15Gesteenten en mineralen

Sam buigt zich met een loep over het aanrecht. De gepolijste steen, die van ver grijs lijkt, verandert in een menigte spikkels: roze, witte, glazig grijze en piepkleine zwarte die glanzen als het licht erop valt. Elke spikkel heeft vlakke, glimmende zijvlakken, en de spikkels passen in elkaar als de stukjes van een legpuzzel. Wat zijn het?

Wat je al weet

Gesteenten zijn het harde materiaal van de aardkorst: ze kunnen in stenen worden gebroken, door rivieren tot kiezels worden gerold en tot zand worden vermalen (Hoofdstuk 5). Water, ijs en wind slijten gesteenten af (verwering), voeren de stukken weg (erosie) en laten ze verderop vallen (afzetting) (Hoofdstuk 10). Bij een vulkaan komt gesmolten gesteente naar buiten als lava (Hoofdstuk 8).

15.1 Een gesteente bestaat uit mineralen

De spikkels van het aanrecht zijn mineralen, en de steen is een graniet.

Definitie 15.1 (Mineraal)

Een mineraal is een natuurlijke vaste stof, niet gemaakt door levende wezens, altijd met dezelfde samenstelling en met atomen die op een regelmatige manier geordend zijn. Een gesteente bestaat uit één mineraal of, vaker, uit verschillende mineralen die aan elkaar vastzitten.

Graniet bestaat vooral uit drie mineralen: veldspaat (roze of wit), kwarts (grijs en glazig) en mica (zwart of zilverachtig, in dunne glimmende schilfers). Andere gesteenten bestaan uit één enkel mineraal: kalksteen bijvoorbeeld bestaat bijna alleen uit calciet.

15.2 Kristallen

Onder de loep laten veel mineraalkorrels vlakke, glimmende zijvlakken en rechte randen zien. Waar een mineraal de ruimte heeft gehad om vrij te groeien, in een holte van het gesteente, vormt het een kristal: een vaste stof met een regelmatige vorm, begrensd door vlakke zijvlakken. Die vorm komt van de regelmatige ordening van zijn atomen, die in de scheikundeboeken wordt bestudeerd. Een kwartskristal bijvoorbeeld is een zuil met zes zijden die in een punt eindigt; een micakristal splijt in velletjes die dunner zijn dan papier.

In graniet groeiden de korrels tegen elkaar aan gedrukt, dus hebben ze geen mooie vorm: ze passen in elkaar als een legpuzzel. Hun grootte vertelt een verhaal. Graniet ontstaat diep onder de grond, waar gesmolten gesteente heel langzaam afkoelt: de korrels krijgen de tijd om groot genoeg te groeien om ze met het blote oog te zien. Gesmolten gesteente dat snel afkoelt aan het oppervlak, als lava, geeft gesteenten met korrels die te klein zijn om te zien.

15.3 De drie families van gesteenten

Geologen delen gesteenten in drie families in, niet naar hun kleur, maar naar de manier waarop ze zijn ontstaan.

Definitie 15.2 (De drie families van gesteenten)

Een stollingsgesteente ontstaat als gesmolten gesteente afkoelt en vast wordt: graniet diep onder de grond, basalt uit lava. Een afzettingsgesteente ontstaat aan het aardoppervlak uit korrels zand en slib, of uit de schelpen van levende wezens, die in lagen zijn neergelegd en daarna hard zijn geworden: zandsteen, schalie, kalksteen. Een metamorf gesteente is een gesteente dat zonder te smelten is omgevormd door warmte en druk diep onder de grond: marmer (uit kalksteen), leisteen (uit schalie).

De naam stollingsgesteente zegt het al: het is gestold uit een smelt. Afzettingsgesteenten laten vaak lagen zien, de een boven op de ander, zoals de bladzijden van een boek. Metamorfe gesteenten zijn vaak samengeperst en geplooid; sommige, zoals leisteen, splijten in vlakke platen.

Veel afzettingsgesteenten bestaan uit de korrels die je in Hoofdstuk 5 op grootte hebt gesorteerd: kiezels en grind, zand, slib. Als ze eenmaal begraven zijn, verliezen de korrels hun water en worden ze aan elkaar gekit door een natuurlijk cement. De grootte van de korrels geeft het gesteente zijn naam.

In het veld — De stenen van een stad lezen

Steden zijn verzamelingen gesteenten in de open lucht. Loop met een volwassene langs oude muren, trappen, beelden, kerkgevels en bestrating, en kijk goed, zonder iets te krassen of te breken. Sommige stoepranden en traptreden zijn van graniet: zoek het glazige kwarts en de glimmende mica. Veel oude muren en gevels zijn van kalksteen of zandsteen: zoek naar schelpen, of wrijf met een vingertop over een afgevallen kruimel zandsteen om het zand te voelen. Daken kunnen van leisteen zijn, gespleten in dunne platen. Noteer in een schrift waar elke steen zit, welke kleur hij heeft, hoe zijn korrels eruitzien en tot welke familie hij volgens jou hoort; een foto helpt om later te vergelijken met de tabel van dit hoofdstuk.

15.4 De kringloop van gesteenten

Gesteenten zijn niet eeuwig. Een granieten berg verweert langzaam; zijn korrels worden door rivieren naar de zee gevoerd en daar in lagen neergelegd; steeds dieper begraven worden de lagen hard en veranderen ze in zandsteen. Als het zandsteen nog dieper terechtkomt, vormen warmte en druk het om tot een metamorf gesteente; nog dieper kan het smelten, en het gesmolten gesteente vormt bij het afkoelen een nieuw stollingsgesteente. Beetje bij beetje, in miljoenen jaren, gaat het materiaal van de gesteenten steeds weer rond.

Definitie 15.3 (Kringloop van gesteenten)

De kringloop van gesteenten is de eindeloze reis waarbij gesteenten van elke familie langzaam veranderen in gesteenten van de andere families: door verwering en erosie aan het oppervlak, door begraving en verharding, door warmte en druk, door smelten en afkoelen.

15.5 Gewone gesteenten herkennen

Hier zijn zeven gesteenten die je vaak tegenkomt in gebouwen, bestrating en landschappen.

Veiligheid

De zuurtest wordt alleen door een volwassene gedaan, met een veiligheidsbril en handschoenen, met een heel verdund zuur. Proef nooit aan een steen of een poeder, en breek nooit stenen met gereedschap: kijken door een loep vertelt al heel veel.

Een determineertabel is een lijst vragen, elk met twee antwoorden, die je stap voor stap naar de naam van een gesteente leidt.

Hardheid. Nog één aanwijzing helpt om een mineraal te herkennen: hoe makkelijk het te krassen is.

Definitie 15.4 (Hardheid en de schaal van Mohs)

De hardheid van een mineraal is hoe goed het weerstand biedt tegen krassen: een mineraal krast elk zachter mineraal en wordt gekrast door elk harder mineraal. De schaal van Mohs rangschikt de hardheid van 1 tot 10 met tien referentiemineralen, van talk (1), het zachtste, tot diamant (10), het hardste.

Methode 15.5 (De krastest)

1. Probeer het mineraal te krassen met je vingernagel, daarna met een koperen munt. (Glas en staal worden alleen door een volwassene gebruikt.)
2. Wrijf met een vinger over het spoor: een echte kras blijft, een spoortje poeder van het testvoorwerp veeg je weg.
3. De hardheid ligt tussen die van het hardste testvoorwerp dat het niet krast en die van het zachtste testvoorwerp dat het wel krast.

Voorbeeld 15.6 (Kwarts of calciet?)

Twee witte mineralen lijken op elkaar. Het eerste wordt gekrast door een koperen munt: de hardheid is kleiner dan 3.5; het is calciet (3). Het tweede wordt niet gekrast door een stalen spijker en krast glas: de hardheid is groter dan 6.5; van de referentiemineralen is het kwarts (7).

15.6 Oefeningen

Oefening 15.1 ★

Tot welke familie hoort elk gesteente: graniet, zandsteen, marmer, basalt, kalksteen, leisteen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.1.

Graniet: stollingsgesteente. Zandsteen: afzettingsgesteente. Marmer: metamorf. Basalt: stollingsgesteente. Kalksteen: afzettingsgesteente. Leisteen: metamorf.

Oefening 15.2 ★

Is kwarts een mineraal of een gesteente? En graniet? Leg het verschil uit in één zin.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.2.

Kwarts is een mineraal; graniet is een gesteente. Een mineraal is één natuurlijke stof met atomen die regelmatig geordend zijn; een gesteente bestaat uit één of meer mineralen die aan elkaar vastzitten (graniet: veldspaat, kwarts en mica).

Oefening 15.3 ★

Zet deze mineralen op volgorde, van het zachtste tot het hardste: kwarts, talk, diamant, calciet. Welk ervan kan alle andere krassen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.3.

Talk (1), calciet (3), kwarts (7), diamant (10). Diamant, het hardste, krast alle andere.

Oefening 15.4 ★

Neem over en vul aan met de woorden afkoelen, warmte en druk, verwering: “Gesmolten gesteente wordt een stollingsgesteente door … Een kalksteen wordt een marmer door … Een graniet valt uiteen in zandkorrels door …”

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.4.

“Gesmolten gesteente wordt een stollingsgesteente door afkoelen. Een kalksteen wordt een marmer door warmte en druk. Een graniet valt uiteen in zandkorrels door verwering.”

Oefening 15.5 ★★

Gebruik de determineertabel. (a) Een gesteente bruist niet onder zuur; het is donker, met korrels die te klein zijn om te zien en kleine ronde gaatjes. (b) Een gesteente bruist onder zuur en bestaat uit glimmende kristallen die schitteren als suiker. (c) Een gesteente bruist niet; het is ruw als schuurpapier. Noem elk gesteente.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.5.

(a) Basalt. (b) Marmer. (c) Zandsteen.

Oefening 15.6 ★★

Een mineraal wordt gekrast door een koperen munt, maar niet door een vingernagel. Tussen welke twee hardheden ligt het? Welk referentiemineraal van de schaal van Mohs zou het kunnen zijn?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.6.

De hardheid is groter dan die van een vingernagel (ongeveer 2.5) en kleiner dan die van een koperen munt (ongeveer 3.5). Het zou calciet (3) kunnen zijn.

Oefening 15.7 ★★

In de tekening van graniet in dit hoofdstuk staan 60 korrels: 33 van veldspaat, 21 van kwarts en 6 van mica. Welk percentage van de korrels is kwarts? Veldspaat? Mica? Controleer dat de drie percentages samen 100 % zijn.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.7.

Kwarts: $21 \div 60 = 0.35$, dat is 35 %. Veldspaat: $33 \div 60 = 0.55$, dat is 55 %. Mica: $6 \div 60 = 0.10$, dat is 10 %. Controle: $35 + 55 + 10 = 100$.

Oefening 15.8 ★★

Graniet en basalt zijn allebei stollingsgesteenten. Waarom kunnen we de korrels van graniet met het blote oog zien, maar die van basalt niet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.8.

Graniet koelt heel langzaam af, diep onder de grond: de korrels hebben veel tijd om te groeien en worden groot. Basalt komt uit lava, die snel afkoelt aan het oppervlak: de korrels hebben geen tijd om te groeien en blijven te klein om te zien.

Oefening 15.9 ★★

Marmer ontstaat uit kalksteen. (a) Tot welke familie hoort elk van beide? (b) Wat is er met de kalksteen gebeurd om hem in marmer te veranderen? (c) Waarom bruisen ze allebei onder zuur?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.9.

(a) Kalksteen is een afzettingsgesteente; marmer is metamorf. (b) Diep onder de grond hebben warmte en druk de kalksteen omgevormd zonder hem te laten smelten: het calciet groeide uit tot glimmende kristallen die in elkaar passen. (c) Allebei bestaan ze uit hetzelfde mineraal, calciet, en het is calciet dat bruist onder zuur.

Oefening 15.10 ★★

Gebruik de schaal van Mohs: (a) kan kwarts een glazen fles krassen? (b) Kan fluoriet dat? (c) Kan een stalen spijker veldspaat krassen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.10.

(a) Ja: kwarts (7) is harder dan glas (ongeveer 5.5). (b) Nee: fluoriet (4) is zachter dan glas. (c) Ja: een stalen spijker (ongeveer 6.5) is harder dan veldspaat (6).

Oefening 15.11 ★★★

Vertel de reis van een kwartskorrel, in vijf stappen, van een granieten berg tot een metamorf gesteente. Noem bij elke stap het proces, en de familie van het gesteente aan het begin en aan het eind.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.11.

Bijvoorbeeld: (1) het graniet van de berg (stollingsgesteente) valt uiteen door verwering, en de kwartskorrels komen vrij; (2) een rivier voert ze weg: erosie; (3) de korrels worden in lagen op de bodem van de zee neergelegd: afzetting; (4) begraven onder andere lagen worden ze samengeperst en gekit tot een zandsteen: verharding (het gesteente is nu een afzettingsgesteente); (5) diep onder de grond terechtgekomen wordt het zandsteen door warmte en druk omgevormd tot een metamorf gesteente.

Oefening 15.12 ★★★

Een grijs glazig mineraal wordt niet gekrast door een stalen spijker, krast glas, en wordt gekrast door topaas. (a) Wat is de hardheid op de schaal van Mohs? Noem het mineraal. (b) Zandkorrels worden jarenlang door golven en rivieren gerold. Leg met de hardheid uit waarom korrels van dit mineraal veel langer meegaan dan korrels van calciet of mica.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.12.

(a) Niet gekrast door staal (ongeveer 6.5) en in staat glas te krassen: harder dan 6.5. Gekrast door topaas (8): zachter dan 8. De hardheid is 7: het is kwarts. (b) Kwarts is harder dan bijna alles wat ertegen wrijft (andere korrels, kiezels): het slijt nauwelijks af. Calciet (3) en mica (2 tot 3) zijn veel zachter: door het wrijven worden ze vermalen tot piepkleine stukjes die worden weggevoerd.

15.7 Probleem: De stenen van het stadsplein

Probleem 15.1

Weekendprobleem — de gesteenten van een stadsplein, het hardste mineraal ertussen, en hoeveel families van gesteenten er zijn

Op een schoolreisje bekijkt de klas de stenen van het oude stadsplein (alleen kijken: niemand breekt of krast de monumenten). De leraar heeft losse stukken van dezelfde stenen meegenomen van de werkplaats van de steenhouwer, voor de hardheidstests.

De fontein: het bekken laat grote korrels zien, roze, wit, grijs en glazig, en zwart en glimmend. De bestrating: lichte platen waarin je kleine fossiele schelpen ziet; een druppel verdund zuur, die de leraar op een los stuk doet, bruist. Het dak van het stadhuis: dunne, vlakke, grijze platen van een heel fijnkorrelige steen. Het beeld: een witte steen van glimmende kristallen die schitteren als suiker; hij bruist ook.

Deel I — De fontein, de bestrating, het dak.

1. Noem het gesteente van de fontein en zijn familie. Noem de drie mineralen ervan.
2. Noem het gesteente van de bestrating en zijn familie. Wat waren de schelpen voordat ze in de steen zaten?
3. Noem het gesteente van het dak en zijn familie. Uit welk gesteente is het ontstaan?
4. Noem het gesteente van het beeld en zijn familie. Uit welk gesteente is het ontstaan?

Deel II — Een hardheidstest.

5. De leraar probeert een grijze glazige korrel van de fontein te krassen met een stalen spijker: geen kras. De korrel krast glas. Welk mineraal is dit, en wat is de hardheid?
6. De roze korrels worden gekrast door de stalen spijker, maar niet door glas. Tussen welke twee waarden ligt hun hardheid? Welk mineraal van de schaal van Mohs is het?
7. De zwarte schilfers kunnen net met een vingernagel gekrast worden. Welk mineraal is het?
8. Kan een koperen munt de bestrating krassen? Leg uit met de hardheid van calciet.

Deel III — De kringloop van gesteenten.

9. Na eeuwen regen heeft het beeld zijn fijne details verloren. Welk proces van de kringloop van gesteenten is aan het werk?
10. Het graniet van de fontein kwam uit een berg. Wat zou er in miljoenen jaren van de kwartskorrels van die berg kunnen worden, en in welk gesteente zouden ze terecht kunnen komen?
11. Hoeveel van de drie families van gesteenten zijn er op het plein? Noem het gesteente of de gesteenten van elke familie.
12. Wat is de hardheid op de schaal van Mohs van het hardste mineraal in de stenen van het plein?

Oplossing

Oplossing van Probleem 15.1.

1. Graniet, een stollingsgesteente; de mineralen zijn veldspaat (roze of wit), kwarts (grijs, glazig) en mica (zwart, glimmend).

2. Kalksteen, een afzettingsgesteente. De schelpen waren van dieren die in de zee leefden; hun resten werden neergelegd en verhardden tot het gesteente.

3. Leisteen, een metamorf gesteente, ontstaan uit schalie.

4. Marmer, een metamorf gesteente, ontstaan uit kalksteen.

5. Kwarts: niet gekrast door staal (ongeveer 6.5), het krast glas (ongeveer 5.5); de hardheid is 7.

6. Gekrast door staal (ongeveer 6.5) maar niet door glas (ongeveer 5.5): tussen 5.5 en 6.5. Het is veldspaat (orthoklaas, 6).

7. Mica (hardheid 2 tot 3).

8. Ja: de bestrating is kalksteen, gemaakt van calciet (3), dat zachter is dan een koperen munt (ongeveer 3.5).

9. Verwering: de regen slijt het oppervlak van de steen langzaam af.

10. De berg verweert; de kwartskorrels worden door rivieren weggevoerd en in lagen neergelegd, op de bodem van een meer of van de zee; begraven en verhard kunnen ze een zandsteen worden, een afzettingsgesteente.

11. Alle drie de families zijn er: stollingsgesteente (het graniet van de fontein), afzettingsgesteente (de kalksteen van de bestrating), metamorf gesteente (de leisteen van het dak en het marmer van het beeld).

12. Het hardste mineraal is het kwarts van het graniet: hardheid 7 op de schaal van Mohs.