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Mineralogía

La mineralogía aplica los principios de la química , la geología , la física y la ciencia de los materiales al estudio de los minerales. La mineralogía es una rama de la geologí...

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La mineralogía aplica los principios de la química , la geología , la física y la ciencia de los materiales al estudio de los minerales.

La mineralogía es una rama de la geología especializada en el estudio científico de la química , la estructura cristalina y las propiedades físicas (incluidas las ópticas ) de los minerales y los objetos mineralizados . Los estudios específicos dentro de la mineralogía incluyen los procesos de origen y formación de los minerales, su clasificación, su distribución geográfica y su utilización.

Historia

Página del Tratado de mineralogía de Friedrich Mohs (1825)
El Mapeador de Mineralogía Lunar , un espectrómetro que cartografió la superficie lunar [ 1 ].

Los primeros escritos sobre mineralogía, especialmente sobre gemas , provienen de la antigua Babilonia , el mundo grecorromano , la antigua y medieval China , y textos sánscritos de la antigua India y el antiguo mundo islámico. [ 2 ] Entre los libros sobre el tema se incluyen la Historia Natural de Plinio el Viejo , que no solo describió muchos minerales diferentes sino que también explicó muchas de sus propiedades, y Kitab al Jawahir (Libro de las Piedras Preciosas) del científico persa Al-Biruni . El especialista alemán del Renacimiento Georgius Agricola escribió obras como De Natura Fossilium ( Sobre la naturaleza de las rocas , 1546) y De re metallica ( Sobre los metales , 1556). Los estudios científicos sistemáticos de minerales y rocas se desarrollaron en la Europa posterior al Renacimiento . [ 2 ] El estudio moderno de la mineralogía se fundó sobre los principios de la cristalografía (los orígenes de la cristalografía geométrica, a su vez, se remontan a la mineralogía practicada en los siglos XVIII y XIX) y al estudio microscópico de secciones de rocas con la invención del microscopio en el siglo XVII. [ 2 ]

Nicholas Steno observó por primera vez la ley de constancia de los ángulos interfaciales (también conocida como la primera ley de la cristalografía) en cristales de cuarzo en 1669. [ 3 ] : 4 Esto fue posteriormente generalizado y establecido experimentalmente por Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee en 1783. [ 4 ] René Just Haüy , el "padre de la cristalografía moderna", demostró que los cristales son periódicos y estableció que las orientaciones de las caras de los cristales pueden expresarse en términos de números racionales ( ley de los índices racionales ), como posteriormente se codificó en los índices de Miller. [ 3 ] : 4 En 1814, Jöns Jacob Berzelius introdujo una clasificación de los minerales basada en su química en lugar de su estructura cristalina. [ 5 ] William Nicol desarrolló el prisma de Nicol , que polariza la luz, en 1827-1828 mientras estudiaba madera fosilizada; Henry Clifton Sorby demostró que las secciones delgadas de minerales podían identificarse por sus propiedades ópticas utilizando un microscopio polarizador . [ 3 ] : 4 [ 5 ] : 15 James D. Dana publicó su primera edición de A System of Mineralogy en 1837, y en una edición posterior introdujo una clasificación química que sigue siendo el estándar. [ 3 ] : 4 [ 5 ] : 15 La difracción de rayos X fue demostrada por Max von Laue en 1912, y desarrollada como herramienta para analizar la estructura cristalina de los minerales por el equipo de padre e hijo William Henry Bragg y William Lawrence Bragg . [ 3 ] : 4

Más recientemente, impulsada por los avances en la técnica experimental (como la difracción de neutrones ) y la potencia computacional disponible, que ha permitido simulaciones a escala atómica extremadamente precisas del comportamiento de los cristales, la ciencia se ha diversificado para considerar problemas más generales en los campos de la química inorgánica y la física del estado sólido . Sin embargo, mantiene el enfoque en las estructuras cristalinas que se encuentran comúnmente en los minerales formadores de rocas (como las perovskitas , los minerales arcillosos y los silicatos de estructura reticular ). En particular, el campo ha logrado grandes avances en la comprensión de la relación entre la estructura a escala atómica de los minerales y su función; en la naturaleza, ejemplos destacados serían la medición y predicción precisas de las propiedades elásticas de los minerales, lo que ha llevado a una nueva comprensión del comportamiento sismológico de las rocas y las discontinuidades relacionadas con la profundidad en los sismogramas del manto terrestre . Con este fin, al centrarse en la conexión entre los fenómenos a escala atómica y las propiedades macroscópicas, las ciencias minerales (como se las conoce comúnmente ahora) muestran quizás una mayor superposición con la ciencia de los materiales que cualquier otra disciplina.

Propiedades físicas

La calcita es un mineral carbonatado (CaCO 3 ) con una estructura cristalina romboédrica .
La aragonita es un polimorfo ortorrómbico de la calcita.

Un primer paso para identificar un mineral es examinar sus propiedades físicas, muchas de las cuales pueden medirse en una muestra de mano. Estas se pueden clasificar en densidad (a menudo expresada como gravedad específica ); medidas de cohesión mecánica ( dureza , tenacidad , exfoliación , fractura , separación ); propiedades visuales macroscópicas ( brillo , color, raya , luminiscencia , diafanidad ); propiedades magnéticas y eléctricas; radiactividad y solubilidad en cloruro de hidrógeno ( HCl ) . [ 3 ] : 97–113 [ 6 ] : 39–53

La dureza se determina por comparación con otros minerales. En la escala de Mohs , un conjunto estándar de minerales se numera en orden creciente de dureza del 1 (talco) al 10 (diamante). Un mineral más duro rayará a uno más blando, por lo que un mineral desconocido puede ubicarse en esta escala según los minerales que raya y los que lo rayan a él. Algunos minerales, como la calcita y la cianita, tienen una dureza que depende significativamente de la dirección. [ 7 ] : 254–255 La dureza también puede medirse en una escala absoluta utilizando un esclerómetro ; en comparación con la escala absoluta, la escala de Mohs es no lineal. [ 6 ] : 52

La tenacidad se refiere a la forma en que un mineral se comporta al romperse, triturarse, doblarse o desgarrarse. Un mineral puede ser quebradizo , maleable , sectil , dúctil , flexible o elástico . Un factor importante que influye en la tenacidad es el tipo de enlace químico ( por ejemplo, iónico o metálico ). [ 7 ] : 255–256

Entre las demás medidas de cohesión mecánica, la exfoliación es la tendencia a romperse a lo largo de ciertos planos cristalográficos. En la nomenclatura cristalográfica, se describe por la calidad ( por ejemplo , perfecta o regular) y la orientación del plano.

La separación es la tendencia a romperse a lo largo de planos de debilidad debido a la presión, el maclado o la exsolución . Cuando no se producen estos dos tipos de rotura, la fractura es una forma menos ordenada que puede ser concoidea (con curvas suaves que se asemejan al interior de una concha), fibrosa , astillada , irregular (con bordes afilados) o desigual . [ 7 ] : 253–254

Si el mineral está bien cristalizado, también tendrá un hábito cristalino distintivo (por ejemplo, hexagonal, columnar, botrioidal ) que refleja la estructura cristalina o la disposición interna de los átomos. [ 6 ] : 40–41 También se ve afectado por defectos cristalinos y maclado . Muchos cristales son polimórficos , teniendo más de una estructura cristalina posible dependiendo de factores como la presión y la temperatura. [ 3 ] : 66–68 [ 6 ] : 126

Estructura cristalina

La estructura cristalina de la perovskita . El mineral más abundante en la Tierra, la bridgmanita , tiene esta estructura. [ 8 ] Su fórmula química es (Mg,Fe)SiO 3 ; las esferas rojas son oxígeno, las esferas azules silicio y las esferas verdes magnesio o hierro.

La estructura cristalina es la disposición de los átomos en un cristal. Se representa mediante una red de puntos que repite un patrón básico, denominado celda unitaria , en tres dimensiones. La red se caracteriza por sus simetrías y por las dimensiones de la celda unitaria. Estas dimensiones se representan mediante tres índices de Miller . [ 9 ] : 91–92 La red permanece inalterada ante ciertas operaciones de simetría respecto a cualquier punto dado de la red: reflexión , rotación , inversión e inversión rotacional , una combinación de rotación y reflexión. Juntas, forman un objeto matemático denominado grupo puntual cristalográfico o clase cristalina . Existen 32 clases cristalinas posibles. Además, hay operaciones que desplazan todos los puntos: traslación , eje helicoidal y plano de deslizamiento . En combinación con las simetrías puntuales, forman 230 grupos espaciales posibles . [ 9 ] : 125–126

La mayoría de los departamentos de geología cuentan con equipos de difracción de rayos X en polvo para analizar las estructuras cristalinas de los minerales. [ 6 ] : 54–55 Los rayos X tienen longitudes de onda del mismo orden de magnitud que las distancias entre los átomos. La difracción , la interferencia constructiva y destructiva entre ondas dispersadas en diferentes átomos, produce patrones distintivos de alta y baja intensidad que dependen de la geometría del cristal. En una muestra molida hasta convertirla en polvo, los rayos X muestrean una distribución aleatoria de todas las orientaciones cristalinas. [ 10 ] La difracción en polvo puede distinguir entre minerales que pueden parecer iguales en una muestra de mano, por ejemplo, el cuarzo y sus polimorfos tridimita y cristobalita . [ 6 ] : 54

Los minerales isomorfos de diferente composición presentan patrones de difracción de polvo similares, siendo la principal diferencia el espaciado y la intensidad de las líneas. Por ejemplo, la estructura cristalina del NaCl (halita) pertenece al grupo espacial Fm3m ; esta estructura es compartida por la silvita ( KCl ), la periclasa ( MgO ), la bunsenita ( NiO ), la galena ( PbS ) , la alabandita ( MnS ) , la clorargirita ( AgCl ) y la osbornita ( TiN ). [ 7 ] : 150–151

Elementos químicos

Máquina portátil de microfluorescencia de rayos X

Algunos minerales son elementos químicos , como el azufre , el cobre , la plata y el oro , pero la gran mayoría son compuestos . El método clásico para identificar la composición es el análisis químico húmedo , que consiste en disolver un mineral en un ácido como el ácido clorhídrico (HCl). Los elementos en solución se identifican mediante colorimetría , análisis volumétrico o análisis gravimétrico . [ 7 ] : 224–225

Desde 1960, la mayoría de los análisis químicos se realizan mediante instrumentación. Una de estas técnicas, la espectroscopia de absorción atómica , es similar a la química húmeda, ya que la muestra debe disolverse, pero es mucho más rápida y económica. La solución se vaporiza y su espectro de absorción se mide en el rango visible y ultravioleta. [ 7 ] : 225–226 Otras técnicas son la fluorescencia de rayos X , el análisis por microsonda electrónica , la tomografía de sonda atómica y la espectrografía de emisión óptica . [ 7 ] : 227–232

Óptico

Microfotografía de un acumulado de olivino procedente de la komatiita arcaica de Agnew, Australia Occidental .

Además de las propiedades macroscópicas como el color o el brillo, los minerales poseen propiedades que requieren un microscopio polarizador para su observación. Recientemente, el campo del estudio e identificación digital de minerales se ha desarrollado basándose en las propiedades ópticas de estos, incluso mediante el uso de tecnologías de inteligencia artificial. [ 11 ]

Luz transmitida

Cuando la luz pasa del aire o del vacío a un cristal transparente, parte de ella se refleja en la superficie y parte se refracta . Esta última es una desviación de la trayectoria de la luz que ocurre porque la velocidad de la luz cambia al entrar en el cristal; la ley de Snell relaciona el ángulo de desviación con el índice de refracción , que es la relación entre la velocidad en el vacío y la velocidad en el cristal. Los cristales cuyo grupo de simetría puntual pertenece al sistema cúbico son isótropos : el índice no depende de la dirección. Todos los demás cristales son anisótropos : la luz que los atraviesa se divide en dos rayos polarizados planos que viajan a velocidades diferentes y se refractan en ángulos diferentes. [ 7 ] : 289–291

Un microscopio de polarización es similar a un microscopio convencional, pero cuenta con dos filtros de polarización plana: un polarizador situado debajo de la muestra y un analizador encima, polarizados perpendicularmente entre sí. La luz pasa sucesivamente a través del polarizador, la muestra y el analizador. Si no hay muestra, el analizador bloquea toda la luz que llega al polarizador. Sin embargo, una muestra anisotrópica generalmente modifica la polarización, permitiendo el paso de parte de la luz. Se pueden utilizar secciones delgadas y polvos como muestras. [ 7 ] : 293–294

Cuando se observa un cristal isotrópico, aparece oscuro porque no altera la polarización de la luz. Sin embargo, al sumergirlo en un líquido calibrado con un índice de refracción menor y desenfocar el microscopio, aparece una línea brillante, denominada línea de Becke , alrededor del perímetro del cristal. Al observar la presencia o ausencia de estas líneas en líquidos con diferentes índices, se puede estimar el índice del cristal, generalmente con una precisión de ± 0,003 . [ 7 ] : 294–295

Sistemático

La hanksita , Na₂₂K ( SO₄ ) ₉ ( CO₃ ) ₂Cl , es uno de los pocos minerales que se consideran carbonato y sulfato.

La mineralogía sistemática es la identificación y clasificación de los minerales según sus propiedades. Históricamente, la mineralogía se centró principalmente en la taxonomía de los minerales formadores de rocas. En 1959, la Asociación Mineralógica Internacional creó la Comisión de Nuevos Minerales y Nombres de Minerales para racionalizar la nomenclatura y regular la introducción de nuevos nombres. En julio de 2006, se fusionó con la Comisión de Clasificación de Minerales para formar la Comisión de Nuevos Minerales, Nomenclatura y Clasificación. [ 12 ] Existen más de 6000 minerales, tanto nombrados como sin nombre, y se descubren alrededor de 100 cada año. [ 13 ] El Manual de Mineralogía clasifica los minerales en las siguientes categorías: elementos nativos , sulfuros , sulfosales , óxidos e hidróxidos , haluros , carbonatos, nitratos y boratos , sulfatos, cromatos, molibdatos y tungstatos , fosfatos, arseniatos y vanadatos , y silicatos . [ 7 ]

Entornos de formación

Los entornos de formación y crecimiento de los minerales son muy variados, desde la cristalización lenta a las altas temperaturas y presiones de los fundidos ígneos en las profundidades de la corteza terrestre hasta la precipitación a baja temperatura a partir de una salmuera en la superficie terrestre.

Entre los diversos métodos posibles de formación se incluyen: [ 14 ]

Biomineralogía

La biomineralogía es un campo interdisciplinario que abarca la mineralogía, la paleontología y la biología . Estudia cómo las plantas y los animales estabilizan los minerales bajo control biológico y la secuencia de reemplazo mineral de dichos minerales después de la deposición. [ 15 ] Utiliza técnicas de mineralogía química, especialmente estudios isotópicos, para determinar aspectos como las formas de crecimiento en plantas y animales vivos [ 16 ] [ 17 ] , así como el contenido mineral original de los fósiles. [ 18 ]

Un nuevo enfoque de la mineralogía, denominado evolución mineral , explora la coevolución de la geosfera y la biosfera, incluyendo el papel de los minerales en el origen de la vida y procesos como la síntesis orgánica catalizada por minerales y la adsorción selectiva de moléculas orgánicas en superficies minerales. [ 19 ] [ 20 ]

Ecología mineral

En 2011, varios investigadores comenzaron a desarrollar una base de datos de evolución mineral. [ 21 ] Esta base de datos integra el sitio colaborativo Mindat.org , que cuenta con más de 690 000 pares de mineral-localidad, con la lista oficial de minerales aprobados por la IMA y datos de edad de publicaciones geológicas. [ 22 ]

Esta base de datos permite aplicar estadísticas para responder a nuevas preguntas, un enfoque conocido como ecología mineral . Una de estas preguntas es cuánto de la evolución mineral es determinista y cuánto es resultado del azar . Algunos factores son deterministas, como la naturaleza química de un mineral y las condiciones para su estabilidad ; pero la mineralogía también puede verse afectada por los procesos que determinan la composición de un planeta. En un artículo de 2015, Robert Hazen y otros analizaron el número de minerales que contienen cada elemento en función de su abundancia. Descubrieron que la Tierra, con más de 4800 minerales conocidos y 72 elementos, tiene una relación de ley de potencias . La Luna, con solo 63 minerales y 24 elementos (basado en una muestra mucho menor), tiene esencialmente la misma relación. Esto implica que, dada la composición química del planeta, se podrían predecir los minerales más comunes. Sin embargo, la distribución tiene una cola larga , ya que el 34 % de los minerales se han encontrado en solo uno o dos lugares. El modelo predice que miles de especies minerales más podrían estar aún por descubrir o haberse formado y luego haberse perdido por erosión, enterramiento u otros procesos. Esto implica que el azar influye en la formación de minerales raros. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

En otro uso de conjuntos de datos masivos, se aplicó la teoría de redes a un conjunto de datos de minerales de carbono, revelando nuevos patrones en su diversidad y distribución. El análisis puede mostrar qué minerales tienden a coexistir y qué condiciones (geológicas, físicas, químicas y biológicas) están asociadas a ellos. Esta información puede utilizarse para predecir dónde buscar nuevos depósitos e incluso nuevas especies minerales. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

Tabla de colores de algunas formas en bruto de metales de valor comercial. [ 30 ]

Usos

Los minerales son esenciales para diversas necesidades dentro de la sociedad humana, como los minerales utilizados como menas para componentes esenciales de productos metálicos utilizados en diversos productos comerciales y maquinaria , componentes esenciales para materiales de construcción como piedra caliza , mármol , granito , grava , vidrio , yeso , cemento , etc. [ 14 ] Los minerales también se utilizan en fertilizantes para enriquecer el crecimiento de cultivos agrícolas .

Una pequeña colección de muestras de minerales, con sus estuches. Etiquetas en ruso.

Coleccionar

La colección de minerales también es un pasatiempo recreativo de estudio y coleccionismo , con clubes y sociedades que representan este campo. [ 31 ] [ 32 ] Museos como el Museo Nacional de Historia Natural Smithsonian , Sala de Geología, Gemas y Minerales , el Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles , el Museo Carnegie de Historia Natural , el Museo de Historia Natural de Londres y el Museo de Minerales Mim, de propiedad privada, en Beirut , Líbano , [ 33 ] [ 34 ] cuentan con colecciones populares de especímenes minerales en exhibición permanente. [ 35 ]

Véase también

Notas

Referencias

  1. ↑ "Instrumento de la NASA inaugura imágenes tridimensionales de la Luna" . JPL. Archivado del original el 1 de enero de 2009. Consultado el 19 de diciembre de 2008 .
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Lecturas adicionales

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  • Wenk, Hans-Rudolf; Bulakh, Andrey (2016). Minerales: su constitución y origen . Cambridge University Press. ISBN 9781316425282.
  • Whewell, William (2010). «Libro XV. Historia de la Mineralogía». Historia de las Ciencias Inductivas: Desde los primeros tiempos hasta la actualidad . Cambridge University Press. pp. 187–252 . ISBN  9781108019262.
  • El Museo Virtual de la Historia de la Mineralogía

Asociaciones

  • Federación Americana de Sociedades Mineras
  • Sociedad Francesa de Mineralogía y Cristalografía
  • Sociedad Geológica de América
  • Sociedad Mineralógica Alemana
  • Asociación Mineralógica Internacional
  • Sociedad Mineralógica y Petrológica Italiana
  • Asociación Mineralógica de Canadá
  • Sociedad Mineralógica de Gran Bretaña e Irlanda
  • Sociedad Mineralógica de América