Mineralogía - Mineralogy

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 un tema de geología que se especializa en el estudio científico de la química , la estructura cristalina y las propiedades físicas (incluidas las ópticas ) de los minerales y los artefactos mineralizados . Los estudios específicos dentro de la mineralogía incluyen los procesos de origen y formación de minerales, clasificación de minerales, su distribución geográfica, así como su utilización.

Historia

Página del Tratado de mineralogía de Friedrich Mohs (1825)
The Moon Mineralogy Mapper , un espectrómetro que trazó un mapa de la superficie lunar

Los primeros escritos sobre mineralogía, especialmente sobre piedras preciosas , provienen de la antigua Babilonia , el antiguo mundo grecorromano , la antigua y medieval China y los textos sánscritos de la antigua India y el antiguo mundo islámico. Los libros sobre el tema incluían la Naturalis Historia de Plinio el Viejo , que no solo describía muchos minerales diferentes, sino que también explicaba muchas de sus propiedades, y Kitab al Jawahir (Libro de piedras preciosas) del científico persa Al-Biruni . El especialista en Renacimiento alemán Georgius Agricola escribió obras como De re metallica ( Sobre los metales , 1556) y De Natura Fossilium ( Sobre la naturaleza de las rocas , 1546) que iniciaron el acercamiento científico al tema. Los estudios científicos sistemáticos de minerales y rocas se desarrollaron en la Europa posterior al Renacimiento . El estudio moderno de la mineralogía se basó en los principios de la cristalografía (los orígenes de la cristalografía geométrica, en sí, se remontan a la mineralogía practicada en los siglos XVIII y XIX) y al estudio microscópico de secciones de roca con la invención del microscopio. en el siglo 17.

Nicholas Steno observó por primera vez la ley de constancia de los ángulos interfaciales (también conocida como la primera ley de la cristalografía) en los cristales de cuarzo en 1669. Esto fue luego generalizado y establecido experimentalmente por Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee en 1783. 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 se pueden expresar en términos de números racionales, como se codificó posteriormente en los índices de Miller. En 1814, Jöns Jacob Berzelius introdujo una clasificación de minerales basada en su química más que en su estructura cristalina. William Nicol desarrolló el prisma Nicol , que polariza la luz, en 1827-1828 mientras estudiaba madera fosilizada; Henry Clifton Sorby demostró que las secciones delgadas de minerales pueden identificarse por sus propiedades ópticas utilizando un microscopio polarizador . 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 la estándar. La difracción de rayos X fue demostrada por Max von Laue en 1912 y desarrollada en una herramienta para analizar la estructura cristalina de los minerales por el equipo padre / hijo de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg .

Más recientemente, impulsada por los avances en la técnica experimental (como la difracción de neutrones ) y el poder computacional disponible, el último de los cuales ha permitido simulaciones a escala atómica extremadamente precisas del comportamiento de los cristales, la ciencia se ha diversificado para considerar problemas más generales en el campos de la química inorgánica y la física del estado sólido . Sin embargo, mantiene un enfoque en las estructuras cristalinas que se encuentran comúnmente en los minerales formadores de rocas (como las perovskitas , minerales arcillosos y silicatos de estructura ). En particular, el campo ha hecho 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 precisa y la predicción de las propiedades elásticas de los minerales, lo que ha dado lugar a nuevos conocimientos sobre el comportamiento sismológico de las rocas y las discontinuidades relacionadas con la profundidad en los sismogramas del manto terrestre . Con este fin, en su enfoque en la conexión entre los fenómenos a escala atómica y las propiedades macroscópicas, las ciencias minerales (como ahora se las conoce comúnmente) muestran quizás más una superposición con la ciencia de los materiales que cualquier otra disciplina.

Propiedades físicas

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

Un paso inicial para identificar un mineral es examinar sus propiedades físicas, muchas de las cuales se pueden medir en una muestra manual. Estos se pueden clasificar en densidad (a menudo se da como gravedad específica ); medidas de cohesión mecánica ( dureza , tenacidad , hendidura , fractura , partición ); propiedades visuales macroscópicas ( brillo , color, vetas , luminiscencia , diafanidad ); propiedades magnéticas y eléctricas; radiactividad y solubilidad en cloruro de hidrógeno ( HCl).

La dureza se determina en comparación con otros minerales. En la escala de Mohs , un conjunto estándar de minerales se numera en orden creciente de dureza de 1 (talco) a 10 (diamante). Un mineral más duro rayará a uno más blando, por lo que se puede colocar un mineral desconocido en esta escala, por qué minerales; lo raya y lo raya. Algunos minerales como la calcita y la cianita tienen una dureza que depende significativamente de la dirección. La dureza también se puede medir en una escala absoluta usando un esclerómetro ; en comparación con la escala absoluta, la escala de Mohs no es lineal.

La tenacidad se refiere a la forma en que se comporta un mineral, cuando se rompe, aplasta, dobla o rasga. Un mineral puede ser frágil , maleable , sectil , dúctil , flexible o elástico . Una influencia importante en la tenacidad es el tipo de enlace químico ( p. Ej., Iónico o metálico ).

De las otras medidas de cohesión mecánica, la escisión es la tendencia a romperse a lo largo de ciertos planos cristalográficos. Se describe por la calidad ( por ejemplo , perfecta o regular) y la orientación del plano en la nomenclatura cristalográfica.

La separación es la tendencia a romperse a lo largo de los planos de debilidad debido a la presión, el hermanamiento o la disolución . Donde no ocurren 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 un caparazón), fibrosa , astillada , irregular (dentada con bordes afilados) o desigual .

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. También se ve afectado por los defectos de los cristales y el hermanamiento . Muchos cristales son polimórficos y tienen más de una estructura cristalina posible dependiendo de factores como la presión y la temperatura.

Estructura cristalina

La estructura cristalina de perovskita . El mineral más abundante de la Tierra, la bridgmanita , tiene esta estructura. 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. Está representado por una red de puntos que repite un patrón básico, llamado celda unitaria , en tres dimensiones. La celosía se puede caracterizar por sus simetrías y por las dimensiones de la celda unitaria. Estas dimensiones están representadas por tres índices de Miller . La celosía permanece sin cambios por ciertas operaciones de simetría sobre cualquier punto dado en la celosía: reflexión , rotación , inversión e inversión rotatoria , una combinación de rotación y reflexión. Juntos, forman un objeto matemático llamado grupo de puntos cristalográficos o clase de cristal . Hay 32 clases de cristales posibles. Además, existen operaciones que desplazan todos los puntos: traslación , eje del tornillo y plano de deslizamiento . En combinación con las simetrías de puntos, forman 230 posibles grupos espaciales .

La mayoría de los departamentos de geología tienen equipos de difracción de rayos X en polvo para analizar las estructuras cristalinas de los minerales. Los rayos X tienen longitudes de onda que son del mismo orden de magnitud que las distancias entre los átomos. La difracción , la interferencia constructiva y destructiva entre ondas dispersas en diferentes átomos, conduce a patrones distintivos de alta y baja intensidad que dependen de la geometría del cristal. En una muestra que se muele hasta convertirla en polvo, los rayos X muestrean una distribución aleatoria de todas las orientaciones de los cristales. La difracción de polvo puede distinguir entre minerales que pueden parecer iguales en una muestra manual, por ejemplo, el cuarzo y sus polimorfos tridimita y cristobalita .

Los minerales isomorfos de diferentes composiciones tienen patrones de difracción de polvo similares, siendo la principal diferencia el espaciado y la intensidad de las líneas. Por ejemplo, el NaClla estructura cristalina ( halita ) es el grupo espacial Fm3m ; esta estructura es compartida por sylvite ( KCl), periclasa ( MgO), bunsenita ( NiO), galena ( PbS), alabandita ( MnS), clorargirita ( AgCl) y osbornita ( Tinorte).

Elementos químicos

Máquina portátil de fluorescencia de micro-rayos X

Algunos minerales son elementos químicos , incluidos azufre , cobre , plata y 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). A continuación, los elementos en solución se identifican mediante colorimetría , análisis volumétrico o análisis gravimétrico .

Desde 1960, la mayoría de los análisis químicos se realizan mediante instrumentos. Una de ellas, la espectroscopia de absorción atómica , es similar a la química húmeda en que la muestra aún debe disolverse, pero es mucho más rápida y barata. La solución se vaporiza y su espectro de absorción se mide en el rango visible y ultravioleta. Otras técnicas son la fluorescencia de rayos X , el análisis con microsonda electrónica , la tomografía con sonda atómica y la espectrografía de emisión óptica .

Óptico

Microfotografía de olivino adcumulate del arqueana komatita de Agnew, Australia Occidental .

Además de las propiedades macroscópicas como el color o el brillo, los minerales tienen propiedades que requieren un microscopio polarizador para observar.

Luz transmitida

Cuando la luz pasa del aire o del vacío a un cristal transparente, una parte se refleja en la superficie y otra se refracta . La última es una curvatura de la trayectoria de la luz que se produce porque la velocidad de la luz cambia a medida que entra en el cristal; La ley de Snell relaciona el ángulo de flexión con el índice de refracción , la relación entre la velocidad en el vacío y la velocidad en el cristal. Los cristales cuyo grupo de simetría puntual cae en el sistema cúbico son isotrópicos : el índice no depende de la dirección. Todos los demás cristales son anisotrópicos : la luz que pasa a través de ellos se divide en dos rayos polarizados planos que viajan a diferentes velocidades y se refractan en diferentes ángulos.

Un microscopio polarizador es similar a un microscopio ordinario, pero tiene dos filtros polarizados planos, un ( polarizador ) debajo de la muestra y un analizador encima, polarizados perpendicularmente entre sí. La luz pasa sucesivamente por el polarizador, la muestra y el analizador. Si no hay muestra, el analizador bloquea toda la luz del polarizador. Sin embargo, una muestra anisotrópica generalmente cambiará la polarización para que pueda pasar parte de la luz. Se pueden utilizar secciones delgadas y polvos como muestras.

Cuando se ve un cristal isotrópico, aparece oscuro porque no cambia la polarización de la luz. Sin embargo, cuando se sumerge en un líquido calibrado con un índice de refracción más bajo y el microscopio se desenfoca, aparece una línea brillante llamada línea de Becke alrededor del perímetro del cristal. Al observar la presencia o ausencia de tales líneas en líquidos con diferentes índices, se puede estimar el índice del cristal, generalmente dentro de ± 0,003 .

Sistemático

Hanksita , Na 22 K (SO 4 ) 9 (CO 3 ) 2 Cl, uno de los pocos minerales que se considera un carbonato y un sulfato

La mineralogía sistemática es la identificación y clasificación de minerales por sus propiedades. Históricamente, la mineralogía estuvo muy relacionada con la taxonomía de los minerales formadores de rocas. En 1959, la Asociación Mineralógica Internacional formó 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. Hay más de 6.000 minerales con nombre y sin nombre, y cada año se descubren unos 100. El Manual de Mineralogía clasifica los minerales en las siguientes clases: elementos nativos , sulfuros , sulfosales , óxidos e hidróxidos , haluros , carbonatos, nitratos y boratos , sulfatos, cromatos, molibdatos y tungstatos , fosfatos, arseniatos y vanadatos y silicatos .

Ambientes de formación

Los entornos de formación y crecimiento de minerales son muy variados, y van desde la cristalización lenta a altas temperaturas y presiones de fundiciones ígneas en las profundidades de la corteza terrestre hasta la precipitación a baja temperatura de una salmuera salina en la superficie de la Tierra.

Varios posibles métodos de formación incluyen:

Biomineralogía

La biomineralogía es un campo de cruce entre la mineralogía, la paleontología y la biología . Es el estudio de cómo las plantas y los animales estabilizan los minerales bajo control biológico y la secuenciación del reemplazo mineral de esos minerales después de la deposición. Utiliza técnicas de mineralogía química, especialmente estudios isotópicos, para determinar aspectos tales como formas de crecimiento en plantas y animales vivos, así como aspectos como el contenido mineral original de los fósiles.

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

Ecología mineral

En 2011, varios investigadores comenzaron a desarrollar una base de datos de evolución de minerales. Esta base de datos integra la multitud de fuentes sitio Mindat.org , que cuenta con más de 690.000 pares de minerales localidad, con la lista oficial de IMA de minerales aprobados y datos sobre la edad de las publicaciones geológicas.

Esta base de datos permite aplicar estadísticas para responder a nuevas preguntas, un enfoque que se ha denominado ecología mineral . Una de esas preguntas es cuánto de la evolución mineral es determinista y cuánto es el 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 la cantidad de minerales que involucran a 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 potencia . La Luna, con solo 63 minerales y 24 elementos (basados ​​en una muestra mucho más pequeña) 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 pueden esperar ser descubiertas o se han formado y luego se han perdido por erosión, entierro u otros procesos. Esto implica que se produzca un papel del azar en la formación de minerales raros.

En otro uso de grandes conjuntos de datos, la teoría de redes se aplicó 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 con ellos. Esta información se puede utilizar para predecir dónde buscar nuevos depósitos e incluso nuevas especies minerales.

Una tabla de colores de algunas formas crudas de metales comercialmente valiosos.

Usos

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

Una pequeña colección de muestras minerales, con estuches.

Coleccionando

La recolección de minerales también es un pasatiempo recreativo de estudio y recolección , con clubes y sociedades que representan el campo. Los museos, como el Museo Nacional Smithsonian de Historia Natural, el Salón de Geología, las Gemas y los Minerales , el Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles , el Museo de Historia Natural de Londres y el Museo de Minerales Mim privado en Beirut , Líbano , tienen colecciones populares. de especímenes minerales en exhibición permanente.

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

  • Gribble, CD; Hall, AJ (1993). Mineralogía óptica: principios y práctica . Londres: CRC Press. ISBN 9780203498705.
  • Harrell, James A. (2012). "Mineralogía". En Bagnall, Roger S .; Brodersen, Kai; Campeón, Craige B .; Erskine, Andrew (eds.). La enciclopedia de historia antigua . Malden, MA: Wiley-Blackwell. doi : 10.1002 / 9781444338386.wbeah21217 . ISBN 9781444338386.
  • Hazen, Robert M. (1984). "Mineralogía: una revisión histórica" (PDF) . Revista de Educación Geológica . 32 (5): 288-298. doi : 10.5408 / 0022-1368-32.5.288 . Consultado el 27 de septiembre de 2017 .
  • Laudan, Rachel (1993). De la mineralogía a la geología: los fundamentos de una ciencia, 1650-1830 (Pbk. Ed.). Chicago: Prensa de la Universidad de Chicago. ISBN 9780226469478.
  • Oldroyd, David (1998). Ciencias de la tierra: estudios de historia de la mineralogía y geología . Aldershot: Ashgate. ISBN 9780860787709.
  • Perkins, Dexter (2014). Mineralogía . Pearson Higher Ed. ISBN 9780321986573.
  • Rapp, George R. (2002). Arqueomineralogía . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783662050057.
  • Tisljar, SK Haldar, Josip (2013). Introducción a la mineralogía y petrología . Burlington: Elsevier Science. ISBN 9780124167100.
  • Wenk, Hans-Rudolf; Bulakh, Andrey (2016). Minerales: su constitución y origen . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9781316425282.
  • Whewell, William (2010). "Libro XV. Historia de la Mineralogía". Historia de las Ciencias Inductivas: desde los inicios hasta la actualidad . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 187-252. ISBN 9781108019262.

enlaces externos

Asociaciones