Los Minerales y las Rocas
| Sitio: | Aula Abierta - Facultad de Ingeniería |
| Curso: | Geología I-2023 |
| Libro: | Los Minerales y las Rocas |
| Imprimido por: | Invitado |
| Día: | miércoles, 18 de diciembre de 2024, 05:11 |
1. Introducción
Los materiales presentes en la corteza terrestre ocurren en una gran variedad de tipos. El estudio y la clasificación de esos materiales es el objetivo de esta unidad.
Los materiales formados en la parte superior de la corteza terrestre, o en su interior, se agrupan en dos categorías: los minerales y las rocas.
La mineralogía es la rama de la Geología que estudia las propiedades físicas y químicas de los minerales que se encuentran en la naturaleza.
En el siguiente video podemos ver una introducción a los minerales que profundizaremos posteriormente. El video está en inglés, pero puedes activar subtítulos y traducir automáticamente para verlos en español.
2. Minerales - Definición
Los minerales se encuentran en formas muy diversas en la naturaleza, sus componentes básicos son los elementos químicos. Pueden estar constituidos por un sólo elemento, como el azufre nativo, oro, plata, cobre, ó una combinación de varios, tal es el caso de algunos compuestos químicos como el cuarzo, que está formado por silicio y oxígeno.
Teniendo en cuenta la abundancia de los elementos en la corteza terrestre, sólo ocho elementos constituyen la mayor parte de los minerales y representan más del 98% (en peso) de la corteza continental (figura 1). Estos elementos son, por orden de abundancia: oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio (Mg).
Figura 1 – Abundancia de elementos en la corteza. Fuente: modificado de Tarbuck, 2005.
2.1. Estructura Atómica y Forma Cristalina
La estructura o disposición atómica ordenada, indica la existencia estructural de un entramado de átomos (o iones) ordenados según un modelo geométrico regular. Este es el criterio necesario para considerar un sólido cristalino, por lo tanto los minerales son cristalinos. Esta estructura atómica se manifiesta por sus propiedades físicas y especialmente en su forma cristalina exterior. La estructura interna definida es la característica esencial de un cristal y la forma externa es solo una de las maneras en que se manifiesta esta estructura. En la figura 2 se puede observar un ejemplo del empaquetamiento interno que adoptan los iones del mineral halita.
Cada muestra del mismo mineral tiene la misma estructura interna, algunos elementos son capaces de reunirse en más de una forma. Por tanto, dos minerales con propiedades totalmente diferentes pueden tener exactamente la misma composición química. Minerales de este tipo se dice que son polimorfos (poli=muchos; morfo=forma). El grafito y el diamante son ejemplos particularmente buenos de polimorfismo porque consisten exclusivamente en carbono y, sin embargo, tienen propiedades drásticamente diferentes. El grafito es un material gris y blando del cual se fabrica la mina de los lapiceros, mientras que el diamante es el mineral más duro conocido.
En cuanto a la forma cristalina (condición de mineral), un cristal es una forma poliédrica regular, limitada por caras lisas, que adquiere un compuesto químico bajo la influencia de sus fuerzas interatómicas. Este proceso, llamado cristalización, ocurre cuando el compuesto químico pasa, en condiciones apropiadas, del estado líquido o gaseoso al sólido. Una sustancia cristalina puede presentarse en diferentes estados:
- Cristal euédrico: si se desarrolla con todas sus superficies planas correctas.
- Cristal subédrico: si las circunstancias sólo han permitido la formación de una parte del cristal.
- Cristal anédrico: si no presenta caras.
Los sólidos, por ejemplo el vidrio, que carecen de una disposición atómica ordenada reciben el nombre de amorfos. Existen varios solidos naturales amorfos, algunos ejemplos son: vidrio volcánico (formador de obsidiana y pumita); ópalo, ónix y ágata (formas amorfas de sílice); carbón (restos orgánicos sólidos). El petróleo y el carbón no son considerados minerales, ya que aunque se forman por procesos naturales, no tienen una composición química definida ni estructura atómica ordenada.
2.2. Sistemas cristalinos
Un cristal, bajo condiciones favorables de crecimiento, desarrollará superficies externas planas y uniformes (caras) que pueden asumir formas geométricas regulares, lo cual es expresión de su distribución interna regular atómica. En cristales con caras bien desarrolladas se pueden reconocer los elementos de simetría como ejes de rotación, planos de simetría, etc. Los cristales minerales pertenecen a alguno de los seis sistemas cristalinos existentes:
- sistema cúbico
- sistema tetragonal
- sistema hexagonal
- sistema ortorrómbico
- sistema monoclínico
- sistema triclínico
Figura 2 – Sistemas Cristalinos y formas comunes. Fuente: tomado de Varela, 2014.
2.3. Propiedades físicas
- Clivaje (exfoliación) y fractura:
El clivaje de un mineral es la tendencia que tiene a romperse según direcciones preferenciales, a lo largo de las superficies planas. Esos planos son consecuencia del arreglo interno de los átomos y representan las direcciones en la que los enlaces atómicos son relativamente débiles.
El clivaje puede ser perfecto en una dirección (caso de las micas), en dos direcciones (caso de los feldespatos), tres direcciones (como la calcita), etc.
Muchos minerales (como el cuarzo, entre otros) no poseen clivaje y su rotura se efectúa según superficies irregulares, en este caso se dice que el mineral posee fractura. Esta puede ser irregular, si la rotura deja expuesta superficies irregulares; si las superficies son redondeadas se denomina concoidea.
Figura 3 – Direcciones de exfoliación más comunes. Fuente: tomado de Tarbuck, 2005.
- Dureza
La dureza es la medida de la resistencia que la superficie de un mineral ofrece al ser rayado. Esta propiedad está relacionada al especial ordenamiento de los átomos. Los minerales difieren mucho en su dureza, algunos son tan blandos que se le pueden rayar con la uña; otros requieren de una hoja de acero; y el diamante, que es el mineral más duro que se conoce, no puede ser rayado por ninguna otra sustancia. Para medir la dureza se utiliza como referencia una serie de 10 minerales de dureza diferente. Estos minerales constituyen los términos de la “Escala de Mohs”, en la cual recibe el numero 1 el más blando y el numero 10 el más duro. La dureza de un mineral se obtiene rayándolo con los minerales de la escala de Mohs. Si un mineral es rayado por el apatito (dureza 5), y no es rayado por la fluorita (dureza 4), se dice que el mineral tiene una dureza entre 4 y 5. Para ensayos rápidos se puede usar la uña (dureza 2) y una cortaplumas cuya hoja tiene dureza 5.
- Color
Aunque el color no es una propiedad determinativa en
la identificación de los minerales, se la utiliza en una distinción de carácter
de carácter general. Entre los minerales petrogenéticos (formadores de rocas),
la gama varía entre los incoloros (cuarzo, calcita, yeso) y blancos
(feldespatos), a los verde oliva (olivinos) y negros (biotita).
- Raya (Huella)
Es el color del mineral finamente pulverizado, y es de mayor valor diagnóstico que el color propio. Se determina rayando la superficie blanca de una porcelana no vidriada, la raya producida sobre ella será polvo del mineral ensayado.
- Brillo
- Transparencia
Es la facilidad con que deja pasar la luz un mineral, permitiendo la visión de los objetos a su través. En el caso que no deje pasar la luz, se dice que el mineral es opaco.
- Peso específico
El peso específico o densidad relativa de un mineral es un número que expresa la relación entre su peso y el peso de un volumen igual de agua a 4°C (a esta temperatura la densidad del agua es máxima). La mayoría de los minerales que forman rocas tienen un peso específico de alrededor de 2.7 en promedio, siendo el oro el más elevado (19.3).
Otras propiedades:
Magnetismo: es la propiedad que presentan algunos minerales de ser atraídos por un imán.
Reacción a los ácidos: algunos minerales carbonáticos (calcita) reaccionan al ponerse en contacto con ácido clorhídrico débil, durante el cual se desprende dióxido de carbono, provocando una efervescencia.
Propiedades organolépticas: algunos minerales presentan sabor (salado o amargo) y olor (por ejemplo los que contienen azufre).
2.4. Clasificación de los Minerales
Los minerales se clasifican principalmente en función de su composición química pero también en función de su estructura interna. De acuerdo con este esquema, los minerales se dividen en clases según el anión o grupo aniónico dominante. En este sentido existen al menos 11 divisiones a las cuales se puede asignar un determinado mineral.
Dado el alcance de esta asignatura, sólo se estudiarán aquí aquellos denominados minerales formadores de roca, ya que constituyen la mayor parte de las rocas de la corteza terrestre. Como se dijo anteriormente, los elementos químicos que constituyen la mayor parte de esos minerales son: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio. El silicio y el oxígeno son los elementos más comunes de la corteza de la Tierra. Estos dos elementos se combinan fácilmente para formar la estructura del grupo mineral más común, los silicatos. Es por ello que en un sentido amplio, la clasificación que se tratará en esta asignatura será en minerales: Silicatos y No silicatados.
Grupos de minerales más comunes (en % por volumen) en la corteza terrestre. Tomado de Tarbuck, 2005.
2.5. Silicatos
- Silicatos: los silicatos son el grupo mineral más abundante y tienen como componente básico el ion silicato (SiO44 -). Según su arreglo estructural, se pueden subdividir en 6 grupos, los cuales constituyen los silicatos principales:
Grupo de los Piroxenos: silicatos de Ca-Mg-Fe
El más común de este grupo, posee una dureza de 5 a 6; su peso específico es alto (3.2); posee un clivaje en dos direcciones casi perpendiculares y brillo vítreo. Tiene un color verde oscuro a negro.
Grupo de los Anfíboles: silicatos de Ca-Mg-Fe hidratados
El más común de este grupo, posee una dureza de 5 a 6; posee un clivaje en dos planos oblicuos y brillo vítreo. Tiene color entre verde a negro.
Grupo de las Micas: los más representativos de este grupo son la Biotita= K (Mg, Fe)3 (AlSi 3O10)(OH)2 y la Moscovita= (KAl2) (AlSi 3O10)(OH)2
La propiedad más común de las micas es su clivaje perfecto según dos planos paralelos. La dureza varía entre 2 y 3. La moscovita se presenta en típicas láminas delgadas, posee color claro, translucido. La biotita se presenta en tonos verde oscuro
a marrón en láminas delgadas y negra en agregados gruesos.
Grupo de los Feldespatos: los más representativos de este grupo son la Ortoclasa= KAlSi3O8 y las Plagioclasas= NaAlSi3O8 - Ca Al2Si2O8
La ortoclasa posee un típico color rosado a salmón y brillo vítreo. Tiene una dureza de 6 y presenta un buen clivaje en dos direcciones.
Las plagioclasas forman una serie continua entre Na y Ca. Poseen colores claros, blancos a grises con brillo vítreo. Tiene una dureza de 6 y presenta un buen clivaje en dos direcciones.
Cuarzo (SiO2):
Constituye uno de los minerales más comunes, presente en todos los grupos de roca. Posee una dureza de 7, su peso específico es de 2.65, no tiene clivaje y se rompe con fractura concoidea. El cuarzo incoloro se denomina cristal de roca, la amatista es una variedad violeta. Tambien puede presentarse con un aspecto ahumado o lechoso.
En la práctica, es decir en la determinación macroscópica de minerales y rocas ígneas, resulta facilitador para el alumno hacer un diferenciación a priori entre minerales félsicos (colores claros) y máficos (colores oscuros).
- Minerales Félsicos: moscovita, plagioclasas, ortoclasa y cuarzo.
- Minerales Máficos: olivino, piroxenos, anfíboles y biotita.
La mayoría de los silicatos se forman (cristalizan) a medida que magma se va enfriando. Este enfriamiento puede producirse en la superficie terrestre, cerca de ella (temperatura y presión bajas) o a grandes profundidades (temperatura y presión elevadas). El ambiente durante la cristalización y la composición química del magma determinan en gran medida qué minerales se producen.
Además, algunos silicatos se forman en la superficie terrestre a partir de productos meteorizados de silicatos más antiguos.
Silicatos más comunes. Fuente: tomado de Tarbuck, 2005.
2.6. No silicatados
Los minerales no silicatados suelen subdividirse en clases, según el anión que los miembros tienen en común. Constituyen aproximadamente sólo el 8% de la corteza terrestre, algunos minerales, como el yeso, la calcita y la halita aparecen como constituyentes de las rocas sedimentarias en cantidades significativas. Algunos grupos de minerales no silicatados que se verán en la asignatura son: los carbonatos, los sulfatos y los haluros. A su vez, de cada grupo se verán solamente los más representativos.
-
Carbonatos: tienen como característica común la presencia del ion carbonato. Los más importantes son:
- Calcita= CaCO3
- Dolomita= CaMg(CO3)2
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Sulfatos: se conforman a partir de la unión del grupo aniónico sulfato con cationes metálicos. Tienden a ser blandos. Su peso específico depende principalmente del catión metálico.
- Yeso= CaSO4. 2H2O
- Baritina= BaSO4
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Haluros:
- Halita= NaCl
- Fluorita= CaF2
3. Rocas - Definición
Una roca es un material sólido y compactado de origen natural, constituido por la agregación de uno o más minerales.
Unas pocas rocas están compuestas de materia no mineral. Entre ellas las rocas volcánicas obsidiana y pumita, que son sustancias vítreas no cristalinas.
Las rocas se clasifican en tres grandes grupos: Ígneas, Sedimentarias y Metamórficas. Los procesos que dan origen a las rocas se desarrollan tanto en el interior como en la superficie del planeta.
3.1. Ciclo de las rocas
La dinámica de los procesos naturales terrestres, tanto endógenos como exógenos, dan como resultado una variedad de rocas o la perturbación de rocas preexistentes. Así, la solidificación (cristalización) de una masa rocosa fundida (magma), ya sea en el interior o exterior de la corteza terrestre, genera las denominadas Rocas Ígneas.
La exposición de las rocas ígneas en superficie, determinara sobre ella la acción de procesos físicos y químicos que ocasionan su desintegración y descomposición (meteorización), por efecto del agua meteórica, la temperatura superficial y otros factores exógenos. El resultado de ello es la fragmentación de las rocas, dando lugar a clastos y a la formación de nuevos minerales, como por ejemplo las arcillas. Los materiales sueltos (arenas, limos, etc.) resultado de la meteorización pueden ser obtenidos, transportados y meteorizados por los agentes de erosión (ríos, viento o glaciares). Esos materiales depositados en lugares deprimidos de la superficie se denominan sedimentos. Ellos en su lugar de acumulación experimentan modificaciones (compactación, cementación) transformándose en un material endurecido y denso, originándose así las Rocas Sedimentarias.
El soterramiento progresivo de las rocas ígneas y sedimentarias, da lugar a la acción sobre ellas de una temperatura y presión creciente. Estos efectos derivan en una modificación en el ordenamiento de los minerales y en una reorganización química completa de la roca siempre al estado sólido. Este proceso se denomina metamorfismo y da lugar a las Rocas Metamórficas.
Cuando la acción de la temperatura y la presión en profundidad llega a ser muy intensa, superando los puntos de fusión de los minerales que constituyen una roca, esta se funde total o parcialmente, originando nuevos magmas. De esta manera se completa el ciclo de las rocas.
Figura 6 – Esquema del Ciclo de las Rocas. Fuente: tomado de Tarbuck, 2005.
3.2. Tipos de Rocas
Como se vio antes, en función al ciclo descrito, en la naturaleza se reconocen tres tipos de roca fundamentales, teniendo en cuenta los procesos que las generan. Ellos imprimen características específicas a cada clase, las que permiten describirlas e identificarlas tanto en las muestras de mano como en los afloramientos en el terreno. Estas características se refieren al modo de yacer (yacimiento de los cuerpos de roca), composición mineral, textura y estructura. De este modo, es posible distinguir tres grandes grupos de rocas:
- Rocas Ígneas: son aquellas que se forman por el enfriamiento y la consolidación del magma. Si el enfriamiento y consolidación se producen en el interior de la superficie terrestre, las rocas se pueden denominar “intrusivas o plutónicas”. Por el contrario, si el enfriamiento y consolidación se producen en el exterior, las rocas serán del tipo "efusivas o volcánicas”.
- Rocas Sedimentarias: son aquellas originadas a partir de la destrucción de otra roca preexistente, el posterior transporte y acumulación de los materiales producidos, y su diagénesis. Todos estos procesos se dan a temperatura y presión ambiente.
- Rocas Metamórficas: son aquellas originadas por modificaciones en profundidad de rocas preexistentes, por influencia de la temperatura, bajo grandes presiones y por la acción de agentes químicos (agua, gases) que dan lugar a transformaciones con o sin alteración de la composición original.
3.3. Minerales Petrogenéticos
Se denominan así los minerales formadores de rocas. Si bien en la naturaleza se conocen aproximadamente 4000 minerales, solo un muy bajo porcentaje de los mismos (aproximadamente 25) son importantes como constituyentes de rocas. Los restantes minerales se presentan dispersos en la corteza terrestre en cantidades poco apreciables, excepto cuando están concentrados en forma de yacimientos minerales.
Los minerales desde el punto de vista de su origen se clasifican en:
- Minerales primarios: son aquellos que se generan a partir de la cristalización del magma. Ejemplo: cuarzo y feldespato.
- Minerales secundarios: son aquellos que se forman por la alteración de los minerales primarios, o son depositados sin relación a una etapa magmática. Ejemplos: yeso y calcita.
Como
se vio anteriormente, de la casi totalidad de los minerales formadores de
rocas, el mayor porcentaje corresponde a los silicatos. El resto de los minerales
formadores de roca son carbonatos, sulfatos, haluros y óxidos.