II. RÁKÓCZI FERENC KÁRPÁTALJAI MAGYAR FŐISKOLA MATEMATIKA ÉS TERMÉSZETTUDOMÁNYI TANSZÉK A FÖLDTAN ALAPJAI

Átírás

1 II. RÁKÓCZI FERENC KÁRPÁTALJAI MAGYAR FŐISKOLA MATEMATIKA ÉS TERMÉSZETTUDOMÁNYI TANSZÉK A FÖLDTAN ALAPJAI Oktatási segédanyag a földrajz szakos hallgatók számára Gönczy Sándor

2 Lektorok: Dr. Kozák Miklós, Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék docense Dr. Püspöki Zoltán, a Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék adjunktusa Csoma Zoltán, II. Rákóczi Ferenc Kárpátaljai Magyar Főiskola, Matematika és Természettudományi Tanszék adjunktusa 2

3 Az írás mindig kockázatvállalás, a gondolatközlés következményeinek kényszerű vállalása! Wallacher László Előszó helyett A fenti mottó főleg abban az esetben igaz, amikor kiváló szakemberek eredményeit kell összegezni, átlátható, tanulható formába a diákság elé terjeszteni. Ez a feladat, saját korlátaimból kiindulva inkább kevesebb, mint több sikerrel járt. Biztató azonban, hogy az író számára a kockázatvállalás mellett, az írás fejlődést is jelent, ami remélhetőleg a következő kiadásban már látszani is fog. Jó szerencsét kívánva, tisztelettel Gönczy Sándor 3

4 Bevezetés A geológia története egyidős az eszközt használó ember történetével. Az, hogy őseink ki tudták választani a könnyebben, jobban megmunkálható köveket feltételez valamilyen alaptudást a különböző kövek, kavicsok minőségi jellemzőit illetően. Tudás és tapasztalat kellet ahhoz is, hogy e kövek, kavicsok lelőhelyét megtalálják. A tűzkő, kvarcit, kalcedon, obszidián kavicsokat elsősorban kavicsteraszokból illetve a hegylábak durva hordalékából válogatták ki és gyűjtötték össze. Vulkáni területeken gyakran átkovásodott tufákat, obszidiánt és andezitet használtak eszköz és fegyverkészítéshez. Az Australopithecusok már 1,5 millió éve használtak kezdetleges kavicseszközöket. A Homo Habilis durván megmunkált kőbaltákat, kőkéseket, kaparókat készített. A kőkorszak zárófázisában, a neolitikumban (csiszolt kőkorszak) pedig igényesen megmunkált kőeszközök és ékszerek készültek. A fejlettebb kultúrákban már megjelenik a festékföld használata és a fazekasság. A réz-, bronz- és vaskor már fejlett bányászati, kohászati technikákról tanúskodik. A Szerbérchegységben 4500 éves, 20 m mély aknák találhatók, ahonnan rezet bányásztak. Az egyiptomi sírok 3500 éves falfestményei kohókat ábrázolnak. A szervezett potamikus kultúrák létrejöttével munkamegosztás alakult ki, amely lehetőséget teremtett a tágabb értelemben vett tudományos ismeretszerzés elmélyítéséhez. A települések védvonalainak építése, a várépítés, folyószabályozás, érc és drágakőbányászat, a csillagászati és hajózási ismeretek sokasodása pedig a tudás rendszerezéséhez és az egyes tudományágak erőteljes fejlődéséhez vezettek. Az ókor nagy polihisztorai tapasztalati tényekkel alátámasztott megfigyelései máig érvényesek. Thales a folyóvízi erózió felszínformáló jelentőségéről írt. Xenophanész felismerte a megkövesedett kagylók szerves eredetét, s ebből arra következtetett, hogy a hegyek helyén egykor tengerek voltak. Hérodotosz a Nílus iszaplerakódásaival szemlélteti az üledékképződést. Platón Atlantisz-legendájáról írt, ami a kéregmozgások jelentőségének tudatáról tanúskodik. Arisztotelész szerint a szárazföldek és vizek változása olyan lassú, hogy az emberi léptékkel nem mérhető. Seneca (i.sz. 3-65) vulkáni és beszakadásos földrengéseket különböztetett meg. Strabon Szicília szigetszerű elszakadását földrengésekre vezeti vissza. Id. Plinius (i.sz ) 37 kötetes munkájában a földre vonatkozó minden ókori természettudományos ismeretet összegyűjt, köztük a földrengésekről, vulkánokról, kőzetekről és kövületekről is. A középkorban a Föld és az élet fejlődéséről Bibliai értelemben gondolkodnak, minden más háttérbe szorult. XVII. sz-ban önálló tudománnyá válik a geológia. Leonardo da Vinci: fossziliák alapján megállapította a tenger egykori jelenlétét Itáliában. Agricola orvosként kerül a németföldi Joachimstal híres bányavidékére, az Érchegységbe. Az ásványok és kőzetek gyűjtésével, bányászati megfigyeléseivel alapot szerzett arra, hogy megírja világhírűvé vált könyveit, De natura fossilium és a De re metallica, megteremtette ezzel a bányászat, kohászat és geológia tudományos alapjait. Giordano Bruno megállapította a tengerek és szárazföldek helyének váltakozását. A dán Nicolaus Steno szintén orvosként kutatta természetszeretetétől hajtva Toscana hegyeit, ásványokat, kőzeteket, ősmaradványokat gyűjtve ben megjelent könyve szintén alapvető. Felismeréseinek egyike, a lapszögállandóság törvénye máig érvényes megállapítás. William Smith megalkotta a korreláció elvét és elkészítette Anglia és Wales földtani térképét. Charles Lyell a Principles of geology c. könyvében összegezte az elődei által felállított elveket. Alfred Wegener 1915-ben felállította a kontinensvándorlás elméletét, melyet csak 60-as évektől fogadtak el. 4

5 1. A geológia tárgya, részei, egymásra épülések, kapcsolódások Geológia (gör: gé, gea = Föld, logosz = tudomány), földtan a Föld belső szerkezetét, fejlődését, a Földre ható erőket, és a Föld történetét tanulmányozza. Fő részei: 1. klasszikus földtan, 2. történeti földtan és az 3. alkalmazott földtan. 1.1 Klasszikus földtan (általános földtan, elemző földtan). A geológia egyik legnagyobb, átfogó területe, amely a Föld komplex anyagi fejlődésének általános folyamataival, ezek elemzésével, törvényszerűségeivel foglalkozik, a folyamatok oldaláról. Részei maguk is önálló tudományterületek. Modellezi a kőzetciklus és szerkezetformálódás dinamikus kapcsolatrendszerét. Ehhez felhasználja és az ásványtan, kőzettan, geokémia, geofizika, történeti földtan, szerkezeti földtan, a szedimentológia, paleoklimatológia, geomorfológia számos elemét. A jelenségek és folyamatok értelmezésénél a korszerű elemző földtan elsősorban az aktuálgeológiai hasonlóságokra, modellanalízisre és a geomatematikára támaszkodik. A klasszikus földtani folyamatok többnyire endogén és exogén vetületűek lehetnek, bár a kettő nem független egymástól. Együttes hatásuk összegződésekor előálló jelenségeket kutat a tengergeológia és barlanggeológia is. Vulkanológia A vulkanológia tárgykörébe a vulkáni kőzetek jellemzése, a vulkáni kitörések rendszerezése, a vulkáni formák csoportosítása, a vulkáni működés sajátos folyamatainak, azok típusainak és a lemeztektonikához való kapcsolódásának ismertetése tartozik. Szedimentológia (üledéktan) A természetes eredetű üledékek és üledékes kőzetek keletkezésével, elemzésével, rendszerezésével és átalakulásaival foglakozik. Fontosságát megerősíti, hogy az általa vizsgált képződmények képezik az élővilág környezetének túlnyomó részét, a talajok kiindulási anyagát, nyersanyagaink tekintélyes hányadát, az emberi létesítmények alapját és gyakran anyagát is. Mint önálló földtani tudományág a XIX. sz. elején kezdett különválni a rétegtantól. Az aktualizmus elvének megszületésével a figyelem a jelenkori, közvetlenül vizsgálható aktuogeológiai folyamatok, jelenségek felé irányult, s ezáltal egyre növekedett az összehasonlító elemzések száma. Az anyagvizsgálati módszerek fejlődésével, a megfigyelések számának rohamos növekedésével, a rendszertani egységek letisztulásával a XX. sz. elejére bekövetkezett az ismeretek szintézise és a szedimelntológia önállósulása. Tektonika (szerkezeti földtan) A földkéreg szerkezettana, a litoszféra mozgásával, az azt kiváltó erőkkel, folyamatokkal és az így képződő szerkezeti formákkal foglalkozó földtani tudományterület. Mára már több ága alakult ki (pl. geomechanika, geodinamika, geotektonika). Az ún. általános tektonika a hegységszerkezeti elemeket elemzi, amelyek jellege szerint beszélhetünk gyűrődéses és töréses tektonikáról, objektumainak kora szerint paleo- és neotektonikáról. A jelenségek mérete szerint pedig felosztható makro- mezo- és mikrotektonikára. Aktuálgeológia A jelenkori földtani folyamatokkal foglalkozik (pl. kéregmozgás, üledékképződés, vulkánosság stb.). Az aktuálgeológia a múlt rekonstrukciója alapján lehetővé teszi nemcsak a jelenlegi állapot okozati megismerését, hanem a jövőben várható fejlődési folyamatok előrejelzését is. Tenegr-geológia (óceán-geológia) 5

6 A geológiának a jelenkori tengerfenék vizsgálatával foglalkozó része. Kutatja a tengerfenéken jelenleg lejátszódó és egykori szerkezeti, kőzet- és ásványképződési folyamatokat, vizsgálja az óceáni kéreg korát, anyagi összetételét, települési helyzetét, térképezi ezek kiterjedését és mélyfúrások, ill. a geofizika segítségével vastagságát és mélyszerkezetét. Feladatai közé tartozik az ásványi nyersanyagok kutatása, a szénhidrogének, az arany, gyémánt, ón, mangán, vas, réz, vanádium, foszfor, borostyánkő stb. előfordulások feltárása, torlatok felderítése. Spaleológia (barlangtan) A barlangok kialakulásával, kőzettani felépítésével, típusaival, a létrehozó erőkkel foglalkozó tudomány. Asztrogeológia A Hold, a bolygók és a Földre érkező meteorok anyagvizsgálatával foglalkozik. 1.2 Történeti földtan (általános, vagy elemző földtan) A szűkebb értelemben vett klasszikus geológia. Az ásványokat, kőzeteket, kövületeket tartalmazó, különböző korú földtani képződmények anyaga, kifejlődési jellege, települési és térbeli helyzete alapján mozaikszerűen kirajzolódnak a 4,5 milliárd éves fejlődés minden szakaszainak lényeges elemei (kéregmozgások, kőzetképző folyamatok paleoklimatikus jellemzők, kőzetlemezek, ill. az élővilág fejlődése, eloszlása stb.). Így a történeti földtan a Föld egészének, különösen élőhelyi és nyersanyag-képződési környezeteinek térben és időben történő modellezését, bemutatását jelenti. Sztratigráfia (rétegtan) A geológiának az a része, amely a földtörténet, ill. a földi élet- és anyagfejlődés eseményeit követi végig az időben egymásra következő rétegösszletek, főként üledékes kőzetek és ősmaradványaik tanulmányozása alapján. Legfontosabb részterületei a vizsgált földtani objektum korának megállapítása szerint különültek el, így beszélhetünk a biosztratigráfia, litosztratigráfia, radiometrikus korhatározás módszereiről. Regionális földtan Területileg lehatárolható földtani egységek, körzetek, kőzettani, rétegtani, szerkezeti földtani, őskörnyezettani, teleptani szintézise, egyedi jellegeinek leírása és elemzése. Kiterjeszthető mezoszerkezeti egységek határáig (pl. Krími-hegység, Békési süllyedék), országhatárig (pl. Magyarország), geotektonikai nagyegységek határáig (pl. Kárpát-medence, Alpida rendszer, Kárpát-Balkán régió stb.), kontinensekre, óceáni medencékre, ill. Földünk egészére is. Paleogeográfia (Ősföldrajz) A földrajz a földrajzi burok jelenkori állapotát elemző tudomány. Nevével ellentétben nem a földrajz, hanem a geológia része. Az ősföldrajz a földtani rekonstrukció egyik részeredménye, amely révén kirajzolódik, hogy az egyes földtörténeti korokban milyen volt a kontinensek és az óceáni medencék helyzete, a klímaövek és zónák elrendeződése, az élővilág területi eloszlása. Az ilyen szintetizáló térképek (ősföldrajzi térkép) sok kis mozaikszerű geológiai rekonstrukció eredményeként állnak össze, és az ősfejlődés egy-egy idősíkját jellemzik. Paleoklimatológia (őséghajlattan) Olyan földtani segédtudomány, amely a földi éghajlat fejlődéstörténetével foglalkozik. Ásvány-kőzettani, geokémiai, őslénytani, rétegtani stb. adatokból próbálja kikövetkeztetni a korábbi éghajlatok és éghajlatváltozások történetét, milyenségét, eloszlását és okait. Paleoökológia (őskörnyezettan) Az ősi szervezetek csoportjainak életfolyamataival és környezeti kapcsolataival foglalkozó tudományág. Az ökológia az élőlényekre ható tényezőket és az élőlények erre 6

7 adott válaszait vizsgálja, míg az paleoökológia a múlt élőlényeinek és egykori környezetüknek összefüggéseit elemzi. Jelentős különbség az ökológia és a paleoökológia között, hogy az ökológia a tényezőket mérni tudja, míg az paleoökológia csak becsülni. Geokronológia (földtörténet) A földtörténeti koradatok rendszere. Kialakítása az élővilág törzsfejlődésén alapuló relatív időbeosztás (biosztratigráfia), másrészt a radioaktív izotópok felezési idejének vizsgálatán alapuló radiometrikus időbeosztás (radiometrikus korhatározás) összevetésein alapul. 1.3 Alkalmazott földtan Az alapkutatás eredményeit a gyakorlatban hasznosítható földtudomány. Kőolajföldtan Legfontosabb feladata a szénhidrogének kialakulásának, településének és beágyazó környezetének vizsgálata. Hasonló fontossággal bír a jelenlegi szénhidrogén telepek feltárása és kiaknázása. Kőszénföldtan A földtörténeti múltban kialakult kőszéntelepek kutatásával, bányászatával foglalkozik. Bauxitföldtan Olyan geológiai részterület, amely ásványtani, kőzettani, geokémiai, teleptani, általános- és szerkezeti földtani, vízföldtani és hidrogeológiai ismereteket, módszereket foglal sajátos egységbe a bauxitok elméleti és gyakorlati kutatása céljából. Ércteleptan Az alkalmazott geológiának az az ága, amely a nagy fémtartalmú ércásványok földkéregbeli dúsulásainak törvényszerűségeivel, genetikájával, elterjedésével, összetételével, formájával, hasznosíthatóságával foglalkozik. Nemérces ásványi anyagok földtana Olyan ásványi nyersanyagdúsulások kutatásával foglalkozik, amelyek hasznos tulajdonságaik alapján megfelelő előkészítéssel ipari célokra, fogyasztási, gyógyászati, talajjavítási stb. termékek előállítására alkalmasak. Közéjük soroljuk a természetes eredetű építő és díszítő anyagokat is. Hidrogeológia (vízföldtan) A hidrológiai körfolyamatban résztvevő víznek elsősorban a felszín alatti részével, a felszíni, felszín alatti vizek kapcsolatával, a víztartó kőzetek és a bennük tárolódó, ill. mozgó víz jellemzésével, utánpótlásának és kinyerési lehetőségeinek kutatásával, a készletek feltárásával foglalkozik. Építésföldtan Fő kutatási területe, a felszíni és felszínközeli képződmények építési célokra való felhasználhatóságának vizsgálata, az építmények egyensúlyát hosszú távon biztosítani, a képződményeket stabilitás szempontjából vizsgálni, leírni és osztályozni, a tömegmozgásos jelenségeket elemezni, befolyásolni, kártételeit előre vagy utólag elhárítani. Feladata egy terület rengésveszélyességének és felszín alatti üregrendszereknek (pl. barlang, bánya, pince stb.) építési szempontú elemzése is. Agrogeológia Fő feladatai közé tartozik egyebek között a felszínközeli képződmények térképezési, vízföldtani, természetes anyagokkal való talajjavítási kérdéseinek vizsgálata, s bizonyos környezetvédelmi feladatok. Pedológia (talajtan) Határterületi tudomány. A talaj kőzetjellegét, ásványos összetevőit, üledékgenetikai, geokémiai vonatkozásait a geológia, fizikai, mechanikai és stabilitási viszonyait az építésföldtan (a mérnökgeológia egyik ága) vizsgálja. Létrejöttének klímazonális feltételeivel 7

8 és társadalmi minősítésével (aranykorona érték stb.) a földrajz, szerves anyagaival, élő szervezeteivel, biokémiai elemkörforgalmával az ökológia, művelési kérdéseivel az agrártudomány, vízáteresztő és vízraktározó képességével a hidrogeológia foglalkozik. Földtani térképezés A Földtani térkép a földtani kutatások egyik legfontosabb eredménye. A földfelszínen megjelenő formációk, fáciesek kiterjedésék, korát, stb. mutatja. 2. A Föld helye a Világegyetemben Az általunk ismert univerzum legvalószínűbbnek elfogadott kora kb. 12 milliárd év. Naprendszerünk objektumai egyidejűleg, mintegy 5 milliárd éve alakultak ki. Földünk szilárd kérgének létrejötte és az ősóceánoknak az őslégkörből történő kondenzációja mintegy 4-4,5 milliárd évvel ezelőtti időszakban történhetett. A Naprendszerre és a Földe vonatkozó kezdeti elképzelésektől napjaink sokösszetevős modelljeiig nagyon sokféle elmélet látott napvilágot. A Föld-központú világnézetre az első komoly csapást Arisztarkhosz spekulatív módon kialakított bolygórendszer modellje mérte, amelynek középpontjában már a Nap állott. Később Kopernikusz, Giordano Bruno, Kepler, Galilei és mások munkássága alakította a tudományos gondolkodást. Az első tudományos igényű naprendszer-keletkezési elméletek a XVIII. sz.-ban születtek, de a XX. század közepéig kellett várnunk a mai szemmel nézve realisztikus elméletek megszületéséig. A közbe eső közel 300 év alatt kialakult hipotézisek sokféleségük mellett alapvetően két nagy csoportra oszlanak, hideg- és meleg keletkezési elméletekre. Legtovább a Kant-Laplace-Roche elmélet tartotta magát ( ). Kant német filozófus szerint a világűrt kitöltő mozdulatlan ősköd már minden kémiai elemet tartalmazott. A részecskék vonzó-taszító ereje megbontotta az egyensúlyt, sűrűsödései és ritkulásai örvénylő mozgásokat eredményeztek, amely síkba rendezte és körkörös eloszlásúvá tette az anyagot. Laplace francia természettudós volt, aki ezt a tömörülő és forgómozgás közben Nappá és bolygókká szakadozó, gömbökké koncentrálódó anyagot izzónak tételezte fel, amelyen a lehűlés következtében alakult ki helyenként a szilárd kéreg. Roche francia matematikus és csillagász az előzőeket helyesbítette és számításaival alátámasztotta. Ottó Jurijevics Smidt szovjet csillagász szerint egy idősebb ős-nap a csillagközi gáz- és porfelhőből vonzotta magához a bolygók anyagát. Érdekes gondolatot vetett fel Kuiper, aki szerint a Naprendszer egy degenerálódott kettőscsillagból jött létre, miután annak egyik alkotója felrobbant. Rajta kívül ma már sokan vélik úgy, hogy Napunk valamilyen közeli nova- vagy szupernova kitörést élhetett át és az így szétszóródó anyag egy részét ősnapunk fogta be gravitációs terébe. Fred Hoyle angol csillagász az 1960-as években a Laplace-, Smidt-, Alfven-, Kuiperféle elméletek elemeinek felhasználásával alkotta meg kombinált elméletét. Olyan csillagközi gáz és porfelhőből indult ki, amelyet saját nehézségi erőtere tartott össze, s ennek következtében egyre gyorsabban forgott és ellapult. Amikor összehúzódása során átmérője elérte a Merkúr pályájának átmérőjét, anyaga kezdett leszakadozni és gyűrűszerű majd gömbszerű alakzatokként keringeni. A nehezebb fajsúlyú, magasabb hőfokon és szilárd elemekből alakult ki a mai kis átmérőjű, belső, un. Föld-típusú bolygók magjai, míg a távolabb került, kisebb sűrűségű megfagyott gázokból, hidrogénből, héliumból és néhány más elemből a külső, Jupiter-típusú óriásbolygók. A. P. Vinogradov szovjet geokémikus szerint a bolygók kialakulása négy lépésben zajlott: a) az anyag kondenzációja a Nap körül; b) izzó szoláris-protoplanetáris felhő alakul ki; c) tömörülés következik be; d) bolygó méretű anyagtömeg jön létre. 8

9 3. A Föld felépítése A Föld felépítésének vizsgálatánál általában un. földöveket szoktak elkülöníteni. A Földöveket két nagy csoportba szokták osztani: külső és belső földövekre. 3.1 Külső földövek Ide tartozik az atmoszféra, a hidroszféra és a bioszféra. Az atmoszféra a Föld levegőburka. Kémiai összetétele kb. 80 km magasságig egyforma, de fokozatosan ritkuló. Meghatározó összetevői a nitrogén (78,08 %) és az oxigén (20,95 %). Az időjárási jelenségek az alsó 11 km-es zónában játszódnak le (troposzféra). A hidroszféra a Föld vízburka, amelynek elterjedési határa a felső felhősödési zóna (+11 km), valamint a mélytengeri árkok öve (-11 km), melyek között így mintegy 22 km szélességű burokban oszlik meg, legkoncentráltabb zónája azonban csupán 5 km vastag. A hidroszféra magában foglalja a légköri vizet (csapadék, eső, hó stb.), a szárazföldi vizeket (folyó, tó), a felszínalatti vizeket (rétegvíz, talajvíz), a jégtakarók jegét és az óceánok és tengerek sós víztömegeit. Az összes földi vízkészlet kb. 2 milliárd km 3, ennek 97 % sós és félig sós, és csupán 3 % az édesvíz (és jég). A Föld vízkészlete alapvetően kettős eredetű. Fő tömegét a Föld fejlődésének korai stádiumában, az őslégkörből kicsapódó vízpára alkotja, amely a felszín hőmérsékletének 100 C alá hűlése után ősóceánokat képezett. A földi készlet másik, mennyiségileg csekély hányada viszont folyamatosan növekedett, mivel Földön kívüli eredetű. A Napból kisugárzott elektronok és H-atommagok egy része az ún. "szoláris szélben" eljut bolygónk közelébe és annak mágneses tere csapdába fogja. A H bejutva az ionoszféráig (35-82 km magasságban) a légköri oxigénnel vízzé egyesülhet, majd kicsapódva a felszínre kerülhet. Az így lejutó víztömeg naponta 1 tonna, tehát egyenletes bekerülés esetén 4,5 milliárd év alatt kb. 200 km 3 - nyi lehet. A bioszféra a földi anyagevolúció közel 3,5 milliárd éve fejlődő legkisebb földöve, amely az ún.belső és külső földövek határán alakult ki. Koncentráció maximuma a felszíni zónára terjed ki, de csökkenő mennyiségben m-ig kimutatható a felszíntől számítva. Rankama és Sahama becslése szerint a földi élőanyag tömege km 3, ami az atmoszférának a 3 század, a hidroszférának 69 ezred része. 3.2 Belső földövek A belső földövekhez a magot, a köpenyt, és a kérget, sorolhatjuk. A mag a felszíntől számított 2900 km mélységben húzódó Gutenberg Wiechert határfelületen belül elhelyezkedő földöv, a Föld magja. Határán a feltételezett hőmérséklet 3500±500 C. Anyaga az egyik feltevés szerint nikkel-vas ötvözetekből (Ni-Fe) áll, kevés SiO 2 jelenlétében, a másik szerint a nagy nyomás miatt elfajult, degenerált szilikátos állapotú anyag, amelyben az összeroppant elektronhéjak miatt az elemek a nehézfémekhez válnak hasonlóvá. A km között húzódó külső mag folyadék állapotúnak tekinthető, mivel benne a transzverzális hullámok nem folytatódnak. A belső mag a Föld belsejének 5100 km alatti része. A külső földmagtól a Lehmann-öv választja el. A belső mag feltehetően izzó állapotú szilárd anyag, amelyet nagy viszkozitás és sűrűség (13-17 g/cm 3 ) jellemez. A Föld középpontjában a nyomás feltehetően 3,6-3,7 Mbar, a hőmérséklet pedig C. A köpeny a Föld térfogatának és tömegének legnagyobb részét kitevő gömbhéj. Felső határa a kb. 30 km mélységben húzódó Mohorovičič (Moho) felület, alsó határa a 2900 km mélyen húzódó Guttenberg-Wiechert felület, amin belül a földmag helyezkedik el. A Moho felületet egy 1909-es földrengés adatait elemezve fedezte fel Andrija Mohorovičič horvát geofizikus. A e felületen a földrengéshullámok terjedési sebességének ugrásszerű 9

10 megnövekedése tapasztalható. Kb. 900 km mélységben határolódik el a belső és a külső köpeny. Kb km mélységben található az asztenoszféra v. kissebességű öv. Ebben az övben jelentkezik legintenzívebben az izotópok bomlásakor előálló hőanomáliákat kiegyenlítő energia- és anyagáramlás. Ezek következtében mozdulnak el, közelednek és távolodnak a litoszféra lemezei, alakulnak ki az aktív lemezszegélyek, mennek végbe a globáltektonika, a hegységképződés, a kéregevolúció jelenségei. E asztenoszférabeli mozgásokat és azok okait nevezzük ún. belső erőknek, amelyek közvetlen előidézői és fenntartói a földkéreg szüntelen változásainak, tagolódásának, a kőzetciklus folyamatának. Anyaga izzó állapotú, csaknem szilárd testként viselkedő ultrabázisos szilikátolvadék, amelyben a komponensek többnyire elemi állapotban találhatók. Viszonylagos sűrűn folyósságát a földi gravitációs tér okozta nagy nyomás idézi elő. Ha e zóna anyagának egy részét nagy sebességgel felszínre juttatnánk, az ott uralkodó légköri nyomáson izzó és hígfolyós állapotú lenne. A kissebességű jelző onnan származik, hogy az öv anyaga a geofizikai észlelések szerint a rengéshullámok terjedésével szemben csaknem folyadékként viselkedik, azaz kisebb terjedési sebesség jellemzi, mint a tömörebb, ill. merevebb, szilárdabb összetételű öveket. A kéreg Földünk legfelső, szilárd, ásványokból, kőzetekből, álló része, amelyet az alatta lévő köpenytől a Mohorovičič-féle szeizmikus törési felület választ el. Vastagsága az óceáni kéreg területén 5-12 km, a kontinentális táblákon km, az orogén magashegységi övekben km. A kontinentális kéreg felső 15 km-ében uralkodóak az üledékes kőzetek, ill. az üledékekből képződő parametamorfitok. Ez alatt, az ún. Conrad-féle (V. Conrad, német geofizikus után) szeizmikus átmenettel elválasztva rohamosabban nő a sűrűség. Feltehető, hogy ez nem a korábban gondolt bazaltos összetételre utal, hanem csupán a geofizikai jellemzők változását jelzi. A kontinentális kéreg geokémiai összetétele nagyjából a granitoid kőzetek elemösszetételének felel meg, ezért nevezik "gránitos kéregnek". Valódi gránitok is viszonylag nagy mennyiségben találhatók, mivel a felső kéreg alsó részében uralkodó nyomás és hőmérséklet lehetővé teszi az illókban és alkáliákban dúsabb, alacsonyabb olvadáspontú, nagyrészt üledékes eredetű metamorfitok részleges újraolvadását. Az óceáni kéreg összetétele leginkább a bazaltos kőzetek geokémiai karakterét követi, ami miatt a "bazaltos kéreg" megnevezéssel is illetik. Összetételében uralkodóan az ultrabázisosbázisos ofiolitok mélységi, szubvulkáni és vulkáni kifejlődései vesznek részt, felszínükön többnyire nem túl idős mélytengeri üledéksorral. A nyomás és hőmérséklet a kéregben lefelé haladva nagyjából egyenletesen nő, normál esetben a kontinentális táblák alján 500 C, ill atm (10 kbar), az óceáni kéreg alján pedig 200 C és 2-3 kbar. 10

11 4. A kristálytan alapjai (általános ásványtan) 4.1 A kristály fogalma, elemi cellák Az ókori görögök kristálynak (gör. krüsztallosz = jég) a hegyikristály, tehát a kvarc víztiszta változatát nevezték, mert azt hitték, hogy nagy hidegben megfagyott víz. Mai, tudományos értelemben vett kristály: síklapokkal határolt, konvex, poliéder, homogén, anizotrop diszkontinuum, vagyis egy olyan síklapokkal határolt test, amely domború, egynemű és anizotróp (lásd a kőzetmikroszkópiánál) tulajdonságokkal rendelkezik. A kristály belső rendezettséggel jellemezhető, amely úgy jön létre, hogy a kristály azonos értékű, un. identikus tömegpontjait meghatározott távolsággal eltolunk (transzlatálunk). Ezt a tömegpontok közötti távolságot periódusnak nevezzük. A transzlatált tömegpontok egy irányba való ismétlődéséből egy lineáris pontsort kapunk (1. ábra). Ha másik irányban megismételjük ugyanezt, kétdimenziós síkhálót kapunk (2. ábra). Amennyiben az eltolás háromdimenzióban történik térrács szerkezet (3. ábra) jön létre, amely tulajdonképpen az adott anyag kristályrácsa. 1. ábra. Identikus tömegpontok eltolásával képződött lineáris pontsor 2. ábra. Identikus tömegpontok kétirányú eltolásával képződött síkháló 3. ábra. Identikus tömegpontok háromdimenziós eltolásával nyert térrács A kristályrács legkisebb részét, amely rendelkezik a rácsszerkezet tulajdonságaival, identikus tömegpontok alkotják és transzlációval felépíthető belőle a kristály elemi cellának nevezzük. Az elemi cellát a tömegpontok három legrövidebb transzlációs távolságával (a, b, c), vagyis a cella három élhosszával jellemezhetjük. Bravais, francia geológus elméleti alapon tizennégyféle elemi cellatípust vezetett le (4. ábra). 11

12 a b c d e f g h i k l m n o 4. ábra. Bravis féle elemi cellák. a. triklin egyszerű, b. monoklin egyszerű, c. monoklin alaplapon centrált, d. rombos egyszerű, e. rombos alaplapon centrált, f. rombos tércentrált, g. rombos laponcentrált, h. hexagonális, i. trigonális, k. tetragonális egyszerű, l. tetragonális tércentrált, m. szabályos egyszerű, n. szabályos tércentrált, o. szabályos laponcentrált. Az elemi cellán belül négy alaptípust különített el: a. egyszerű (egyféle tömegpont); b. alaplapon centrált (kétféle tömegpont); c. tércentrált (kétféle tömegpont); d. lapcentrált (négyféle tömegpont). Az elemi cellák közül hét olyan van, amelyben egyféle tömegpontot találhatunk, és ahol a tömegpontok a cellák csúcsain ülnek. E cellák élhosszai és a közöttük bezárt szög alapján különböztetjük meg az egyes kristályrendszerek kristálytani tengelykeresztjét (5. ábra). 12

13 -b +c +a a -c -a +b +c -a -b +a b -c +b +c -b +a -a +b c -c +c -a2 +a1 d -c -a1 +a2 +c +a3 -a1 -a2 +a2 +a1 -a3 e -c +a1 -a3 -c f -a2 +a2 +c +a3 +a3 -a1 -a2 +a1 g -a3 -a1 +a2 5. ábra. Kristálytani tengelykeresztek a. triklin, b. monoklin, c. rombos, d. tetragonális, e. hexagonális, f. trigonális, g. szabályos. A triklin, monoklin és rombos rendszerekben az egyes tengelyeket a, b, és a függőleges tengelyt c betűkkel jelöljük, mivel minden tengely különböző értékű. A trigonális, tetragonális és hexagonális rendszerek, az un. főtengelyes kristályrendszerek, ahol a függőleges (c) tengely a kitüntetett, a többi pedig melléktengely, amelyeket a1, a2, illetve a trigonális és hexagonális rendszerekben a3-mal jelölünk. Itt lényegében a fő és a melléktengelyek közötti különbség hangsúlyozandó. A szabályos rendszer tengelyei azonos értékűek, így értelemszerűen a1, a2, és a3-mal jelöljük. 4.2 Kristályrendszerek és kristályosztályok Az elemi cellák éleinek nagysága és a cellaélek által bezárt szögek alapján hétféle koordinátarendszert (tengelykeresztet) különböztetünk meg. Ennek alapján hét kristályrendszert ismerünk. Mint fentebb említettük a kristályrendszerek tengelyit a, b és c betűkkel jelöljük. A közöttük bezárt szögeket pedig α (b és c tengelyek között), β (a és c tengelyek között) és γ (a és b tengelyek között) betűkkel. Így a kristályrendszereket a következőképpen jellemezhetjük: Triklin v. háromhajlású rendszer: a b c, α β γ 90º Monoklin v. egyhajlású rendszer: a b c, α = γ = 90º, β 90º Rombos rendszer: a b c, α = β = γ = 90º Tetragonális v. négyzetes rendszer: a1 = a2 c, α = β = γ = 90º 13

14 Trigonális v. háromszöges rendszer: a1 = a2 = a3 c, α = β = γ 90º Hexagonális v. hatszöges rendszer: a1 = a2 = a3 c, α = β = 90º, γ = 60º Tesszerális v. szabályos rendszer: a1 = a2 = a3, α = β = γ = 90º A hét kristályosztályt a külső szimmetria alapján 32 kristályosztályra bonthatjuk tovább. A kristályosztályokat a szimmetriaelemek növekedése vagy csökkenése alapján csoportosíthatjuk. 1. A legmagasabb szimmetriával bíró osztályokat teljes lapszámú, vagy holoéderes kristályosztályoknak nevezzük. Itt található az adott rendszeren belül a legnagyobb lapszámú formák. 2. A holoéderes osztályokhoz képest feleannyi lapszámmal rendelkező kristályosztályokat feles, vagy hemiéderes kristályosztályoknak nevezzük. A hemiéderes osztályokat további négy csoportra bonthatjuk. Hemimorfok az olyan kristályosztályok, ahol csak függőleges szimmetriaelemek találhatók. Az enantiomorf feles osztályokban a szimmetriaelemek közül csak a girek jelennek meg. A paramorf osztályokban a rendszerre jellemző szimmetriaelem és inverziós pont van. A másodfajú feles osztályokban a c tengely mentén inverziós giroid látható. 3. A tetartoéderes, vagy negyedes kristályosztályok a további szimmetriacsökkenés következtében jönnek létre. Itt a holoéderes osztálycsoporthoz képest negyedannyi a maximálisan összetartozó lapok száma. 4.3 A kristálytan alaptörvényei I. Szögállandóság törvénye (1669, Nicolaus Steno): ugyanazon kristályos anyag, különböző kifejlődésű (méretű, torzultságú) kristálypéldányain, azonos nyomáson és hőmérsékleten a megfelelő lapok által bezárt szögek mindig egyenlők és az illető kristályos anyagra jellemzőek. II. Racionális paramétertörvény (Haüy, 1781): azokat a távolságokat, amiket egy adott lap a tengelyekből lemetsz, paramétereknek nevezzük (6. ábra). Ezek abszolút értéke változhat, de a viszonyszámuk értéke állandó. 6. ábra. Paraméter Paraméter helyett ma inkább a Miller indexet használjuk, ami a paraméter reciprok értéke. Az index azt fejezi ki, hogy az adott lap az alaplaphoz képest hányad távolságban metszi a tengelyeket. III. Zónatörvény: a zóna a párhuzamos élekben metsződő lapok összessége. Két lap meghatároz egy zónát (egy él irányt), két él irány meghatároz egy lapot. A laphelyzete rögzített. A kristályon lehetséges összes lap egymással zónaviszonyban van. 14

15 4.4 A kristályok szimmetriája A kristálytanba a szimmetria valamilyen motívum szabályszerű ismétlődését jelenti. Megkülönböztetünk belső szimmetriát, ahol a rács építőelemeinek periodikus ismétlődése látható és külső szimmetriát, ahol a kristálylapok, élek, csúcsok valamilyen szabály szerinti ismétlődése történik. A kristály külső szimmetriáját un. szimmetria-elemekkel ismerhetjük fel. Egyszerű és összetett szimmetriaelemeket ismerünk. Az egyszerű szimmetriaelemek a szimmetriacentrum (vagy inverziós pont), szimmetriatengely (vagy forgástengely, vagy gir) és a szimmetriasík (vagy tükörsík). A szimmetriacentrum a legegyszerűbb szimmetriaelem, a kristály középpontjában helyezkedik el. A kristálynak olyan pontja, amelytől adott irányban adott távolságra eső kristálytani elem az ellenkező irányban ugyanolyan távolságra megismétlődik (7. ábra). B C1 A1 A C B1 7. ábra. Tükrözés inverziós ponttal A szimmetriatengely (vagy gir) olyan szimmetriaelem, amely segítségével a kristály egyes motívumai egy teljes körbeforgatás alatt önmagukkal többször fedőhelyzetbe kerülnek. Annak alapján, hogy az adott motívum hány fokonként kerül fedőhelyzetbe önmagával megkülönböztetünk digirt (180 ), trigirt (120 ), tetragirt (90 ) és hexagirt (60 ). Más értékű szimmetriatengely nem lehetséges, mivel hézagnélküli térkitöltés csak rombusz, téglalap, négyzet, egyenlő oldalú háromszög, szabályos hatszög alakzatokkal lehetséges (8. ábra). Abban az esetben, ha a szimmetriatengely két vége a kristály nem ugyanolyan értékű (pl. lapközép és csúcs) pontjain lép ki poláros girről beszélünk. 8. ábra. A rácssík hézagos és hézagnélküli térkitöltése A tükörsík a kristályt két egybevágó tükörképi félre bontó szimmetriaelem (9. ábra). 15

16 9. ábra. Egy hexaéder tükörsíkjai Összetett szimmetriaelemet kapunk abban az esetben, ha két egyszerű szimmetriaelemet kombinálva jelenítünk meg. A giroid a forgatás és tükrözés következtében alakul ki. Ennek során a kristály lapjai elforgatáskor fedésbe is és tükörképi helyzetbe is kerülnek önmagukkal (pl. tetragiroid, trigiroid). 4.5 A sztereografikus vetület A sztereografikus vetületek készítésének célja, hogy a kristályformákat síkban tudjuk ábrázolni úgy, hogy az összes szimmetriaeleme is látható legyen. A lényege, hogy az adott kristályt úgy helyezzük bele egy gömb belsejébe, hogy a kristály középpontja egybeessen a gömb középpontjával. Innen merőlegest húzunk minden egyes kristálylapra, amely merőlegesek valahol metszik a gömbfelületet. Ebből kapunk egy un. gömbprojekciót (10. ábra). 10. ábra. Gömbprojekció 16

17 A továbbiakban a gömb egyenlítőjére egy síkot fektetünk. Ezután minden egyes döféspontot összekötünk a gömb déli pólusával, így ezek áthaladnak az egyenlítőre fektetett síkon, vagyis kijelölik az adott pont helyét a síkon (11. ábra). 11. ábra. Sztereografikus vetítés A síkra vetített kristály felső, pozitív oldalának pontjait kereszttel (+) az alsó, negatív oldalának pontjait pedig körrel (o) jelöljük. Szaggatott vonalakkal jelenítjük meg az alapkört illetve a tengelyeket, folytonos vonallal pedig a tükörsíkokat. A szimmetriaelemek ábrázolását a 12. ábrán láthatjuk a. b. c. d e. f. g. h i. j. 12. ábra. Szimmetriaelemek ábrázolása a sztereografikus vetületben 17

18 (a. inverziós pont, b. függőleges tükörsík, c. vízszintes tükörsík, d. függőleges digír, e. vízszintes poláros digir, f. függőleges trigir, g. függőleges tetragir, h. függőleges hexagir, i. inverziós tetragiroid, j. inverziós trigiroid) 4.6 Kristályformák A kristályformák a szimmetriaelemek által megkövetelt, egybevágó lapok összességéből alakulnak ki. Megkülönböztethetünk egyszerű kristályformákat és formakombinációkat. Az egyszerű kristályformák, vagy nyílt formák önmagukban nem képesek lezárni a teret, így formakombinációkat alkotnak, amelyek már zárt kristályformát képeznek. Zárt formák önmagukban is megjelennek, amennyiben teljesen be tudják zárni a teret. Az egyetlen lapból álló kristályformát pedionnak (vagy pinakoid (pinax = deszka)) nevezzük (13. ábra). Az egyetlen lap következménye, hogy nincs semmiféle szimmetriaeleme. 13. ábra. Pedion A véglap kétlapú forma, ahol a lapok egybevágóak, párhuzamosak és valamilyen szimmetriaelem szerint összetartoznak (14. ábra). 14. ábra. Véglap A kétlapú, digir szerint összetartozó, ékszerűen egymáshoz hajló formákat szfenoidnak (szfén = ék) nevezzük (15. ábra). 15. ábra. Szfenoid Két egymásba csatlakozó szfenoidot elforgatva négylapú diszfenoidot kapunk (16. ábra). A diszfenoid rombos és tetragonális lehet. A rombos diszfenoid általános háromszögekből, a tetragonális diszfenoid egyenlő szárú háromszögekből áll. 18

19 í a. b. 16. ábra. Biszfenoidok (a. rombos, b. tetragonális) A szintén kétlapú, de tükörsík szerint összetartozó forma a dóma (tető) (17. ábra). 17. ábra. Dóma A többlapú (3 lapos: trigonális, 4 lapos: monoklin, rombos, tetragonális, 6 lapos: hexagonális, ditrigonális, 8 lapos: ditetragonális, 12 lapos: dihexagonális), párhuzamosan élekben metsződő formákat prizmának, vagy hasábnak nevezzük (18. ábra). a. b. c. d. e. f. g. h. 18. ábra. Prizmák (a. monoklin, b. rombos, c. trigonális, d. tetragonális, e. ditrigonális, f. ditetragonális, g. hexagonális, h. dihexagonális) 19

20 Azokat a többlapú, a c tengelyhez szimmetrikusan hajló kristályformákat, amelyeknek csak függőleges szimmetriaelemük van piramisnak nevezzük (19. ábra). A lapok száma minimum három (trigonális piramis), maximum tizenkettő (dihexagonális piramis). a. b. c. d e. f. g. 19. ábra. Piramisok (a. trigonális, b. ditrigonális, c. rombos, d. tetragonális, e. ditetragonális, f. hexagonális, g. dihexagonális) Ha a piramisoknak megjelenik a vízszintes szimmetriaeleme, zárt forma képződik, amit bipiramisnak nevezünk (20. ábra). a. b. c. d. e. f. g. 20. ábra. Bipiramisok (a. trigonális, b. ditrigonális, c. rombos, d. tetragonális, e. ditetragonális, f. hexagonális, g. dihexagonális) 20

21 A bipiramisok pozitív és negatív oldalát bizonyos szöggel elforgatva trapezoédert kapunk, amely így elveszti vízszintes tükörsíkját. A trapezoéderek szabálytalan négyszög alakú, egybevágó lapokból álló forma zárt formák, csak girjeik vannak. Megkülönböztetünk jobb és bal trapezoédert, aszerint, hogy merre végezzük az elforgatást. Lapszámuk hat, nyolc, vagy tizenkettő lehet (21. ábra). a. b. c. 21. ábra. Trapezoéderek (a. trigonális, b. tetragonális, c. hexagonális) Az általános háromszögekből álló, a c tengelyhez hajló forma a szkalenoéder (22. ábra). Lehet nyolc lapos tetragonális és tizenkétlapos ditrigonális szkalenoéder. A főtengely mentén inverziós tetragiroidot, illetve inverziós trigiroidot látunk. a. b. 22. ábra. Szkalenoéderek (a. ditetragonális, b. ditrigonális) Romboédert kapunk, ha egy trigonális bipiramis két piramisát egymáshoz képest 60 -al elforgatunk (23. ábra). Hat egybevágó, inverziós trigiroid szerint összetartozó, rombusz alakú lapokból áll. Egyszerűbb úgy elképzelni ezt a formát, hogy egy kockát a sarkára állítunk és megnyújtunk, vagy összenyomunk. A megnyújtással keletkezett forma pozitív, az összenyomással negatív romboéder. 23. ábra. Romboéder A szabályos rendszer osztályai rendelkeznek a legmagasabb szimmetriával, így a legmagasabb lapszámmal is. Itt csak zárt formák jelennek meg. Csak néhánya jellemző formát mutatunk be (24. ábra). A hexaédert hat egybevágó négyzetlap alkotja. A rombdodekaéder tizenkét egybevágó rombuszalakú lapból áll. Nyolc egyenlő oldalú háromszög képezi az oktaédert, négy egyenlő oldalú háromszög pedig a tetraédert. A tetrakiszhexaéder 21

22 huszonnégy egyenlő szárú háromszögből áll. Huszonnégy deltoid alakú lapból álló forma a deltoidikozitetraéder. A triakiszoktaéder olyan kristályforma, ahol az alap egy oktaéder, amelynek minden egyes oldalára még három, egyenlő szárú háromszögből álló lap épül. A hexakiszoktaéder alapformája szintén az oktaéder, amelynek minden egyes oldalára még hat, általános háromszögből álló lap épül. Ez a legmagasabb lapszámú egyszerű forma. a. b. c. d. e. f. g. h. 24. ábra. A szabályos rendszer néhány elterjedtebb formája (a. hexaéder, b. rombdodekaéder, c. oktaéder, d. tetraéder, e. tetrakiszhexaéder, f. deltoidikozitetraéder, g. triakiszoktaéder, h. hexakiszoktaéder) 22

23 4.7 A kristályok szabályszerű összenövései (Ikerképződés) A természetes úton létrejött kristályok ásványok képződése során, a képződés körülményeitől függően több egyed is növekedhet, különböző módon kapcsolódva egymáshoz. E kapcsolat kialakulásakor beszélhetünk ikerképződésről. Az iker rendszerint magasabb szimmetriára törekszik az alkotó egyedekhez képest. Iker háromféle úton fejlődhet: 1. Már a kristálycsira állapottól ikerként fejlődik (pl. a szfalerit, kalcit, aragonit, földpát). 2. Nyomás hatására lemezes, poliszintetikus ikerként fejlődik (pl. márvány a kalcitból metamorfózis hatására). 3. Hőmérséklet csökkenéssel, szilárd fázisban átalakul alacsonyabb szimmetriájú ikermódosulatba, (pl. leucit szabályos holoéderes, 605ºC alá hűlve, a külső alakot megtartva tetragonális lemezek halmazává alakul át). Az ikrek összenőhetnek az un. ikersík mentén, amely látszólag úgy funkcionál, mint egy tükörsík, de az ikersík nem esik egybe a valós tükörsíkkal. Az összenövés létrejöhet ikertengely szerint is. Az ikertengely az ikersíkra merőleges egyenes, amely körül az egyik egyedet 180º-al elforgatva a másikhoz képest szimmetrikus helyzetbe jut Ikertípusok Az összenövés módja szerint megkülönböztetünk érintkezési és áthatolási ikreket. Érintkezési v. juxtapozíciós ikerről beszélünk, ha két kristályegyed egyszerűen az összenövési sík mentén kapcsolódik egymáshoz. Ilyen pl. a gipsz (CaSO 4 2H 2 O) monoklin prizmás, vagy az augit ((CaNaFe) (MgAlFeTi) [Si 2 O 6 ]) szintén monoklin prizmás ásványok (25. ábra). 25. ábra. Érintkezési iker (a. gipsz, b. augit. Szaggatott vonallal jelöltük az összenövés síkját) Áthatolási, vagy penetrációs ikrek olyankor jönnek létre, ha két kristályegyed egymáson keresztülnő. Ilyen pl. a monoklin prizmás ortoklász K[AlSi 3 O 8 ] un. karlsbadi ikre, vagy a szabályos hemimorf tetraedrit (antimonfakóérc) Cu 6 (AsSb 2 )S 7, ahol két tetraéder nő egymáson keresztül (26. ábra). 23

24 26. ábra. Penetrációs ikrek (a. ortoklász, b. tetraedrit) Az ikersíkot alkotó egyedek száma szerint az iker lehet egyszerű és többszörös. Egyszerű, ha két egyed, többszörös, vagy poliszintetikus ha több, esetenként több száz egyed nő össze. A többszörös ikrek lehetnek lemezesek (pl. a plagioklászok, albit NaAlSi 3 O 8 ), vagy gyűrűsek (pl. a rutil TiO 2 ) (27. ábra). a. b. 27. ábra. Poliszintetikus ikrek (a. albit, b. rutil) 4.8 Kristályszerkezettan Feladata a belső szerkezet, a külső alak, a kémiai és a fizikai sajátosságok közötti összefüggések értelmezése Kémiai kötések A kémiai kötések az atomok összekapcsolódása egy molekulán belül, illetve bonyolultabb szerkezetek képződése. A természetben tiszta kötéstípus ritkán fordul elő, általában kombinálódnak az alábbi kötéstípusok. Ionos kötésnél egy vagy több elektron az egyik atomból átkerül a másik atomba, a létrejött különnemű töltéssel rendelkező ionokat az elektromos vonzerők tartják össze. Közös elektron párokon keresztül keletkezik a kovalens kötés. A kötés létrejötte után az egyes elektronok mindkét atomhoz tartoznak. A fémes kötés közös elektronfelhő révén alakul ki, a Van der Wals kötés pedig a molekulakák között jön létre. A koordinációs szám megmutatja, hogy egy rácspontot (atom, ion) hány szomszédos tömegpont vesz körül egyenlő távolságban (28. ábra). Minél nagyobb a vegyületben szereplő kation és anion rádiuszának hányadosa, annál nagyobb lehet a koordinációs szám (Magnus szabály). a. b. c. d. e. 24

25 f. g. h. i. j. k. l. m. 28. ábra. A koordinációs szám lehetséges változatai a kristályrácsban (A koordinációs szám: 1 (a), 2 (b, c), 3 (d, e), 4 (f, g), 6 (h, i, j), 8 (k), 12 (l, m)). A kristályrácsok egységes tárgyalását megkönnyítik az ion- és atomrádiuszok. Nagysága a kristályrácsokban állandó. Bizonyos nyomáson és hőmérsékleten egyes elemek helyettesíthetik egymást. Az ellentétes töltésű ionok a rácsban hatással vannak egymásra, egymást deformálni (polarizálni) képesek. A kationok hatása erősebb, mint az anionoké, ezért a kation inkább deformál, az anion pedig inkább deformálódik. A kation hatása annál nagyobb, minél kisebb a rádiusza és minél nagyobb a pozitív töltésszáma. Az anion deformálódása annál nagyobb, minél több az elektronhéjak száma, vagyis nagyobb a rádiusza A kristályrácsok osztályozása Ionrácsok Ellentétes töltésű ionok elektrosztatikus vonzásából áll, így nem is tisztán kémiai kötés. Az ionkristályok rácsszerkezetét a pozitív és negatív ionok relatív nagysága (ionrádiusza), száma és polarizációs sajátságai szabják meg. Az ionvegyületek felépülhetnek egyszerű és komplex ionokból is. Utóbbiak, pl. SO -2 4, CO -2 3, NH + 4 atomjait kovalens (atomos) kötés tarja össze, de kifelé önálló ionként viselkednek. Az ionrácsok általános tulajdonságai Szín: általában halványak, sószerűek, gyakran színtelenek. Oldhatóság: vízben és oldószerekben jól oldódnak. Vezetőképesség: szilárdan szigetelők, olvadékban és oldatban jó vezetők. Fénytörés: általában közepes. Keménység, olvadáspont forrpont: az iontávolságokkal fordítottan arányos, vagyis tömött rácsnál nagy értékű. Azonos iontávolság esetén a magasabb vegyértékű elemekből álló vegyület olvadáspontja nagyobb, pl. NaF (vegyérték 1-1) olvadáspontja 988ºC, CaO (vegyérték 2-2) 2570ºC. Az ionrácsok felosztása a Pauling-féle elektrosztatikus vegyérték alapján történik, p=z/n, ahol p az elektrosztatikus vegyérték, z a központi kation töltésszáma, n a koordinációs szám. Ha a p értékét az aniontöltés felével (y/2) vetjük össze, akkor a viszonyszám alapján az ionrácsoknak három csoportját különíthetjük el: 25

26 Izodezmikus ionrácsok Az idezmikus szerkezetekben (pl. a kősó): az elektrosztatikus vegyérték kisebb, mint az anion töltés fele. Kétféle képen jelenhetnek meg, vagy úgy, hogy egy kation és egy anion adja a képletet, pl. CsCl (céziumklorid), NaCl (kősó), ZnS (wurzit), vagy egy anion és két anion alkotja őket, pl. CaF 2 (fluorit), TiO 2 ( rutil). CsCl (cézium-klorid): felépítése két szabályos egyszerű elemi cella fél testátlóval egymásba tolva, s így lesz szabályos tércentrált. Koordinációs száma 8, kötésmód hexaéderes, molekulaszám 1 (29. ábra). Az ásványok között alig ismert ilyen rács. Cs Cl 29. ábra. A cézium-klorid elemi cellája NaCl (kősó): felépítése két szabályos laponcentrált cella, amelyek fél cellaéllel egymásba vannak tolva. Koordinációs szám 6, kötésmód oktaéderes, molekulaszám 4 (30. ábra). Ilyen rácsa van pl. a szilvinnek (KCl) és a galenitnek (PbS). Na Cl 30. ábra. Kősórács Fluorit (CaF 2 ): szabályos holoéderes. A két elem koordinációja eltérő, a kalcium fluorra vonatkoztatott koordinációja 8 (hexaéderes), a fluornak a kalciumra vanatkoztatott koordinációja pedig 4 (tetraéderes). Molekulaszám 4 (31. ábra) F Ca F -1 hasadás F Ca F ábra. A fluorit elemi cellája Rutil (TiO 2 ): A titánt 6 oxigén, az oxigént 3 titán ion veszi körül. Molekulaszám 2. Ilyen rácsa van pl. a piroluzitnak (PbO 2 ) és az ónkőnek (SnO 2 ). 26

27 Mezodezmikus ionrácsok (szilikát szerkezetek) Az elektrosztatikus vegyérték egyenlő az aniontöltés felével. A szilikátszerkezetek alapeleme az SiO 4 tetraéder (32. ábra). Mivel a szilícium erősen polarizál, ezért a kötések (ionos kötés) 50 %-a átmegy kovalens kötésbe. A tetraédereken belül igen erős a kötés. 32. ábra. A szilikátszerkezetek alapeleme: SiO 4 tetraéder A szilikátszerkezetekben a tetraéderek kapcsolódása háromféle lehet: 1. Közvetlenül közös oxigénen keresztül. 2. Közvetve másodrendű kationokon keresztül (pl. K +1, Na +1, Ca +2, Mg +2, Fe +2, Fe +3, Al +3 ). 3. Közvetlenül és közvetve együttesen. Az elsőrendű kation az Si +4. Azonban létrejöhet un. elemhelyettesítés, amikor másodrendű kationok, pl. az Al +3 helyettesíti a szilíciumot és így elsőrendű kationná válik. Ritkán a Fe +3 is válhat elsőrendű kationná. Az elemhelyettesítés a szilikátoknál gyakori, főként a közel azonos ionrádiuszúak között lehetséges, mert ezeknek az oxigénre vonatkoztatott koordinációs száma is azonos. A szilikátok osztályozása: Az [SiO 4 ] -4 koordinációs tetraéderek kapcsolódási módja szerint öt osztályba soroljuk őket: Kapcsolt oxigének száma Si:O arány 1. Nezo- vagy szigetszilikát 0 1:4 2. Szoro- vagy csoportszilikátok 1 1:3,5 3. Ino- vagy láncszilikátok 2 1:3 4. Filo- vagy rétegszilikátok 3 1:2,5 5. Tekto- vagy vázszilikátok 4 1:2 1. Nezo- vagy szigetszilikátok (nezosz=sziget). Az [SiO 4 ] -4 koordinációs tetraéderek nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz, hanem önálló szigeteket alkotnak (33. ábra). Ezeket a sziget-tetraédereket másodrendű kationok, pl. Mg +2, Fe +2, Al +3, stb. kapcsolják össze. A kötéserő a másodrendű kationoknál kisebb, mint a tetraéderen belül, ezért ott állítható elő rajtuk hasadás. Mivel azonban ezek elrendezése elég rendezetlen, ezért hasadásuk gyenge, egyenetlen vagy nincs is. Pl. olívin (rombos bipiramisos) (Mg, Fe) 2 [SiO 4 ] a Mg 2 SiO 4 (forszterit) és a Fe 2 SiO 4 (fayalit) izomorf elegye. A tetraéderek váltakozva, csúcsukkal előre és hátra mutatnak. Közöttük hatos koordinációban (oktaéderesen) helyezkednek el a Mg +2, Fe +2 másodrendű kationok. 27

28 Elemi cella 33. ábra. Szigetszilikátok Hasonló szigetszilikát rácsa van a gránátoknak is, amelyek általános képlete R II 3R III 2[SiO 4 ] Szoro- vagy csoportszilikátok (szorosz=csoport). Az [SiO 4 ] -4 koordinációs tetraéderek közvetlenül csak kis számban kapcsolódnak, 2, 3, 4, 6 tetraéderből álló csoportokat alkotnak (34. ábra) és ezek a csoportok egymással másodrendű kationokon keresztül kapcsolódnak. Ennek megfelelően négy típusuk van, amelyek gyökét a közvetlenül közös oxigénen át kapcsolódó tetraéderek csoportjában összesen található szilícium és oxigén mennyisége adja. A gyűrűket alkotó szerkezeteket ciklo- v. gyűrűs szilikátoknak is hívják. a. b. c. d. 34. ábra. Csoportszilikátok (a. 2 tetraéder, gyök: [Si 2 O 7 ] -6 ; b. 3 tetraéder, [Si 3 O 8 ] -6 ;c. 4 tetraéder [Si 4 O 12 ] -8 ;d. 6 tetraéder [Si 6 O 18 ] 12 ) Hat tetraéderes csoportokból felépülő szerkezet pl. a berill Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 ). A dihexagonális bipiramisos osztályba tartozó ásvány szerkezetében a hatos gyűrűk egymás felett elhelyezkedve a c tengellyel párhuzamos csatornákat alkot. A gyűrűket Be +2 és Al +3 kationok kapcsolják össze II. rendű kationként. 3. Ino- vagy láncszilikátok (inosz = rost). Két típusa a lánc és a kettős lánc (= szalag) szerkezetek (35. ábra). Előbbiben a tetraéderek közvetlenül az oxigéneken keresztül láncokká állnak össze, a másik típusnál pedig szalagokká. Ezeket aztán II-rendű kationok kapcsolják össze egymással, pl: Ca +2, Mg +2, Fe 2+, stb. A láncok és szalagok a kristálytani c tengellyel párhuzamosak, ezért e szilikátok a c tengely mentén nyúltak, tűs, prizmás, oszlopos kifejlődésűek. Hasadásuk is a c tengellyel párhuzamos, mivel a láncokon belül erősebb a kötés, mint közöttük. 28