Luontokokoelma Kieppi Viljo Nissisen mineraalikokoelma Mineraalinäyttelyn tekstejä Mineraalit Maapallo rakentuu kuoresta, vaipasta ja ytimestä. Kuori ja vaipan yläosa muodostavat yhdessä erilaisista kivilajeista koostuvan kivikehän. Sen paksuus on 70-300 km. Kivilajit Kivilajit ovat mineraalien seoksia. Tavallisesti kivilajit koostuvat noin 3-6 eri mineraalista. Esimerkiksi graniitin päämineraaleja ovat kvartsi, maasälpä ja kiille. Joskus vain yksi mineraali voi muodostaa kivilajin. Tällainen on esimerkiksi kvartsiitti. Mineraalit Mineraalit ovat kivilajien rakenneosia. Ne koostuvat atomeista ja molekyyleistä, jotka ovat järjestyneet säännölliseksi kolmiuloitteiseksi rakenteeksi. Rakenne on jokaiselle mineraalilajille ominainen ja kuvastuu yksilöllisenä kidemuotona. Mineraaleja tunnetaan noin 3700, mutta vain kymmenkunta on merkittäviä kivilajien muodostajia. Mineraalien synty Aineen suuri kiertokulku Maapallon pintaosa muuttuu jatkuvasti. Vuoristot kuluvat ja tasoittuvat. Niiden aines kulkeutuu kohti merta. Merestä kohoaa uusia vuoristoja, jotka taas aikoinaan tasoittuvat. Vuoristojen synty liittyy kivikehän laattojen liikkeisiin ja törmäyksiin, tasoittuminen maapallon vesi- ja ilmakehän ilmiöiden ja painovoiman yhteisvaikutukseen. Tapahtumaketju, jonka aikamittakaava on satoja miljoonia vuosia, kierrättää maan pintaosan ainesta. Ilmiöstä käytetään nimitystä aineen suuri kiertokulku. Kaikki siihen liittyvät prosessit ovat jatkuvasti käynnissä. Aineen suuresta kiertokulusta voidaan erottaa kolme mineraalien ja kivilajien synty-ympäristöä. Ne ovat kivisulan kiteytyminen (1), maan pinnalla etenevä rapautuminen ja kerrostuminen (2), sekä kivilajien hidas muuttuminen korkean paineen ja/tai lämpötilan vaikutuksesta (3). Seuraavassa kiertokulun vaiheita käsitellään mineraalien synnyn näkökulmasta. 1) Kivisulan kiteytyminen Kivisulan eli magman jäähtyessä se kiteytyy mineraaleiksi. Lämpötilan laskiessa kukin mineraalilaji kiteytyy vuorollaan sille ominaisessa lämpötilassa. Kiteytymisen edetessä muu osa magmasta säilyy
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 2 (8) sulassa tilassa. Lopulta kaikki magman ainekset on kulutettu ja on syntynyt monista mineraalilajeista koostuvia kivilajeja. Varhain, siis korkeassa lämpötilassa kiteytyvät mineraalilajit saavat helpoimmin esille oman kidemuotonsa, sillä ympäristö ei rajoita niiden kasvua. Alhaisessa lämpötilassa kiteytyvillä mineraaleilla kidemuoto ei pääse kehittymään. Ne täyttävät aiemmin kiteytyneiden rakeiden rajaamia tiloja. Magman jäähtymisnopeus vaikuttaa rakeiden kokoon. Mitä hitaammin kivisula jäähtyy, sitä suuremmiksi mineraalikiteet ehtivät kasvaa. Maan pinnalle purkautuva laava jähmettyy nopeasti. Laavakivien mineraalirakeet erottuvat joskus vasta suurennuslasin avulla. Maan pinnalle purkautuva laava jähmettyy nopeasti ja mineraalirakeet jäävät pieniksi. Syvällä kiteytyvät magmakivet, esimerkiksi graniitit, ovat karkearakeisia kivilajeja. Yksittäiset mineraalirakeet erottuvat helposti kiven pinnalta. 2) Rapautuminen ja kerrostuminen Maan pinnalla kova kallioperä altistuu rapautumiselle. Kemiallisessa rapautumisessa vesi ja siihen liuenneet aineet vaikuttavat kiveen. Mineraalien koostumus muuttuu ja syntyy savimineraaleja. Maasälvän rapautuessa syntyvä kaoliniitti on tyypillinen savimineraali.. Rapautumien yhteydessä mineraalien aineosia liukenee veteen. Ne kulkeutuvat vesiliuoksessa ja saostuvat toisaalle muodostaen uusia mineraalilajeja. Näin syntyy esimerkiksi karbonaattiryhmän mineraaleja, limoniittia, kvartsia ja kalsedonia. Tippukiviluolien rakenteet ja onkaloiden sisäpintoja peittävät kidesikeröt ovat syntyneet vesiliuoksista hitaan saostumisen tuloksena. Suolaisten vesien haihtuessa syntyy kipsiä ja haliittia eli vuorisuolaa. Onkaloiden kiteet kasvavat hitaasti vapaaseen tilaan. 3) Muuttuminen eli metamorfoosi Maankuoren liikunnoissa kivilajit voivat joutua olosuhteisiin, joissa paine ja lämpötila kohoavat. Seurauksena kiven mineraalit kiteytyvät uudelleen ja myös mineraalikoostumus voi muuttua. Muutokset tapahtuvat kiinteässä tilassa kiviaineksen sulamatta. Syntyvät mineraalit kertovat niistä olosuhteista, joissa kivi on muuttunut. Esimerkiksi kolmen metamorfisen mineraalin, andalusiitin, kyaniitin ja sillimaniitin kemiallinen koostumus on sama. Paine ja lämpötila ratkaisevat sen, miksi Al 2 O(SiO 4 ) muutosprosessissa kiteytyy. Kiteet
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 3 (8) Kiteessä atomit ovat järjestyneet säännönmukaiseksi rakenteeksi, joka kuvastuu ulkoisesti kiteen tasaisina pintoina. Kiteen perusyksikkö on alkeiskoppi. Se on pienin mahdollinen samansuuntaisten sivujen rajaama kolmiulotteinen osa kidehilaa. Alkeiskoppia pitkittäin, poikittain ja päällekkäin latomalla voidaan rakentaa koko kide. Kiteet voidaan jakaa symmetriaominaisuuksien mukaan seitsemään luokkaan eli kidejärjestelmään. Jokaista luokkaa vastaa alkeiskoppimalli, jota monistamalla kyseisen kidejärjestelmän kiteet voidaan rakentaa. Akseliristikot kertovat alkeiskoppien pintojen keskinäisistä suhteista ja kulmista. Kidejärjestelmä antaa puitteet kiteen muodolle. Kiteytymisolosuhteet määräävät, mitkä pintamuodot voivat kulloinkin kehittyä, eli millainen kidemuoto mineraaleille niissä olosuhteissa muodostuu. Onteloihin kiteytyvät mineraalit voivat saavuttaa lähes täydellisen kidemuodon. Kiteen ulkomuoto voi poiketa paljonkin alkeiskopin muodosta Edullisissa olosuhteissa jokainen mineraalilaji kiteytyy sille ominaiseen kidemuotoon, jonka geometrian määrää kidehilan alkeiskoppi ja sen symmetriaominaisuudet. Haliitin kahdeksan massapisteen (atomin) rajaaman alkeiskopin muoto kuvastuu suoraan kiteen muodoissa. Kullakin mineraalilajilla on sille luonteenomainen kidemuoto, joka poikkeaa muiden mineraalien vastaavasta. Tästä johtuen kidemuoto on mineraalin tärkeä tuntomerkki. Kidejärjestelmät 1. Kuutiollinen kidejärjestelmä Kolme kideakselia, jotka ovat kaikki yhtä pitkiä ja kohtisuorassa toisiaan vasten. 2. Tetragoninen kidejärjestelmä Kolme toisiaan vastaan kohtisuorassa olevaa akselia, joista kaksi on keskenään yhtä pitkiä. 3. Heksagoninen kidejärjestelmä Akseliristikko on kuten trigonisella kiteellä, mutta yksinkertaisen heksagonisen kiteen poikkileikkaus on kuusikulmio. 5. Rombinen kidejärjestelmä Kolme eripituista akselia ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. 6. Monokliininen kidejärjestelmä Kolme eripituista akselia, joista kaksi leikkaa toisensa vinosti ja kolmas on kohtisuorassa niiden tasoa vastaan. 7. Trikliininen kidejärjestelmä Kolme eri pituista akselia, jotka leikkaavat toisiaan vinosti. Esimerkkejä Mineraalien tunnistus ja luokittelu
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 4 (8) Mineraalien tunnistuksessa arvioidaan mm. näytteen ulkoasua, lohkeavuutta, kovuutta, kiiltoa ja jauheen väriä. Lisäksi useilla mineraaleilla on erityisominaisuuksia, jotka auttavat tunnistuksessa. Tällaisia ovat esimerkiksi magneettisuus ja radioaktiivisuus. Kivilajin mineraalikoostumus voidaan määrittää tarkasti polarisaatiomikroskoopin avulla. Noin 0,03 millimetrin paksuisen kivileikkeen läpi johdettu polarisoitu valo käyttäytyy kunkin mineraalilajin hilassa sen optisten ominaisuuksien määräämällä yksilöllisellä tavalla. Mineraaleja voidaan luokitella esimerkiksi kidekemiallisen rakenteen, koostumuksen, esiintymisympäristön tai synnyn perusteella. Maallikon näkökulmasta selkeä tapa on jakaa mineraalit yleisyyden ja käyttötarkoituksen mukaan neljään ryhmään, joita ovat kivimineraalit, malmimineraalit, teollisuusmineraalit ja jalokivet. Kivimineraalit Kivilajien päämineraaleina esiintyviä mineraalilajeja kutsutaan kivimineraaleiksi. Maankuoren tilavuudesta noin 70% koostuu plagioklaasista, kvartsista ja kalimaasälvästä. Amfibolit, pyrokseenit ja kiilteet mukaanlukien osuus kohoaa yli 90 prosenttiin. Spektroliitti on maankuoren yleisimmän mineraalin, plagioklaasin, harvinainen muunnos. Malmimineraalit Malmimineraalit ovat mineraaleja, joilla on merkitystä metallien tuotannon kannalta. Suomen kannalta tärkeitä malmimineraaleja ovat pentlandiitti, kromiitti, kuparikiisu ja sinkkivälke. Niistä rikastetaan nikkeliä, kromia, kuparia ja sinkkiä. Kultamalmien kulta on usein metallisessa muodossa. Teollisuusmineraalit Teollisuusmineraaleiksi sanotaan mineraaleja, joita itseään joko sellaisenaan tai sopivan käsittelyn jälkeen voidaan käyttää hyväksi. Kalsiitista tehdään esimerkiksi sementtiä, apatiitista lannoitteita ja talkki on arvokas lisäaine monissa teollisuuden tuotteissa. Jalokivet Poikkeuksellisen harvinaisia, kovia ja kauniita mineraaleja kutsutaan jalokiviksi. Eräistä maamme pegmatiiteista on tavattu satunnaisesti jalokiviluokan kordieriittiä, berylliä, turmaliinia ja topaasia. Myös Suomesta löydettyjä timantteja on käytetty korujen raaka-aineena. Kidekemiallinen mineraaliluokitus Luontokokoelma Kiepissä Viljo Nissisen kokoelmassa mineraalit on luokiteltu laajalti käytetyn tavan mukaisesti kiderakenteen ja kemiallisen koostumuksen perusteella. Tärkein ryhmä on silikaatit. Ne
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 5 (8) muodostavat maankuoresta noin 90-95%. Sulfidit ovat metallin ja rikin yhdisteitä, oksidit metallin ja hapen yhdisteitä. Muita ryhmiä ovat esimerkiksi hydroksidit, karbonaatit, fosfaatit ja halogenidit. Oman luokkansa muodostavat luonnossa vapaana esiintyvät alkuaineet, kuten esimerkiksi kulta. I) Alkuaineet Luonnon rakenneosia, joita ei voida kemiallisesti jakaa yksinkertaisempiin aineisiin. Luonnossa esiintyy puhtaana noin 20 alkuainetta. Esim: Kulta Hopea Kupari Grafiitti Timantti Rikki Alkuaineryhmään kuuluvat myös: * Lejeeringit eli metalliseokset * Karbidit * Nitridit * Fosfidit II) Sulfidiryhmä Metalli + rikki (S) = sulfidi Ulkoisten ominaisuuksien perusteella kiisut, hohteet, välkkeet. Monet tärkeitä malmimineraaleja Esim: Rikkikiisu Magneettikiisu Kuparikiisu Arseenikiisu Sinkkivälke Lyijyhohde Molybdeenihohde Sulfidiryhmään kuuluvat myös selenidit, telluridit, arsenidit, antimonidit, vismuntidit IV) Halogenidiryhmä
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 6 (8) Metalli + halogeeni = halogenidi (fluori= F-, kloori= Cl-, bromi=br-, jodi=i-, astatiini=at-) Esim: Haliitti (Vuorisuola) Fluoriitti III) Oksidiryhmä IIIa) Oksidit Metalli + happi(o2) = Oksidi Esim: Hematiitti Magnetiitti Kromiitti Limoniitti Kvartsi IIIb) Hydroksidit Metalli + hydroksyyliryhmät (OH-) Esim: Limoniitti V) Karbonaattiryhmä Metalli + CO2-3 = Karbonaatti (Siis hiilihapon yhdisteitä/suoloja) Esim: Kalsiitti, Dolomiitti, Magnesiitti, Sideriitti Karbonaattiryhmään kuuluvat myös nitraatit ja boraatit: NITRAATIT Metalli + NO3 =Nitraatti (Siis typpihapon yhdisteitä/suoloja) BORAATIT Metalli + BO3 = Boraatti (Siis boorihapon yhdisteitä/suoloja)
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 7 (8) (Karbonaattiryhmän mineraalit ovat yleisiä alunperin meriympäristössä syntyneissä kivissä) VI) Sulfaattiryhmä Metalli + SO2-4 = Sulfaatti (Siis rikkihapon yhdisteitä/suoloja) Esim: Kipsi Sulfaattiryhmään kuuluvat myös telluraatit, kromaatit, molybdaatit ja wolframaatit: Wolframaatit Metalli + WO4 = Wolframaatti (Siis wolframihapon yhdisteitä/suoloja) Esim: Scheeliitti (Sulfaatteja syntyy usein suolaisen meriveden haihtumisprosessin yhteydessä. Niitä esiintyy myös hydrotermisissä suonissa ja sulfidien hapettumisen tuloksena). VII) Fosfaattiryhmä Metalli + (PO2-4) = Fosfaatti (Siis fosforihapon yhdisteitä/suoloja) Esim: Apatiitti Fosfaattiryhmään kuuluvat myös: Arsenaatit Metalli + AsO3-4 Antimonaatit, Metalli + SbO3-4 Vanadaatit: Metalli + VO3-4 VIII) Silikaatit Kaikista mineraalilajeista noin kolmannes on silikaatteja. Silikaatit rakentuvat yhden piiatomin ja neljän happiatomin muodostamista tetraedreistä, jotka liittyvät toisiinsa metalliatomien välityksellä. Kidekemiallisten eroavuuksien perusteella erotetaan toisistaan jalo-, ketju-, nauha-, verkko- ja hohkasilikaatit.
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS [ASIAKIRJAN NIMI] 8 (8) Piihappitetraedrit ovat silikaattien rakennuspalikoita. Suljettu muoto Laajennettu muoto Tetraedri