Mineralogie

Minerály jsou anorganické přírodní látky s pravidelnou vnitřní stavbou. Definice minerálu se v mnohem podobá definici krystalu. Nezávisí na tom jestli je daná látka omezena krystalovými plochami. Minerálem, stejně jako krystalem, se přírodní anorganická látka stává v okamžiku, kdy má pravidelnou vnitřní stavbu. Za minerál, stejně tak jako za krystal, tedy považujeme i ta nejdrobnější prachová zrnka křemitého písku. Minerály jsou základními stavebními jednotkami všech hornin. Vznik minerálů tedy úzce souvisí i se vznikem hornin. V některých případech může být hornina tvořena z 90% jedním převažujícím minerálem, vždy jich však v jedné hornině nacházíme alespoň dva, častěji mnohem víc. Typickým procesem, při kterém vznikají nové minerály a magmatické horniny, je krystalizace z magmatu. Magma si můžeme představit jako tekutou, roztavenou horninu s mnoha prvky a sloučeninami. Během chladnutí magmatu, při jeho výstupu k zemské kůře, se tyto prvky a sloučeniny spojují a vytvářejí v některých náhodných místech pravidelně organizovanou síť atomů a molekul - první zárodky krystalů. Dochází ke změně skupenství z kapalného na pevné a vznikají přednostně takové minerály, které mají nejvyšší bod tavení. Krystaly těchto minerálů v tekutém magmatu postupně rostou až vznikne pevná hornina. Ačkoliv se tedy minerály označují též jako nerosty, vězte, že rostou!

Vznik a růst minerálů

Obecně platí, že za nejvyšších teplot vznikají minerály bezvodé - typicky je to olivín nebo pyroxen, které jsou prvními minerály utvářející se již v horninách zemského pláště. Běžně se vyskytují také na jiných vesmírných tělesech a v meteoritech. Minerály s jistým obsahem H2O, například amfiboly a slídy, vznikají za nižších teplot. Olivín vzniká za vysokých teplot a tlaků a jeho struktura se skládá z kationů hořčíku a železa a z tetraedrů SiO4 (atom křemíku vázaný s čtveřicí anionů kyslíku). Tyto tetraedry tvoří jakousi páteř všech minerálů z třídy silikátů, mohou se vzájemně spojovat a utvářet složitější sítě - a to celkem šesti různými způsoby, proto dělíme křemičitany na 6 skupin. Takto lze i další třídy minerálů dělit do skupin podle způsobu jakým jsou jejich základní stavební jednotky organizovány ve vnitřní stavbě minerálů. Minerály mohou vznikat i jinými procesy než je krystalizace z magmatu. Často i jedna hornina projde vícero etapami tvorby nových minerálů, a tak i minerály v jedné hornině mohou být různého stáří. Minerály vznikají také srážením z roztoku (evaporací), při metamorfóze (rekrystalizací hornin v pevném stavu) nebo při zvětrávacích a hydrotermálních procesech. Různé minerály vznikají za různých teplot a tlaků v různé hloubce. Studiem minerálů se tedy můžeme dozvědět více o tom za jakých podmínek vznikal ne jen daný minerál nebo hornina, ale i celá oblast.

Krystal záhnědy v kalcitové žíle - příklad hydrotermální geneze minerálu.

Nejprve došlo k rozpukání vápence, do kterého následně vnikla fluida, která rozpouštěla vápenec. Ze vzniklého

roztoku se poté vysrážel kalcit a křemen, který byl následně ozářen radioaktivitou a získal hnědou barvu.

Pokud mají krystaly vhodné podmínky, mohou růst i do několikametrových rozměrů. Nejdůležitějšími předpoklady pro růst krystalů je dostatek atomů, iontů nebo molekul tvořících pravidelnou strukturu minerálu, příznivé fyzikální i chemické podmínky a dostatek prostoru a času. Podmínkou pro růst krystalů jsou krystalizační jádra - miniaturní zárodky krystalů nebo různé nečistoty, ke kterým se postupně připojují další a další částice. Když se podíváme na libovolný minerál s dobře omezenými krystalovými plochami, vidíme, že způsob, jakým atomy či ionty zaujímají své pozice, není náhodný. Tento fenomén dobře vysvětluje Kosselova teorie, která předpokládá, že růst minerálů je podmíněn množstvím energie, které se uvolní dosazením atomu či molekuly do konkrétní pozice. Žádné krystaly však nejsou dokonalé. Neexistuje krystal, který by měl naprosto ideální tvar. Ve struktuře minerálu se velmi často objevují různé poruchy (defekty). Mezi nejčastější z nich patří vakance (neobsazená pozice ve struktuře) nebo substituce (pozice jsou nahrazeny jiným prvkem či molekulou). Běžné jsou také inkluze, kdy se ve struktuře minerálu vyskytuje další minerál (minerály často obrůstají a uzavírají další minerály). Pravidelnost ve struktuře minerálu je také často narušena plošnými nebo lineárními dislokacemi, které vznikají nejen při růstu, ale i při deformaci krystalu. Krystalická mřížka se v některých místech může prohýbat, odlamovat se, opětovně srůstat a podobně. 

Úhly mezi jednotlivými krystalovými plochami se však téměř nemění. Každý přírodní minerál má své základní stavební částice uspořádány jedním ze sedmi známých způsobů. Rozlišujeme tak sedm krystalografických soustav: soustavu krychlovou, čtverečnou, šesterečnou, klencovou, kosočtverečnou, jednoklonnou a trojklonnou. Ve struktuře minerálu se pravidelně opakuje elementární buňka - základní, dále nedělitelný, tvar charakterizovaný pomocí několika os a úhlů. Pokud si vytvoříme zvětšený model z několika těchto pravidelně uspořádaných buněk, dostaneme krystal. Ve výsledku může mít krystal úplně jiný tvar než jaký má tato elementární buňka. Často může i jeden minerál utvářet velké množství různých tvarů (typický je kalcit). Rozlišujeme tak různé krystalové tvary. Přiznávám, že způsobu, jakým lze od pohledu určit ke které soustavě který krystalový tvar patří, dodnes zcela nerozumím. U některých krystalů je to však vcelku jasné. Důležité je věnovat pozornost alespoň jednomu minerálu z jedné ze sedmi krystalografických soustav a podle tvarů jeho krystalů si k této soustavě tyto tvary přiřadit. Nejjednodušší a také nejdokonalejší je soustava krychlová. Díky pyritu, fluoritu a granátu si pamatuji, že mezi nejjednodušší krystalové tvary krychlové soustavy patří pravidelný šestistěn (krychle), pravidelný osmistěn, dvanáctistěn a dvacetičtyřstěn.

Krystalografické soustavy

Známe celkem 7 krystalografických soustav, ve kterých mohou minerály krystalizovat. Liší se způsobem, jakým jsou základní stavební částice (atomy/molekuly/ionty) uspořádány. Ve struktuře minerálu se pravidelně opakuje elementární buňka - základní, dále nedělitelný tvar, charakterizovaný pomocí několika os a úhlů. Pokud si vytvoříme model z několika těchto pravidelně uspořádaných buněk, dostaneme krystal. Ve výsledku může mít krystal úplně jiný tvar, než jaký má elementární buňka. Je dobré si zapamatovat alespoň ty nejčastější tvary krystalů spolu s některými zástupci minerálů. 

Krychlová

Čtverečná

Šesterečná

Klencová

Kosočtverečná

Jednoklonna

Trojklonná

Mineralogický systém

Minerály jsou podle chemického složení děleny do mineralogického systému, který se skládá z osmi tříd (nicméně, někdy je mezi minerály řazena i devátá třída organických látek, mezi které patří např. perly). Třídy lze dále dělit na skupiny minerály, které lze dále dělit na konkrétní minerály (např. křemen) a na jejich různé odrůdy (např. záhněda) nebo polymorfní modifikace se stejným chemickým složením, ale s odlišnou vnitřní stavbou (např. cristobalit). Třídy minerálů, některé nejhojnější skupiny minerálů a rovněž některé z nejběžnějších minerálů, odrůd a polymorfních modifikací budou detailněji popsány v následujících článcích.

Osmé třídě, křemičitanům, bude věnována speciální pozornost. Jsou nejbohatší třídou minerálů a podle vnitřního uspořádání stavebních jednotek (tetraedrů SiO4) se dělí na 6 skupin, kterým budou věnovány samostatné články. Silikáty patří mezi vůbec nejhojnější minerály zemské kůry. Každý sběratel je má rád a každý geolog je také musí znát. Patří totiž mezi nejčastěji se vyskytující minerály a řadí se rovněž mezi významné horninotvorné minerály.

Systematika silikátů je vcelku jednoduchá - lze je rozdělit celkem do šesti skupin podle vnitřní stavby. Tetraedry SiO4, jakési stavební částice všech silikátů, mohou být ve struktuře minerálu zcela izolovány, vázány do dvojic, mohou tvořit řetězce, prstence a plošné útvary a nebo mohou být mezi sebou propojeny prostorově. Molekuly se někdy v geologii označují jako polyedry (pravidelná tělesa s různým počtem stěn). V případě molekuly SiO4 jde o tetraedr (čtyřstěn). A protože jsou např. ve struktuře olivínu tyto tetraedry naprosto volně, patří olivín do první skupiny silikátů, tedy mezi nesosilikáty. Mezi jednotlivými čtyřstěny pak najdeme nejčastěji prvky jako je hořčík, železo nebo mangan. Tyto prvky (kationy) se mohou mezi sebou celkem snadno míchat v libovolném poměru. V olivínu tak může být zastoupeno jako železo tak i hořčík a mangan. Olivín, ve kterém je zastoupeno pouze železo a molekuly SiO4, se nazývá fayalit. Olivín, jehož kationové pozice jsou obsazeny hořčíkem, má název forsterit. 

Sorosilikáty jsou z hlediska geologie jen málo významnou skupinou minerálů, jejichž struktura je tvořena tetraedry SiO4 uspořádanými do dvojic. Někdy se v takovéto struktuře vyskytují i ojedinělé, nespárované tetraedry SiO4. V případě cyklosilikátů jsou tetraedry SiO4 spojené do prstenců, které jsou mezi sebou vzájemně provázány. Do této skupiny patří poměrně malé množství minerálů, ale některé z nich se řadí mezi důležité horninotvorné minerály. Inosilikáty jsou velmi důležitou skupinou horninotvorných minerálů, v nichž jsou tetraedry SiO4 uspořádány do řetězců. Tyto řetězce jsou dvojího druhu - jednoduché (u pyroxenů) a dvojřadé (u amfibolů). V případě fylosilikátů a v tektosilikátech jsou tetraedry složitě propleteny do třírozměrných struktur.

Fyzikální a chemické vlastnosti minerálů

Na závěr si povíme něco o vlastnostech minerálů, podle kterých může i laik rozeznat základní minerály. V současné době známe téměř 5000 různých minerálů. Každý se vyznačuje vlastní vnitřní stavbou a odlišným složením, avšak nejsnáze je lze rozeznávat podle fyzikálních nebo chemických vlastností. Mezi takové vlastnosti patří především tvrdost, pevnost, barva, hustota, štěpnost, lom, vryp, lesk, propustnost světla, rozpustnost, vodivost a magnetismus. Tyto základní vlastnosti by vám měly být nejvíce nápomocny při identifikaci minerálů. Rozeznáváme však i mnohé další.

Polarizační mikroskopie

Polarizační mikroskopie je velmi zajímavá metoda optického studia minerálů a hornin. Během mého studia jsem absolvoval dva předměty zaměřené na mikroskopii minerálů a hornin v polarizačních mikroskopech a doslova jsem si tyto předměty zamiloval. Fotografie zachycují pohled do mikroskopu ještě o něco lépe (v lepším detailu), než jak byste je viděli v mikroskopu. Umožňují tak naučit se podle tvarů a barev rozlišovat jednotlivé minerály i z pohodlí vašeho domova. Než ale začnete číst články o konkrétních minerálech, přečtěte si prosím následujících osm článků. Myslím, že vás velmi rychle uvedou do toho termínů, které se v polarizační mikroskopii používají. Bez toho, abyste těmto termínům rozuměli, totiž nemá příliš cenu další články z této rubriky číst. Vše jsem se pokusil vysvětlit a ilustrovat pomocí doprovodných fotografií.

Minerály v polarizačním mikroskopu

Od začátku mne metoda polarizační mikroskopie velmi zaujala a rozhodl jsem se, že si v průběhu lekcí budu některé minerály přes mikroskop fotografovat a později zde o nich napíšu série článků. Ačkoliv jsem fotografoval přes mikroskop jen mobilem, vznikly velice pěkné, zajímavé a poučné fotografie, které začali záhy využívat studenti z celého světa.