Przeczytaj
Wnętrze Ziemi
Geologia bada budowę Ziemi, jej skład i procesy zachodzące w jej wnętrzu i na powierzchni. W jej obrębie wyróżnia się m.in. geologię dynamiczną i geologię historyczną. Pierwsza z nich zajmuje się badaniem wspomnianych wyżej procesów, druga zaś – odtwarzaniem dziejów geologicznych naszej planety. Oba te zagadnienia zostały opisane w e‑materiałach: „Procesy endogeniczne – zagadnienia z geologii historycznejProcesy endogeniczne – zagadnienia z geologii historycznej” i „Procesy egzogeniczneProcesy egzogeniczne”.
Źródła wiedzy na temat budowy wnętrza Ziemi
Ze względu na wysoką temperaturę i ciśnienie panujące we wnętrzu Ziemi, wciąż nie jest możliwe jego dokładne poznanie. Dlatego też za pomocą metod bezpośrednich bada się jedynie warstwy przypowierzchniowe. Poznawanie cech głębszych warstw opiera się na badaniach geofizycznych, czyli za pomocą metod pośrednich.
Najgłębszy odwiert wykonano na Półwyspie Kolskim w Rosji (na głębokość 13 km), a najgłębsza kopalnia na świecie to kopalnia złota Mponeng w RPA (położona na głębokości 4,6 km).
Budowa wnętrza Ziemi
Wnętrze Ziemi nie jest jednorodne – tworzą je powłoki (warstwy, sfery, geosfery), które różnią się między sobą właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Na graniach tych powłok występują wąskie strefy przejściowe, czyli tzw. nieciągłości, na których odnotowuje się wyraźne zmiany w prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych.

Skorupa kontynentalna
rozciąga się tylko w obrębie lądów
kolejne warstwy (od góry): osadowa (w niektórych miejscach nie występuje), granitowa i bazaltowa miąższość: 35-40 km (pod młodymi górami nawet do 80 km) gęstość ok. 2,8 g/cm3, temperatura do 700°C złożona z bardzo starych skał, większość liczy więcej niż 1500 mln lat Skorupa oceaniczna
rozciąga się tylko w obrębie oceanów kolejne warstwy (od góry): osadowa (za wyjątkiem grzbietów śródoceanicznych) i bazaltowamiąższość: 7-12 kmgęstość ok. 3,3 g/cm3, temperatura do 200°Cjest młodsza - liczy sobie do ok. 200 mln lat - jest nieustannie tworzona w strefach spreadingu i przetapiana w strefach subdukcji Warstwa granitowa jest często nazywana Sial, ponieważ składa się głównie z krzemu (Si) i glinu (Al) przy udziale tlenu. Tworzą ją skały magmowe i metamorficzne o kwaśnym odczynie o właściwościach granitów, tj. granity, gnejsy i łupki krystaliczne. Natomiast warstwa bazaltowa jest często nazywana Sima, ponieważ składa się głównie z krzemu (Si) i magnezu (Mg) przy udziale tlenu. Tworzą ją skały magmowe o zasadowym lub obojętnym odczynie o właściwościach bazaltów, tj. gabra i bazalty. Można zatem powiedzieć, że skorupa ziemska zbudowana jest w przeważającej części z krzemianów. Wyróżnia się także strefy przejściowe w poziomie części skorupy ziemskiej: skorupę subkontynentalną (obejmującą m.in. łuki wyspowe) czy skorupę suboceaniczną (obejmującą m.in. morza marginalne). Mają one pośrednie właściwości. 1

Skład chemiczny wnętrza Ziemi
Skład chemiczny wnętrza Ziemi jest zróżnicowany w zależności od badanych warstw, ponieważ są one zbudowane z różnych rodzajów skał. Na poniższym wykresie – z uwagi na ograniczone możliwości badań – przedstawiono jedynie najbardziej prawdopodobne dane. Uwagę zwraca bardzo duży udział tlenu (większy niż w powietrzu atmosferycznym). Należy jednak pamiętać, że jest to tlen, który z reguły wchodzi w skład związków chemicznych, np. tlenków krzemu, żelaza, glinu, nie występuje zaś w stanie wolnym.
- żelazo; Udział procentowy: 25,46%
- tlen; Udział procentowy: 23,87%
- krzem; Udział procentowy: 11,97%
- magnez; Udział procentowy: 11,02%
- siarka; Udział procentowy: 23%
- pozostałe; Udział procentowy: 4,68%
Właściwości fizyczne wnętrza Ziemi
Głównym źródłem energii wnętrza Ziemi jest rozpad nietrwałych izotopówizotopów niektórych pierwiastków (Indeks górny 4040K, Indeks górny 238238U, Indeks górny 235235U i Indeks górny 232232Th), który na największą skalę zachodzi w jądrze i płaszczu.
Temperatura
Temperatura powietrza w jądrze Ziemi wynosi 5000‑6000°C, a w przypowierzchniowej warstwie jest bliska średniej rocznej temperaturze powietrza na danym obszarze (np. w Polsce ok. 7‑8°C). Właściwości termiczne wnętrza Ziemi opisuje się przez stopień geotermiczny i gradient geotermiczny.
Stopień geotermiczny Ziemi to liczba metrów, które trzeba pokonać w głąb skorupy ziemskiej, aby temperatura wzrosła o 1°C. Średnia wartość tego wskaźnika wynosi ok. 33 m, jednakże do głębokości ok. 20 km temperatura rośnie najszybciej, a poniżej głębokości 100 km wzrost temperatury jest zdecydowanie wolniejszy. Ma to szczególne znaczenie dla górników pracujących pod ziemią. Największy stopień geotermiczny występuje na obszarach starych tarcz i platform (rosyjski Półwysep Kolski – do 165 m głębokości, okolice Johannesburga w Republice Południowej Afryki – 117 m, Krzywy Róg na Ukrainie – 112,5 m). Najniższy stopień notuje się w obrębie młodych górotworów, na obszarach sejsmicznych, gdzie płytko zalega ruchliwa magma. Niedaleko Florencji stopień geotermiczny wynosi 1,5 m, na greckim Santorynie – 7 m, a na Islandii – 10 m. W Polsce wynosi średnio ok. 47,2 m.
Gradient geotermiczny to liczba stopni Celsjusza, o którą następuje wzrost temperatury wnętrza Ziemi co 1 km głębokości. Jest on związany ściśle ze stopniem geotermicznym. Średnia wartość tego wskaźnika wynosi ok. 30°C/km. Na Islandii wynosi on ok. 100°C/km, w Afryce Południowej ok. 8,3°C/km, a w Polsce – ok. 21,2°C/km.

Oblicz średnią temperaturę wnętrza Ziemi na świecie na głębokości 660 m. Przyjmij, że średnia roczna temperatura powietrza wynosi 16°C

Ciśnienie i gęstość
Wraz z głębokością wzrasta także ciśnienie i gęstość skał. Zbadano, że w obrębie skorupy ziemskiej wraz ze wzrostem głębokości ciśnienie rośnie przeciętnie o ok. jedną atmosferę na 3,7 m.

Tworzywo litosfery
Litosfera ma złożoną budowę. Niewidzialną, podstawową cząstką materii jest atom. Atomy tego samego rodzaju tworzą pierwiastki chemiczne, które w litosferze występują bardzo rzadko, gdyż reagują z innymi pierwiastkami, tworząc związki chemiczne. Te pierwiastki i związki chemiczne, które są kryształami (odznaczają się uporządkowaną budową wewnętrzną), nazywamy minerałami. Natomiast skupisko minerałów to skała.
Minerały
Minerał to naturalny, podstawowy i najmniejszy – z geologicznego punktu widzenia – składnik skorupy ziemskiej o charakterystycznym składzie chemicznym i swoistych właściwościach fizycznych. Obecnie rozpoznanych jest ok. 5 tysięcy minerałów. Ich badaniem zajmuje się mineralogia.
Cechy minerałów
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0, oprac. na podstawie J. Bauer, Przewodnik: skały i minerały, Multico, Warszawa 1995., Stan skupienia Z reguły występują w stanie stałym., Skład chemiczny Podział minerałów ze względu na skład chemiczny – minerałami mogą być:
- pierwiastki chemiczne (złoto rodzime, srebro rodzime, platyna rodzima, miedź rodzima, siarka rodzima, rtęć rodzima, diament),
- związki chemiczne, np.: tlenki (kwarc czy korund), chlorki (halit), węglany (kalcyt, malachit czy dolomit), krzemiany (granaty czy pirokseny), glinokrzemiany (amfibole, skalenie czy miki),
- jednorodne mieszaniny pierwiastków lub związków chemicznych; ich jednorodność chemiczna oznacza niezmienny skład chemiczny w każdym punkcie.
Podział minerałów ze względu na stopień podobieństwa:
- izomorficzne – mają taką samą budowę krystaliczną i cechy fizyczne, ale inny skład chemiczny, np. kalcyt (CaCO³) i syderyt (FeCO³),
- polimorficzne – mają taki sam skład chemiczny, ale inną budowę krystaliczną i cechy fizyczne, np. odmiany alotropowe węgla – grafit i diament.
- twardość Opór, jaki stawia dany minerał przy próbie zarysowania go innym minerałem – określa się go za pomocą 10-stopniowej skali Mohsa; im wyższy stopień, tym większa twardość. Tabela składa się z czterech kolumn i jedenastu wierszy. Dotyczy ona twardości, która może być wyrażana w stopniach w skali Mohsa od jednego do dziesięciu. Przedstawiono w niej minerały wraz z ich wzorami chemicznymi oraz przykładami materiałów z życia codziennego umożliwiającymi zarysowanie tychże minerałów. Tytuły kolumn od lewej strony: "stopień", "minerał wzorcowy", "wzór chemiczny", "przykłady materiałów z życiach codziennego". Stopnie uszeregowane są od jednego do dziesięciu, licząc od drugiego do jedenastego wiersza. Pierwszy stopień twardości charakteryzuje talk o wzorze chemicznym . W czwartej kolumnie nie podano przykładu. W kolejnym wierszu znajduje się posiadający drugi stopnień gips o wzorze chemicznym . Przykładami materiałów z życia codziennego umożliwiającymi zarysowanie gipsu są paznokieć oraz aluminium (o stopniu dwa przecinek pięć). Dalej przedstawiono kalcyt o trzecim stopniu w skali o wzorze . Przykładem z życia codziennego materiału pozwalającego na zarysowanie kalcytu jest czysta miedź (o stopniu twardości 3,0 do 3,5), na przykład drut. Kolejno pokazano fluoryt o czwartym stopniu twardości i wzorze . Fluoryt może być zarysowany, na przykład przez żelazny gwóźdź o stopniu twardości wynoszącym od czterech do pięciu. W następnym wierszu znajduje się charakteryzujący się piątym stopniem w skali twardości apatyt o wzorze , który może być zarysowany przez szkoło lub stal o stopniu twardości wynoszącym od pięciu do sześciu. Dalej przedstawiono otoklaz o szóstym stopniu w skali i wzorze chemicznym , który może być zarysowany na przykład przez stal narzędziową (o stopniu w skali Mohsa równym sześć i pół). W kolejnym wierszu tabeli znajduje się kwarc o stopniu twardości równym siedem i wzorze . Nie podano przykładu w czwartej kolumnie. Dalej przedstawiono topaz o ósmym stopniu twardości i wzorze chemicznym . Nie podano przykładu w czwartej kolumnie. W następnym wierszu znajduje się charakteryzujący się dziewiątym stopniem w skali twardości Mohsa korund o wzorze chemicznym . Również nie podano przykładu dla korundu w czwartej kolumnie. Ostatni w wierszu znajduje się diament o dziesiątym stopniu w skali twardości i wzorze chemicznym C, dla którego nie podano przykładu, ponieważ diament można zarysować jedynie drugim diamentem.Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.,
- barwa
- minerały bezbarwne, np. korund w stanie czystym,
- minerały zabarwione – gdy rysa (sproszkowany materiał po zarysowaniu minerału) jest biała; zabarwienie zależy od domieszek, np. rubin (korund czerwony), szafir (korund niebieski),
- minerały barwne – gdy rysa jest barwna, np. piryt, malachit.
- przezroczystość Jest to przepuszczalność światła przez dany minerał:
- minerały przezroczyste,
- minerały półprzezroczyste,
- minerały nieprzezroczyste.
- połysk Jest to sposób odbijania światła:
- połysk tłusty,
- połysk szklisty,
- połysk perłowy,
- połysk metaliczny,
- połysk diamentowy,
- połysk matowy.
- łupliwość Jest to łatwe pękanie minerałów wzdłuż ich płaszczyzn (płaszczyzn łupliwości):
- łupliwość doskonała,
- łupliwość dokładna,
- łupliwość niewyraźna.
- przełam Jest to brak łupliwości minerału, który pęka wzdłuż nierównych powierzchni, np.:
- przełam muszlowy,
- przełam haczykowaty,
- przełam włóknisty.
- kształt i wielkość kryształów
- minerały mogą występować w postaci słupków, pręcików czy igieł,
- minerały mogą mieć różną wielkość – od kilkumetrowej aż po mikroskopijną.
- inne. Niektóre minerały można rozpoznać dzięki innym ich charakterystycznym cechom, np. dzięki magnetyzmowi, przewodnictwu elektrycznemu, radioaktywności, gęstości (z reguły 2,5–3,5 g/cm³), kruchości, sprężystości czy smakowi.
- barwa
Grafit i diament są minerałami, które są utworzone z takich samych, lecz w różny sposób ułożonych atomów węgla. Diamenty mają bardzo dużą twardość i odznaczają się rzadkością występowania. Powstają w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury powietrza. Występują m.in. w kimberlitach, czyli skałach wypełniających kominy wulkaniczne. Z uwagi na swoje właściwości znajdują zastosowanie w produkcji ostrzy pił, szlifierek i wierteł. Po oszlifowaniu stają się brylantami – najdroższymi kamieniami świata. Jeżeli chodzi zaś o grafit, to odznacza się on małą trwałością i znaczną kruchością. Jest wykorzystywany w produkcji ołówków i tygli do pieców, ponieważ jest odporny na ogień.

Gęstość to cecha minerałów, która pozwala m.in. odróżnić złoto rodzime od pirytu (tzw. złota głupców). Masa 1 cm³ pirytu jest prawie czterokrotnie mniejsza niż masa 1 cm³ złota rodzimego.
Minerały powszechnie oraz rzadko występujące w litosferze
Minerały skałotwórcze to minerały wchodzące w skład skał. Jest ich kilkadziesiąt. Występują powszechnie w skorupie ziemskiej.
Główne minerały skałotwórcze | Udział procentowy w skorupie ziemskiej |
---|---|
skalenie – glinokrzemiany sodu, wapnia i potasu; twarde, nie da się ich zarysować stalą, ale trudno nimi zarysować szkło, są barwy białej, różowej i czerwonej | 55‑60 |
oliwiny, pirokseny i amfibole – krzemiany i glinokrzemiany magnezu, żelaza, wapnia, litu, sodu i inne | 17 |
kwarc – dwutlenek krzemu, najłatwiej go rozpoznać – brak łupliwości, tłusty połysk, wysoka twardość (nie da się zarysować gwoździami, a zarysowuje szkło), występuje w postaci nieregularnych, półprzezroczystych, szarych lub białych ziaren; jest najbardziej rozpowszechnionym minerałem, ma wiele odmian: agat, ametyst, awenturyn, chalcedon, cytryn, jaspis, karneol, kryształ górski, kwarc dymny, kwarc mleczny, kwarc różowy, onyks, opal, tygrysie oko | 12 |
miki (łyszczyki) – glinokrzemiany potasu, sodu, wapnia, glinu, magnezu, żelaza, manganu; bardzo niska twardość (2,5–3 w skali Mohsa), cienkie i blaszkowate ziarna, doskonała łupliwość wzdłuż powierzchni blaszek | 4 |
magnetyt i hematyt – tlenki żelaza; posiadają właściwości magnetyczne | 4 |
kalcyt – węglan wapnia; reaguje z HCl (Uwaga! Z kwasem tym reagują też siarczki, np. galena - PbS, lecz wydzielają cuchnący i toksyczny gaz), niewielka twardość (3 w skali Mohsa), szklisty połysk, doskonała łupliwość | 1‑2 |
gips – uwodniony (dwuwodny) siarczan wapnia; jego bardzo niska twardość (2 w skali Mohsa) umożliwia zarysowanie go nawet paznokciem halit – chlorek sodu; odznacza się słonym smakiem – to właśnie z niego składa się sól kamienna | < 1 |
Kamienie szlachetne to minerały bardzo cenione ze względu na rzadkość występowania oraz niezwykłe właściwości (dużą twardość, połysk i ciekawe zabarwienie), np. diament, beryl, szafir, szmaragd, akwamaryn, rubin, topaz. Mogą to być odmiany minerałów i mineraloidów, rzadziej skał. Kamienie ozdobne są również cenione ze względu na swoje ciekawe właściwości, co więcej są powszechniejsze niż kamienie szlachetne. Należą do nich m.in. agat, turkus, malachit, ametyst, granat czy opal.
Skały
Skały to skupiska minerałów powstałe pod ziemią lub na jej powierzchni w sposób naturalny. Nie są nimi zatem np. beton czy asfalt. Badaniem skał zajmuje się petrografia.

Cykl geologicznyCykl geologiczny (obieg skał w przyrodzie) – to procesy, które zachodzą w skorupie ziemskiej i powodują wielokrotne niszczenie i powstawanie skał. Ziemia jest wciąż geologicznie żywa.

Surowce mineralne (kopaliny użyteczne)
Surowce mineralne – są to skały i minerały, które można wydobyć, a następnie przetworzyć na wyroby służące do zaspokajania potrzeb człowieka lub dalszej produkcji. Występują w różnych stanach skupienia: jako ciała stałe (np. węgiel kamienny, rudyrudy żelaza, rudy cynku i ołowiu), jako ciecze (np. ropa naftowa i rtęć) oraz w postaci gazowej (np. gaz ziemny). Są to zasoby nieodnawialne.
Surowce mineralne dzielą się na: energetyczne, metalurgiczne, chemiczne i skalne. Ze względu na wielorakie zastosowanie niektóre z nich zaliczane są do więcej niż jednej grupy.

Pojęcia złoża używa się w kontekście nie tylko skał, ale również wód podziemnych.
Podział złóż
Ważnym kryterium podziału złóż jest ich bilansowość.
Złoża bilansowe – opłaca się je eksploatować w obecnych warunkach ekonomicznych.
Złoża pozabilansowe – w obecnych warunkach nie opłaca się ich eksploatować, lecz w przyszłości sytuacja ta może się zmienić.
Opłacalność wydobycia zależy m.in. od: wielkości zasobów, głębokości ich zalegania, warunków tektonicznych, zawartości czystego składnika, warunków wodnych, rodzaju struktury geologicznej, ceny surowca, popytu, kosztów transportu, kosztów eksploatacji, odległości od rynku zbytu, zasobów siły roboczej, infrastruktury technicznej, możliwości zagrożenia dla środowiska, możliwych konfliktów społecznych czy obecności obszarów chronionych.
Innym kryterium podziału złóż jest ich geneza. Podział ten obrazuje poniższa tabela.

Formy występowania złóż
Surowce mineralne występujące w stanie stałym przybierają różnorodne kształty.

Pułapki geologiczne
Ta forma dotyczy przede wszystkim węglowodorów – złóż ropy naftowej i gazu ziemnego, czyli surowców występujących w stanie ciekłym i lotnym. Występują przeważnie blisko siebie. Przemieszczają się one w kierunku powierzchni, dlatego miejsce ich powstania i wydobywania nie pokrywają się. Wypełniają przestrzenie porowe i inne wolne przestrzenie w litosferze, głównie w piaskowcach, wapieniach, dolomitach i piaskach (tzw. skałach kolektorowych). Ich ruch może być zatrzymany przez warstwę skał nieprzepuszczalnych. Powstające wówczas pułapki ropy naftowej i gazu ziemnego występują najczęściej w strefach: antyklinalnejantyklinalnej, przyuskokowejprzyuskokowej i w rejonie wysadu. Ich kształt zależy od wzajemnego ułożenia skały kolektorowej i nieprzepuszczalnej. Gaz ziemny, będąc lżejszym, znajduje się u góry, a ropa naftowa, jako substancja cięższa, znajduje się niżej. Jeżeli w danej pułapce występuje woda, to jest ona wówczas rozmieszczona najniżej, z uwagi na większą gęstość.

Metoda | Charakterystyka |
---|---|
odkrywkowa | - dotyczy złóż znajdujących się blisko powierzchni (do 100‑200 m): pokładowych, gniazdowych i soczewkowych - polega na usunięciu warstw skał płonnych (nieużytecznych, nadkładu) i wydobywaniu surowca warstwa po warstwie, - metoda ta jest najbardziej agresywną formą ingerencji w środowisko (potrzeba dużej przestrzeni na zwałowisko, problem z gęstą zabudową na powierzchni), lecz jest dosyć tania |
głębinowa | - dotyczy złóż znajdujących się głębiej pod powierzchnią (do 1,5 km) - pokładowych, soczewkowych, wysadowych i gniazdowych - polega na wydobywaniu surowców z wykorzystaniem szybów (wyrobisk o przebiegu pionowym) lub sztolni (wyrobisk poziomych) - zmienia środowisko znacznie mniej niż odkrywkowa |
podziemnej ekstrakcji (hydrauliczna) | - dotyczy złóż na różnej głębokości, gdzie panują trudne warunki geologiczne - polega na wywierceniu w powierzchni otworów i wpompowaniu przez nie substancji rozpuszczającej poszukiwany minerał, a następnie wypompowuje się uzyskany roztwór - sposób pozyskiwania soli kamiennej i rud miedzi |
otworowa | - dotyczy stosowania otworów wiertniczych, wydobywa się kopaliny ciekłe i gazowe (przede wszystkim węglowodory), początkowo wykorzystuje się ciśnienie złożowe, a następnie dokonuje się pompowania - odznacza się niskimi kosztami stosowania, można ją stosować w obrębie dna oceanicznego, nie zmienia bowiem ukształtowania terenu, ale wprowadza nowe elementy krajobrazu (wieże wiertnicze, rurociągi), a jej wpływ na środowisko ma charakter pośredni, związany głównie z wyciekami surowców |

Kopalnie odkrywkowe surowców skalnych mają swoje nazwy. Dla przykładu w kamieniołomach wydobywa się skały zwięzłe i lite, w żwirowniach – żwir, w piaskowniach – piasek. W wyniku zatopienia takich kopalni powstają sztuczne zbiorniki wodne, np. bagry (zatopione żwirownie i piaskownie) czy glinianki.

Słownik
wypukła część fałdu warstw skalnych
nieustający cykl obiegu skał na Ziemi, który polega na wietrzeniu, cementacji, przeobrażaniu, topnieniu, a także krzepnięciu skał; jest on efektem budowania i niszczenia skorupy ziemskiej przez siły natury; czas trwania tych procesów oblicza się w milionach lat; podczas tego cyklu dochodzi do tworzenia się skał osadowych, które pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia przeobrażają się w skały metamorficzne; następnie mogą znów zmienić się w skałę osadową lub stopić się i zasilić magmę; magma po wydostaniu się na powierzchnię krzepnie, tworząc skałę magmową; skała magmowa pod wpływem ciśnienia i temperatury może być przeobrażona w skałę metamorficzną lub poddana procesom niszczenia Indeks dolny Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Cykl_geologiczny Indeks dolny koniecŹródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Cykl_geologiczny
każdy z atomów tego samego pierwiastka chemicznego mających jednakową liczbę protonów, lecz różne liczby neutronów
morze między kontynentem a łukiem wysp
minerały zawierające związki metali, np. rudy żelaza (magnetyt, hematyt, limonit), miedzi (chalkozyn, chalkopiryt), ołowiu (galena, anglezyt), cynku (sfaleryt, galman), cyny (kasyteryt, stannin)
rozsuwanie się płyt litosfery
pionowe lub ukośne pęknięcie mas skalnych i przesunięcie się ich względem siebie; szczelina powstała wskutek tego przesunięcia