Petrograafia

Petrograafia on kristalsete kivimite kirjeldamisega tegelev teadusharu. Mõnikord on kasutatud ekslikult mõiste sünonüümina sõna "petroloogia", mis on laiem teadus kivimitest, hõlmates lisaks kivimi täpsele kirjeldusele ka kivimite tekke mehhanismi – petrogeneesi, moonet ja ka murenemist.

Ehkki kivimeid võib kirjeldada nii makroskoopiliselt kui ka mikroskoopiliselt, tähendab petrograafia enamasti siiski kivimite mikroskoopilist kirjeldamist. Petrograafi põhiline töövahend on polarisatsioonimikroskoop, millega uuritakse kivimeist valmistatud õhukesi plaadikesi, mida nimetatakse õhikuteks. Petrograafia tegeleb süstemaatilise kivimite kirjeldamisega. Petrograafias klassifitseeritakse kivimeid erinevate mineraali terade suuruse ja proportsioonide alusel.

Kivimi vaatlemiseks tuleb vaadelda kivimi kehade struktuure väga erinevatel skaaladel: alates kilomeetritest kuni sentimeetriteni. Petrograaf suudab õigesti nimetada kõik kivimid, milles enamus kristallid on suuremad kui 1 mm, kasutades 10-kordse suurendusega suurendusklaasi. Kivim, millel on väiksemad terad, nõuab mikroskoopilist uurimist või keemilist analüüsi. Terade suuruse, kuju, orienteeritus ja terade vahel olev tühikute iseloom on kõige olulisemad omadused, et teha kindlaks kivimi tüüp ja teke. Samad omadused mõjutavad ka tihedust, poorsust, elektrijuhtivust, magnetilisust. Mineraalse koostise järgi saab oletada kivimi tekke keskkonda ja mehhanismi ning saab kindlaks teha tüübi. Petrograafia ülesandeks on uurida kivimite omadusi: mineraloogilist ja keemilist koostist, ehitust, teket, geoloogilisi lasumistingimusi, kivimirühmade omavahelisi seoseid ja ka kivimitega aja jooksul toimuvaid muutusi. Kivimite omaduste tundmine aitab tõhusamalt sooritada maavarade otsimis- ja uurimistöid. Petrograafia on tihedalt seotud üldise geoloogia, mineraloogia, geokeemia, füüsika, keemia, tehnoloogia, materjaliteaduse ja teiste teadustega. Petrograafiaga mõnevõrra sarnanev teadusharu on litoloogia, mis tegeleb settekivimite kirjeldamisega. Mõnikord nimetatakse petrograafiaks või settekivimite petrograafiaks ka settekivimite mikroskoopilist kirjeldamist. Petrograafia uurib lisaks anorgaanilisele ka orgaanilist ainest. Nii hõlmab petrograafia paleontoloogiat ja ka nafta uurimist, ja ka söe kvaliteet ilmneb just valgusmikroskoobis.

Lisaks tegelevad petrograafid ka sünteetiliste materjalidega. On uuritud metallide ja sulamite struktuure, et mõista mis teeb antud materjali tugevaks, elastseks või korrosioonile vastupidavamaks. Prillide või keraamika tootedefektid tulevad ilmsiks, kui kasutada polarisatsioonimikroskoopi ja tunda petrograafiat. Arheoloogide leitud keraamikas sisaldub mineraale ja kivimikilde, mille päritolu on tehtud kindlaks neid kilde petrograafiliselt uurides. Nii on saadud aimu iidsest kaubavahetusest eri piirkondade vahel ja tehtud avastusi arheoloogias ja ajaloos.

Ajalugu

15. ja 16. sajandil kaasnes tööstuse arengu ja linnade kasvuga üha suurenev nõudmine mitmesuguste maavarade järele. See põhjustas omakorda geoloogiliste teaduste arengut. Tänu Leonardo da Vinci, Koperniku, Pierre-Simon Laplace'i, Gottfried Wilhelm Leibnitzi, Buffoni, Lyelli, Darwini ja teiste teadlaste töödele algas võitlus tõeliselt teadusliku maailmavaate eest. Saksamaal elanud Georgius Agricola kirjutas raamatu "De Re Metallica" (1546). Raamat oli praktilise eesmärgiga metallimaakide leidmisel ja tundmisel. Esimesed märkimisväärsed avastused on N. Steno kristallide tahkudevaheliste nurkade konstantsuse seaduse ja R. Bartholin kaksikmurdumise islandi pao kristallides. 1690. aastal pani Christiaan Huygens aluse kristallooptikale, mis oli samm lähemale petrograafiale.

Venemaale jõudsid uudsed teadmised Saksamaalt tänu Peeter I-le. 1725. aastal loodi Teaduste Akadeemia, mille liikmeks oli ka väljapaistev teadlane M. Lomanossov (1711–1765). Lomonossovi teooriad seletasid võrdlemisi hästi kristalse aine ehitust ja näitas, et aatomid paiknevad kristallides seaduspäraselt. Lomonossov seletas esimesena ka maagisoonte mineraalide geneesi ja parageneesi (koosesinemist). Lomonossov väitis õigesti, et kivisüsi ja merevaik on taimse päritoluga.

Lomonossovi järglaseks geoloogia alal oli Venemaal akadeemik Vasiliy M. Severgin (1768–1826). Tema rohkearvulistes töödes leidub palju uut mineraalide tekke ja nende parageneesi kohta.

19. sajandil kujunes petrograafia juba iseseisvaks oma probleemide ja uurimismeetoditega teaduseks tänu uudse tehnika avastamisele aastal 1828, kui Šoti füüsik William Nicol lõikas Islandi pao (läbipaistva kaltsiidi) erilisse prismasse, saades polariseeritud valgust. Polariseeritud valguses käitusid eri mineraalide kristallid erinevalt ja tänu sellele sai neid eristada. Selline prisma kannab siiani nime Nicoli prisma.

Henry C. Sorby viis Inglismaal 1840-ndate lõpul kivimite uurimise täiuslikkuseni. Ta tegi kivimist nii õhukese viilu, et valgus paistis läbi mineraalide, ning uuris neid läbi Nicoli prisma. Õhuke viil oli kinnitatud klaasalusele. (Tänapäeval nimetame selliseid õhukesi liistakuid kivimist õhikuteks.) Terade asukoht õhikus ei olnud häiritud ning tänu sellele sai analüüsida kivimi struktuure. 1858. aastal H. Sorby poolt kahe Nicoli prisma lisamine tavalisele mikroskoobile muutis instrumendi polarisatsioonimikroskoobiks, tuntud kui petrograafiamikroskoop. Õhikute uurimisest polarisatsioonimikroskoobis sai petrograafias standardmeetod.

Kivimite ja neid moodustavate mineraalide kirjeldamisel kogunes hulgaliselt faktilist materjali. See soodustas omakorda kivimite nomenklatuuri ja klassifikatsiooni arenemist. Ilmusid esimesed petrograafia väljaanded: F. Zirkeli petrograafia (1866) ja K. H. Rosenbuschi mineraalide ning kivimite mikroskoopiline petrograafia (1873–1877). Paralleelselt kivimite kirjeldamisega töötati välja ka kivimite ja neid moodustavate mineraalide uurimise metoodika, tehti kindlaks iga mineraali iseäralikud omadused. Esilepaistvad teadlased olid prantslased F. A. Lacroix (1888), M. Fouque (1894), Michel-Levy (1894) ja austerlane F. Becke (1906). Paralleelselt mineraalide optiliste omaduste määramise ja kivimite kirjeldamisega arenes ka nende keemiline uurimine. J. Dana (1813–1895) töötas välja mineraalide klassifikatsiooni ja F. Loewinson-Lessing (1861–1939) kivimite keemilise klassifikatsiooni.

Füüsikaliskeemilisele petrograafiale panid NSV Liidus aluse Loewinson-Lessing, kes töötas pikemat aega ka Tartu Ülikoolis, A. Zavaritski (1884–1952) ja D. Beljankin (1876–1953). Norras V. Goldschmidti, Šveitsis Niggli ja Ameerika Ühendriikides N. Boweni koolkond. Tuleb märkida ka ameerika teadlase F. Glarke’i (1847–1931) uurimusi keemiliste elementide kvantitatiivse leviku kohta maakoores. Nüüdseks on arenenud eriti tehniline petrograafia, mille ülesandeks on tehniliste produktide, nagu teraste, portselani, tsemendi, klaasi jne. ehituse ning koostise uurimine.

Kivimite klassifitseerimise alus

Kivimid on kas monomineraalsed – koosnevad üht liiki mineraalidest, või polümineraalsed – koosnevad mitut liiki mineraalidest. Mingi kindla kivimi mineraloogiline koostis on enam-vähem püsiv, aga keemiline koostis mitte. Kivimit moodustavate mineraalide suhteline hulk ei ole absoluutselt püsiv, seega ei saa seda väljendada ka kindla keemilise valemiga. Kuigi kivimi mineraloogiline ja järelikult ka keemiline koostis mõningal määral varieeruvad, on nad siiski iseloomulikud ja võimaldavad kivimeid liigitada. Kivim tekib kindlates geoloogilistes tingimustes. Need tingimused mõjutavad kivimi lasumust ja siseehitust, koostisosade kuju, suurust ja omavahelisi seoseid. Iga kivim erineb teisest ka oma füüsikaliste omaduste – värvuse, erikaalu, sulamistemperatuuri jms. poolest. Kõike seda arvestades võib kivimit nimetada kindla ehituse, kindlate füüsikaliste omaduste ja geoloogiliste lasumistingimustega ning enam-vähem püsiva koostisega mineraalide agregaadiks. Tekke järgi jagunevad kõik kivimid kolme suurde rühma: magmalised kivimid ehk tardkivimid, sedimentatsioonilised ehk settekivimid ja moondekivimid. Need kivimid pole levinud litosfääris võrdsel määral. Umbes 95% litosfäärist koosneb tard- ja moondekivimitest ning ainult 5% settekivimitest. Kuid settekivimid katavad maapinnast 75% ning tard- ja moondekivimid 25%.

Kirjandus

• Nelson, Stephen A., 2004 Basaltics and Gabbroic Rocks
• Nelson, Stephen A., 2003 igneous Rocks of thr Convergent margins
• Nelson, Stephen A., 2004 Siliceous and Alkaline Igneous rocks
• 1964 Kristallograafia. Mineraloogia. Petrograafia (Kaisa Mens, Kalju Ojaste ja Alfred Reier)