów w skale decyduje o jej charakterze.

Płynna magma z głębokiego wnętrza planety przedostaje się w pobliże powierzchni. Cześć magmy wydostaje się na zewnątrz, tworząc magmowe skały wylewne, część zaś pozostaje nieraz bardzo głęboko pod powierzchnią, tworząc magmowe skały głębinowe. Wielkość ziaren minerałów zależy w dużym stopniu od prędkości stygnięcia stopu magmowego, a ta z kolei od głębokości. Widoczna jest zależność, że im bliżej powierzchni, tym magma stygnie prędzej i tym samym mniejsze minerały zdążą się z niej wykrystalizować. Gdy magma szybko stygnie, może częściowo lub całkowicie utworzyć szkliwo. Skała utworzona wyłącznie ze szkliwa nosi nazwę obsydianu. Szklista natura dąży jednak do struktury krystalicznej. Z biegiem czasu powstają w szkliwie naprężenia związane z przebudową struktury. Naprężenia te prowadzą do wytworzenia siatki gęstych spękań a także większych pęknięć i szczelin. Skały wylewne nazywane też lawami wulkanicznymi są również efektem prędkiego stygnięcia stopu magmowego. W zasadniczej swej masie skała wylewna składa się ze szkliwa, w którym tkwią różnej wielkości kryształy minerałów. Pełnokrystaliczna struktura jest domeną magmowych skał głębinowych, długo stygnących głęboko pod powierzchnią planety. Z powodu stygnącego stopu magmowego zaczynają się krystalizować przede wszystkim te minerały, które mają największą energię krystalizacji a dopiero później pozostałe atomy pierwiastków wiążą się ze sobą tworząc w wolnych miejscach minerały o mniejszej energii krystalizacji. Ma to ścisły związek z faktem, że magma składa się ze składników krzepnących w różnych temperaturach. Kryształy minerałów, które krystalizowały się wcześniej, są dobrze wykształcone i są otoczone przez minerały powstałe później. Zarysy minerałów krystalizujących się przy końcu są ksenomorficzne, co znaczy, że nie zachowują swojej charakterystycznej formy, lecz kształtem dostosowują się do istniejących wolnych jeszcze przestrzeni. Zazwyczaj w pierwszej kolejności krystalizują się minerały akcesoryczne, czyli podrzędne, stanowiące o charakterze skały (cyrkon, apetyt, magnetyt, tytanit), a później dopiero minerały główne (olwin, pirokseny, amfibole oraz biotyt). Z kolei następuje krystalizacja plagioklazów i skaleni alkalicznych. Ostatni krystalizuje się kwarc

Skały magmowe głębinowe krystalizują się na dużych głębokościach. Z magmy kwaśnej, tj. zawierającej dużo krzemianki (powyżej 60 %), powstają skały kwaśne z dużym udziałem kwarcu nadającego skale jasną barwę. Poza kwarcem występują również skalenie i miki. W magmie uboższej w krzemionkę, obojętnej i zasadowej, wzrasta udział skaleni i minerałów ciemnych ze związkami żelaza, jak np. biotyt, pirokseny i amfibole. Stąd skały obojętne i zasadowe są najczęściej ciemne i trudno w nich rozpoznać minerały. Najpospolitszą skałą magmową jest granit, który należy do skał głębinowych kwaśnych. Obojętną skałą głębinową jest gabro o barwie prawie czarnej.

Skały magmowe wylewne powstają w wyniku krystalizacji lawy, w sposób bardzo szybki, dlatego w skład skał wylewnych wchodzą minerały tak drobne, że większości z nich nie można rozpoznać gołym okiem. Wśród skał magmowych wylewnych najpospolitszy jest bazalt. Należy on do skał obojętnych, ma barwę prawie czarną, a minerały są tak drobne, że trudno je wyróżnić i rozpoznać. Do obojętnych skał wylewnych należą również andezyty i melafiry. Wylewnymi skałami kwaśnymi są: porfiry kwarcowe, zawierające widoczne gołym okiem prakryształy kwarcu. Barwa porfirów jest najczęściej czerwona.

Skały magmowe ze względu na dużą odporność na niszczenie mechaniczne mają zastosowanie w budownictwie i budowie dróg, a ze względu na wykształcenie minerałów o różnych barwach - jako materiał dekoracyjny.

Skały osadowe

Skały osadowe powstały w niskiej temperaturze na powierzchni Ziemi, na lądzie lub w wodach, w wyniku nagromadzenia materiału pochodzącego z rozkruszenia skał poprzednio istniejących lub częściowo z rozpuszczenia ich składników i ponownego wytrącenia, a także ze szczątków organizmów zwierzęcych i roślinnych. Wypiętrzone góry i skały poddawane są działaniom wiatru, deszczu, temperatury, powietrza i Słońca. Pod ich wpływem stopniowo się rozkruszają. Wiatr przenosi te rozkruszone drobiny skalne i osadza je w innych miejscach - stąd nazwa: osadowe okruchowe (żwiry, piaski, piaskowce, muły). W oceanach i morzach osadzają się nie tylko rozkruszone drobiny skał, ale także szczątki zwierząt i roślin, tworząc skały osadowe pochodzenia organicznego (węgiel, wapń). Z kolei wtedy, gdy osady wytrącają się z wody morskiej (np. sól), powstają skały osadowe pochodzenia chemicznego.

Skały osadowe są najbardziej rozpowszechnionym typem budującym powierzchnię planet. Stare krystaliczne podłoża, czy też młode skały wylewne, szybko zostają pokryte bardzo grubą warstwą osadów a ich powierzchnie pozostają pokryte jedynie w miejscach, w których jest możliwe akumulowanie osadów, np. na urwistych zboczach lub w miejscach, z których materiał osadowy jest bezustannie wynoszony przez jakiś czynnik (np. wiatr lub woda). Udział grupy skał magmowych i osadowych w budowie powierzchni Ziemi wygląda następująco: do głębokości 16 km przeważają skały osadowe (75%) nad magmowymi, natomiast poniżej tej głębokości udział skał osadowych spada do 5%.

Skały osadowe są produktami powstałymi na skutek nagromadzenia się na powierzchni planety lub w jej pobliżu, minerałów oddzielonych od starszych skał, ich fragmentów, materiałów piroklastycznych (popioły wulkaniczne), materiałów powstałych w strefie hipergenicznej lub ze szczątków organicznych. Skały te w przeciwieństwie do skał magmowych nie powstają w wyniku krystalizacji stopów magmowych, lecz w wyniku przeobrażenia już istniejących na powierzchni skał. Na wytworzenie się skał osadowych składają się cztery zasadnicze procesy: wietrzenie, erozja, sedymentacja i diageneza. Procesy te nie są jednak obowiązujące dla wszystkich skał osadowych, niektóre z nich mogą któryś z tych procesów ominąć.

W wyniku wietrzenia poszczególne składniki budujące niegdyś skałę litą zostają od niej oddzielone. Oddziaływanie to natomiast może nastąpić w wyniku procesu mechanicznego, chemicznego czy nawet w wyniku czynności życiowych organizmów żywych. Erozja z kolei jest procesem polegającym na usunięciu produktów wietrzenia, a tym samym na umożliwieniu wietrzenia coraz to głębszych warstw skały litej. Bez udziału tego procesu wietrzenie byłoby utrudnione, a w niektórych przypadkach nie zachodziłoby wcale. Oderwane od litej skały, często zmienione chemiczne w procesie wietrzenia, usunięte w procesie erozji składniki skalne są osadzone na innym do tego dogodnym miejscu w procesie sedymentacji. Następnie w wyniku działania ostatniego z procesów diagenezy następuje "sklejenie" luźnych elementów skały pierwotnej i wytworzenie twardej, litej skały osadowej, która jako wtórna, może być poddana procesowi wietrzenia, erozji itd., komplikując w dalszym ciągu obraz punktu finalnego.

Skały okruchowe są najpotężniejszym przedstawicielem skał osadowych. Powstałe wskutek rozkruszenia starych skał podłoża, skały okruchowe, szczególnie luźne - zalegają całą planetę (lub planety) warstwą kilku-, a nawet miejscami kilkudziesięciocentymetrowej miąższości. Luźne skały okruchowe, zalegające na powierzchniach planet, poddawane są różnorodnym procesom charakterystycznymi dla warunków panujących na poszczególnych planetach.

• https://szpachelka.pl/granit.html

Na Ziemi materiał ten poddany jest obróbce poprzez:

• zmiany temperatury,
• chemizm otoczenia,
• wiatry,
• rzeki,
• morza,
• lodowce i inne.

Niezwykle istotną jest grupa skał ilastych. Skały te zbudowane są ze znanych nam minerałów, zwanych minerałami ilastymi. Minerały ilaste powstały w wyniku chemicznej transformacji struktur innych minerałów i szkliwa wulkanicznego, zachodzącej w wyniku zaistnienia specyficznych warunków fizyko-chemicznych środowiska. Minerały ilaste, posiadające niezwykle rozwiniętą powierzchnię, dochodzącą do tysiąca metrów kwadratowych na gram, są bardzo popularne na Ziemi.

Do najpopularniejszych skał osadowych w poszczególnych grupach należą:

• skały okruchowe (gruz, żwir, piasek, muł);
• skały organiczne (organogeniczne), to: wapienie, skały krzemionkowe, węgle;
• skały pochodzenia chemicznego (wapienie, dolomity, gipsy, anhydryty, sól kamienna, sól potasowa).

Wiele skał osadowych stanowi cenny surowiec budowlany, np. piaskowce, piaski, żwiry, wapienie, gipsy. Przemysł ceramiczny wykorzystuje iły i muły, przemysł cementowy wapienie i margle. Surowcami energetycznymi są np. ropa naftowa, węgiel brunatny i kamienny, a surowcami przemysłu chemicznego np. siarka, węgiel.

Skały metamorficzne

Skały metamorficzne (przeobrażeniowe). Są to skały pochodzenia magmowego lub osadowego, które uległy przemianie pod wpływem działania wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia oraz różnych procesów chemicznych.

Skały te powstały poprzez przetworzenie innych skał magmowych i osadowych w wyniku oddziaływania na nie takich czynników, jak wysoka temperatura i ciśnienie. W większości przypadków do metamorfizmu dochodzi wówczas, gdy skały powierzchni znajdują się z różnych przyczyn głęboko pod powierzchnią planety.

Do najbardziej znanych skał metamorficznych należą marmury powstające z przeobrażenia wapieni, kwarcyty powstałe w wyniku metamorfozy piaskowców, grejsy powstające głównie z granitów, a także innych skał magmowych i osadowych, łupki - ze skał ilastych.

• https://szpachelka.pl/marmur.html

Źródła:

• Domachowski R., Makowska D., Geografia - vademecum maturzysty. Wyd. 2 popr. Warszawa 1993.
• Flis J., Wstęp do geografii fizycznej. Warszawa 1988.
• Hutchinson - Współczesna encyklopedia świata. Słownik naukowo - techniczny. Warszawa 1997.
• Radlicz-Ruhlowa H., Wiśniewska-Żelichowska M., Podstawy geologii. Warszawa 1977.
• Stankowski W., Geografia fizyczna z geologią. Podręcznik dla szkoły średniej. Wyd. 6. zm. Warszawa 1993.
• https://szpachelka.pl/