Treće predavanje. Hemija životne sredine I (T. Anđelković)

Transcript

1 Treće predavanje 1

2 CILJEVI PREDAVANJA Građa litosfere. Sastav Zemljine kore. Hemijski sastav i tipovi magme. Diferencijacija magme. Bovenova serija. Tipovi stena. Ciklus transformacije stena. ISHODI PREDAVANJA Na kraju predavanja student će biti osposobljen da: opiše hemijski sastav kore, omotača i jezgra objasni redosled kristalizacije minerala u zavisnosti od sastava magme opiše glavne tipove stena i njihove predstavnike definiše proces tranformacije stena 2

3 KORA + OMOTAČ + JEZGRO Konradov disk. Moho disk. Mintrop disk. Radijus = km Dijametar = km Kora 0 do 40 km 0 C Gornji omotač do 670 km 1,000 C Donji omotač 670 do 2,890 km 2,000 C Spoljašnje jezgro 2,890 do 5,150 km 3,700 C Unutrašnje jezgro 5,150 do 6,370 km 4,300 C 3

4 Kora: Kontinentalna kora (debljina oko 35 km; 60 km u planinskim oblastima); granitni sastav. Okeanska kora (debljina 7-10 km); bazaltni sastav. Omotač (debljina 2885 km); Litosfera = do 100 km dubine. Obuhvata koru i spoljašnji deo omotača. Astenosfera = na km dubine. Stene su blizu tačke topljenja. Magma nastaje ovde. Spoljašnje jezgro (2250 km debljina); Sastav: Rastopljeno Fe (85%) sa malo Ni. Jezgro može da sadrži i lakše elemente kao što su Si, S, C, i O. Konvekcija tečnog spoljašnjeg jezgra zajedno sa rotacijom čvrstog unutrašnjeg jezgra stvara magnetno polje Zemlje. Magnetno polje je ujedno i dokaz da je jezgro uglavnom od Fe. Unutrašnje jezgro (1216 km radijus) Čvrsto Fe (85%) sa nešto Ni na osnovu proučavanja meteorita. 4

5 Debljina Gustina (km) (g/cm³ ) Sloj Kontinentalna kora 35 Brzina P-talasa (km/sec) Okeanska kora Mohorovičićev diskontinuitet (Moho) Omotač Gutenbergov diskontinuitet Jezgro (prosek) or Spoljašnje jezgro (tečno) Unutrašnje jezgro (čvrsto)

6 unutrašnje jezgro ρ = 12g/cm3 gornji sloj omotača ρ = 3.5g/cm3 kora ρ = 2.7g/cm3 spoljašnje jezgro ρ = 10g/cm3 donji sloj omotača ρ = 5.5g/cm3 6

7 7

8 U neposrednom dodiru sa atmosferom, hidrosferom i biosferom odvijaju se različiti procesi. Prema karakteru procesa koji se događaju u litosferi, litosfera se deli na: sferu raspadanja, sferu taloženja, metamorfnu sferu i magmatsku sferu. Sfera raspadanja ~ 300 m. Zemljina kora se pretvara u trošnu masu. Prvenstveno je sastavljena od lakih hemijskih elemenata između kojih preovlađuju Si i Al (spec. masa je 2,4). Trošna masa raspadanja pokriva čvrsti deo litosfere i stvara pedosferu, ili prelazi u sferu taloženja. Sfera taloženja m (morski, jezerski, rečni, eolski, glečerski sedimenti). U sastavu ove sfere nalaze se isti hemijski elementi kao i u sferi raspadanja. 8

9 Metamorfna sfera se nalazi ispod sfere taloženja i počinje na dubini od 4 do 10 km. U ovoj sferi vladaju visoke temperature, preko 300 C i pritisak od 300 MPa. Visok pritisak i temperatura uslovljavaju promenu strukture postojećih stena i prekristalizaciju minerala. Zbog ovih promena dolazi do stvaranja metamorfnih stena i minerala. Magmatska sfera se nalazi ispod metamorfne sfere i prostire se do 70 km. U ovoj sferi je temperatura od oko 1000 C i pritisak oko 2000 MPa. U sastavu magme nalaze se svi poznati hemijski elementi, koji su u njoj raspoređeni po specifičnoj masi. Lakši elementi, kao Si i Al, preovlađuju u gornjoj zoni sfere SiAl; ispod SiAl zone u sastav magme ulaze teži elementi, gde pored Si preovlađuje Mg i Fe SiMa sloj. 9

10 10

11 Elementarni sastav Zemljine kore U njen sastav ulaze svi u prirodi poznati hemijski elementi. Elementi nisu ravnomerno raspoređeni. Na Mg K Ca Fe Al Si O 11

12 75% celokupnog sastava Zemljine kore čine kiseonik i silicijum. Kiseonik 49.1 Silicijum 26.0 Aluminijum 7.4 Gvožđe 4.2 Kalcijum 3.3 Natrijum 2.4 Magnezijum 2.3 Kalijum

13 Magma je stena u rastopljenom stanju koja se nalazi ispod površine Zemlje. Pored rastopljene stene, nju čine i suspendovani kristali i gasovi. Magma je kompleksna visoko-temperaturna fluidna supstanca. Temperatura magme se kreće od 700 C do 1300 C. Sastav magme: Neisparljive komponente (90-95%): silikati i oksidi (tope se na temperaturi oko 1000 C). Isparljive komponente: H2O, H2S, HF, HCl, CO, CO2, hloridi i fluoridi teških metala i dr. 13

14 Bogatije silicijum dioksidom, kisele ili granitne magme (engl. felsic magma). Siromašnije silicijum dioksidom, bazične ili bazaltoidne magme (engl. mafic magma). Osobine magme zavise od njenog sastava. Viskoznost (otpornost pri kretanju) raste sa porastom sadržaja silicijuma (pošto silicijum nastoji da se polimerizuje u dugačke lance). Kisela magma ima relativno visoku viskoznost. SiO2 ima manju gustinu pa su kisele magme i lakše. One kristalizuju na nižim temperaturama od baznih magmi. Kisele magme nastaju u plićim delovima Zemlje. Bazaltoidne magme sadrže veći udeo oksida metala pa su teže. 14

15 U magmatskom rezervoaru sve komponente se nalaze u tečnom stanju. Kada magma krene ka površini Zemlje menjaju se p i T, pa i magma menja svoj sastav. Promene koje pri tome nastaju predstavljaju diferencijaciju magme. Diferencijacija magme započinje procesom: hlađenja, kada dolazi do likvidne segregacije (razdvajaju se tečnosti koje se ne mešaju: sulfidna tečna faza od silikatne tečne faze). Primarne kristalizacije - dolazi do kristalizacije oksida i sulfida (Ttopljenja vrlo visoke), Glavne kristalizacione faze: kristalizacija visokotemperaturnih alumosilikata, Rezidualna kristalizaciona faza, Pneumatolitska i hidrotermalna faza. 15

16 Kada magma počne da se hladi, počinju da se stvaraju kristali. Na oko 1800 C, nema čvrste komponente, sve je tečno. Ali, kako se magma hladi, počinju da se formiraju centri nukleacije kristali olivina. Hemijski sastav olivina : (Mg,Fe)2SiO4. Kako temperatura i dalje pada, i drugi minerali počinju da kristalizuju iz magme. Na oko 1100 C drugi feromagnezijum mineral nastaje. Piroksen Fe,Mg(SiO3)2 kristalizuje zajedno sa olivinom. Kada se minerali formiraju, počinju da se talože pod dejstvom gravitacije. Minerali kao čvrste supstance imaju veću gustinu od magme iz koje nastaju. Tako da oni polako tonu naniže. Ovaj proces se zove gravitaciono taloženje. 16

17

18 Stena koja je bogata po svom sadržaju olivinom zove se dunit, a stena bogata piroksenom i olivinom zove se peridotit. Oba ova minerala sadrže Mg, Fe, Si i O (4 od 8 elemenata koji čine Zemljinu koru). Usled kristalizacije piroksena i olivina, % Mg i Fe opada u magmi. Istovremeno % Ca, Na, K i Al u magmi raste kako se formiraju olivin i piroksen. Ova postepena promena u sastavu magme se naziva frakciona kristalizacija i odgovorna je za sekvencu koja čini Bowen-ovu seriju. 18

19 N. L. Bowen je bio kanadski minerolog koji je u laboratoriji vršio eksperimente kristalizacije početkom 1900-tih. Bowen je demonstrirao da je tehnički moguće stvoriti sekvencu minerala hlađenjem magme i njenim frakcionisanjem. Priloženi dijagram sumira njegove rezultate. Geolozi nastoje da podele Bowenovu reakcionu seriju u 4 komponente prema mineralnom stastavu. 19

20

21 Naziv magme (stene) Temperatura nastanka Dominantni minerali Sadržaj SiO2 Ultrabazična Veoma visoka Olivin, piroksen Veoma nizak (<45%) Bazična Visoka Olivin, piroksen, Ca-plagioklas nizak Intermedijerna Srednja Na-plagioklas, amfibol, biotit intermedijarni Kisela (granitna) Srednje niska Ortoklas, kvarc, muskovit, biotit Visok (>65%) 21

22 Bowen-ova reakciona serija i raspadanje minerala 22

23

24

25

26 Rock X Rock X 100 ~20% Quartz ~20% Potassium feldspar ~40% Sodic plagioclase predominant <10% Biotite <15% Amphibole Quartz 80 Plagioclase Potassium feldspar Pyroxene Olivine Biotite 20 Muscovite Amphibole 0 Phaneritic rock Granite Diorite Gabbro Peridotite Aphanitic rock Rhyolite Andesite Basalt Komatiite Felsic Intermediate Mafic Ultramafic Composition type Increasing silica content Increasing potassium (K) and sodium (Na) Increasing calcium (Ca), iron (Fe), and magnesium (Mg) 26

27

28 Stene su agregati minerala koji izgrađuju litosferu. Proste stene/složene stene. Prosta stena mermer sadrži mineral kalcit. Složene stena granit sadrži minerale ortoklas, liskun, kvarc i dr. Prema načinu nastanka sve stene se dele u tri velike grupe: Sedimentne stene Metamorfne stene Magmatske stene 28

29 Nastaju solidifikacijom (kristalizacijom) rastopljenih minerala. Na površini Zemlje, LAVA očvršćava i nastaju EKSTRUZIVNE stene sa sitnim (sitnozrnim) kristalima ili sa staklastom (bezkristalnom) teksturom - površinske stene. Ispod površine Zemlje, MAGMA očvršćava i nastaju INTRUZIVNE stene sa lako uočljivom (krupnozrnom) kristalnom teksturom dubinske stene. 29

30 Tamna, sitnozrna, ekstruzivna stena (vulkanska stena) Nastaje na mestu gde lava izlazi i očvršćava na površini. Najrasprostranjenija magmatska stena. 30

31 Svetle boje, krupnozrna, intruzivna (plutonska) stena koja nastaje ispod površine. Glavni sastojci granita su kvarc, feldspat, liskun, hornblenda. Čest građevinski materijal. 31

32 Nastale stene stalno trpe promene usled tektonskih poremećaja, promene p i T, toplih ili hladnih vodenih rastvora. Sve te promene predstavljaju metamorfizam, a stena koja je izmenjena je metamorfna stena. Poseban oblik metamorfizma primarnih stena je metasomatoza, koja predstavlja promenu hemijskog sastava stene usled dejstva vodenih rastvora koji ili donesu ili isperu hemijske elemente iz stene. Ova pojava je posebno važna jer se na taj način mogu preneti neke štetne materije, pod uslovom da su rastvorne u vodi. Procesu metamorfizma podležu i vulkanske i sedimentne stene. Primer za sedimentnu stenu je metamorfizam krečnjaka, kada nastaje mermer. 32

33 Proces njihovog nastanka je egzogeni proces: u interakciji egzogenih činioca dolazi do degradacije primarnih stena, mobilizacije degradacionih proizvoda i njihove sedimentacije. Egzogeni uslovi: T = 15 C; p ~ 1 bar; prisutan O2 i H2O. Materijal endogenog porekla postaje nestabilan i degradira se. Sedimenti se dele na: (i) detritične sedimente (nastali fizičkom degradacijom); (ii) sedimenti nastali hidrolizom i oksidacijom; (iii) sedimenti nastali taloženjem. 33

34 Ciklus transformacije stena objašnjava međusobnu povezanost stena i prirodnih procesa Površinsko razlaganje Sedimentne Metamorfne Magmatske 34

35 Ciklus transformacije stena predstavlja sekvencu događaja koji uključuju nastanak, alteraciju, destrukciju i reformisanje stena kao rezultat prirodnih procesa. Glossary of Geology, Bates & Jackson, AGI 35

36 Ciklus transformacije stena Površinsko razlaganje Metamorfne Sedimentne Magmatske Stene podležu površinskom razlaganju, transportu, sedimentaciji i litifikaciji (očvršćavanju) kada nastaju sedimentne stene. 36

37 Nastanak SEDIMENTNE STENE Magmatska stena granit može podleći površinskom razlaganju kada stvara glinu i pesak. Ovi sedimenti mogu biti transportovani, deponovani i litifikovani kada nastaju sedimentne stene. Glina može postati škriljac. Pesak može postati peščar. 37

38 Škriljac

39 Peščar

40 Nastanak SEDIMENTNE STENE Metamorfna stena gnajs može podleći površinskom razlaganju kada stvara glinu i pesak. Ovi sedimenti mogu biti transportovani deponovani i litifikovane kada nastaju sedimentne stene. Glina može postati škriljac. Pesak može postati peščar. 40

41 Nastanak SEDIMENTNIH STENA Sedimentne stene mogu podleći procesu fizičkog razlaganja kada nastaju sedimenti koji mogu da nagrade druge sedimentne stene. 41

42 Nastanak SEDIMENTNIH STENA H2O + CO2 H2CO3 Hemijskim raspadanjem rastvaraju se minerali u stenama. Nastala rastvorena jedinjenja mogu da stvore evaporite kao što su gips ili hemijskim taloženjem kada nastaje krečnjak. Šta će nastati zavisi od sastava i uslova okruženja. 2KAlSi3O8+ 2H+ + H2O Al2Si2O5(OH)4+ 2K+ + 4SiO2 42

43 Ciklus transformacije stena Metamorfne Sedimentne Magmatske stene nastaju od rastopljenih stena ili magme ispod površine ili od lave izlivene na površinu. Magmatske 43

44 Nastanak MAGMATSKIH STENA Svaka stena magmatska, metamorfna ili sedimentna može se naći u uslovima visoke temperature ili pritiska kada dolazi do njenog topljenja. Rastopljena stena se zove magma. Kada se magma hladi ona očvršćava i nastaje magmatska stena. Vrsta magmatske stene koja je nastala zavisi od toga šta se topilo i kako se hladilo. 44

45 Ciklus transformacije stena Metamorfne Sedimentne Pritisak, toplota i fluidi prouzrokuje da nastale stene ili sedimenti postanu metamorfne metamor fne stene. Magmatske 45

46 Nastanak METAMORFNIH STENA Ukoliko se magmatska stena bazalt izloži dovoljnoj toploti i pritisku, može se transformisati u metamorfnu stenu metabazalt. Kada se doda prefiks meta na ime stene to znači da je prvobitna stena podlegla procesu metamorfoze. 46

47 Nastanak METAMORFNIH STENA Kada sedimentna stena krečnjak ili dolomit podlegne metamorfozi može da postane metamorfna stena mermer. Kada sedimentna stena peščar podlegne metamorfozi može da postane metamorfna stena kvarcit. Kada sedimentna stena škriljac podlegne metamorfozi može da postane metamorfna stena glinac. 47

48 Svi ovi geohemijski podaci govore da su izvor zagađenja prirode štetnim metalima upravo stene i minerali. Tokom eksploatacije mineralnih sirovina, čovek pospešuje interakciju minerala i stena sa atmosferom i hidrosferom, izlažući ih fizičko-hemijskim uslovima drugačijim od onih u kojima su oni nastali. Zato te materije postaju mobilne, prelaze u hidrosferu i prirodu. Jalovina i šljaka postaju dodatni izvor toksičnih materija. Izvori štetnih elemenata se nalaze u samoj prirodi, ali čovek ih čini aktivnim! 48

49 49

50 Elementarni sastav materijala koji ulazi u sastav sfere raspadanja se razlikuje od sastava u sferi taloženja. Tačno Netačno 50

51 Bazne ili bazaltoidne magme imaju manji sadržaj silicijum dioksida, samim tim veći udeo gvožđa i magnezijuma, pa su obično tamnije boje od kiselih ili granitnih magmi. Tačno Netačno 51

52 Mineral koji prvi kristališe u magmi je. 52

53 Usled kristalizacije piroksena i olivina, % Mg i Fe u magmi. opada raste 53

54 Prema Bowen-ovoj seriji prvo kristališu kisele magme. Tačno Netačno 54

55 Kvarc je mineral koji zadnji kristališe, a kada se nadje na površini prvi se razlaže. Tačno Netačno 55

56 Viskoznost magme raste sa porastom sadržaja silicijuma. Tačno Netačno 56

57 Najčešća kisela magmatska stena je 57

58 Metamorfizmom krečnjaka nastaje mermer. Tačno Netačno 58

59 Magmatska stena granit može podleći površinskom razlaganju kada stvara glinu i pesak. Tačno Netačno 59