¡Descarga Estabilidad mineral y más Apuntes en PDF de Geología solo en Docsity!
5.- Estabilitat mineral
5.1.-Gènesi mineral i ambients formadors de minerals
La gènesi mineral és la part de la mineralogia que s’encarrega de l’estudi dels processos formadors de minerals, comprenent fenòmens com la cristal·lització, transicions de fase, canvis texturals, reaccions químiques, desmescles en estat sòlid..., tots aquests fenòmens estan controlats per lleis termodinàmiques i reaccions químiques, l’estudi de les quals constitueix el camp d’estudi de l’estabilitat mineral.
Un dipòsit mineral és un cos geològic que conté una determinada associació de minerals, aquests responen a les condicions genètiques inicials de la roca però també a canvis posteriors (ex. recristal·lització, aportació de composició per parts de fluids, reaccions d’alteració...). El conjunt de minerals formats contemporàniament formen una paragènesi, en una roca podem trobar-hi diverses paragènesis.
Els minerals es poden formar en ambients molt diversos:
-Solucions aquoses: l’aigua té un elevat poder de dissolució, sobretot a elevada temperatura. Canvis en les condicions de P i T alteren la capacitat de dissolució portant eventualment a la precipitació mineral. D’altra banda també es poden produir fenòmens de precipitació per barreja de solucions aquoses diverses. Segons l’origen es poden distingir solucions exogèniques, és a dir que s’han format a l’exterior (aigües meteòriques) i solucions endogèniques, moltes vegades anomenades hidrotermals ja que acostumen a estar a temperatures elevades. L’origen de les solucions hidrotermals pot ser molt divers: segregació de la part volàtil d’un magma, deshidratació de les roques situades a elevada profunditat, o fins i tot origen extern en primera instància: aigües meteòriques o oceàniques infiltrades a elevades profunditats.
Són típics minerals d’origen hidrotermal el quars, la fluorita o la calcita. D’altra banda, els carbonats (calcita/aragonita) també s’originen comunament per precipitació de fluids exògens (ex. en coves).
-Gas: no és el medi formador de minerals més comú però en alguns casos poden donar lloc a acumulacions importants de minerals: les fumaroles volcàniques són gasos a partir dels quals es formen precipitats d’hematites, sal amònica, sofre, realgar/orpiment. Els dipòsits de gel (paisatges gebrats) també s’originen moltes vegades directament a partir de vapor d’aigua.
-Fluid reactiu: el fluid considerat ara no com a mitjà de transport d’ions que posteriorment precipiten, si no com a fluid que reacciona i altera el lloc per on passa. Un exemple n’és la transformació de roques ultramàfiques (peridotites) en serpentines, roques metamòrfiques amb serpentina, quars, amfíbols...
-Solucions col·loïdals: en general poc importants, són les responsables de molts dipòsits d’òpal que deriven a partir d’un sol, que progressivament es transforma en un gel i finalment en un òpal amb inclusions aquoses.
-Magma: es tracta de sistemes complexos, el medi no només transporta ions o altera l’encaixant, tot ell és formador de roques i tot ell acabarà donant lloc a minerals (excepte els fluids volàtils). D’altra banda la composició d’allò que cristal·litza no sempre és idèntica a la del magma. Si en perspectiva global, però localment en general no és així ja que normalment s’esdevenen processos de diferenciació magmàtica.
-Sistemes sòlids: de vegades els processos formadors de minerals involucren únicament l’estat sòlid (creixement de porfiroblasts, recristal·litzacions). O principalment components en estat sòlid. Molts d’aquests sistemes són típics de l’àmbit metamòrfic. No tots però, per exemple: ·la cristal·lització d’un vidre amorf (d’origen volcànic o químic) ·transformacions de fase, com diamant en grafit; o aragonita en calcita ·alteracions de baixa pressió i temperatura com la limonitització.
En qualsevol dels ambients el que determina l’aparició dels canvis i la formació dels minerals són els camps d’estabilitat, i el que determina quins són els límits dels diversos camps d’estabilitat és com sempre la minimització energètica.
5.2.-Relació textura mineral – processos formadors
Un dels objectius de l’assignatura, que es va perfeccionant en cursos posteriors és el de fer interpretacions sobre els processos formadors de les roques i minerals que s’observen a través del microscopi. Per a poder fer interpretacions correctes cal tenir clara la correlació entre textura i processos formadors, sense perdre de vista que a part de la textura hi ha altres elements que ens ajuden a desentrellar la naturalesa d’allò que observem: com ara la composició, la presència de determinats minerals o el context geològic general.
Les principals textures i els processos que s’hi associen més freqüentment són:
Textura homocristal·lina
Elements texturals: cristalls de diversos minerals però sovint amb un de majoritari (per exemple quars o calcita). És la textura ideal per descriure tipus de contactes entre cristalls i caracteritzar la forma dels cristalls (idiomorfs, hipidiomorfs, al·lotriomorfs).
Interpretacions freqüents: -Roca ígnia plutònica: típicament amb cristalls de quars. És el producte del refredament lent d’un magma ric en sílice. -Roca de metamorfisme de contacte: típicament amb cristalls de calcita o silicats càlcics. És el producte de la recristal·lització d’una roca carbonàtica o bé margosa per contacte amb una intrusió magmàtica. -Roca sedimentària evaporítica: típicament amb cristalls de clorurs o de guix. És el resultat de la precipitació d’un fluid per sobresaturació. -Roca sedimentària química: típicament amb cristalls de calcita. És el resultat de la precipitació com a conseqüència de processos químics o bioquímics.
Elements com la presència d’esquerdes reomplertes de guix o calcita, elements de naturalesa clàstica o bé fòssils, ens poden ajudar a identificar la naturalesa sedimentària d’una roca amb aquesta textura.
Textura sense elements visibles (vítria, microcristal·lina o microclàstica)
Elements texturals: cristalls no visibles o inexistents (la matriu sovint es comporta isòtropament), poden haver-hi esfèrules (nuclis de cristal·lització), porositat de vegades reomplerta per cristalls ben visibles. És una textura de difícil caracterització perquè els seus constituents majoritaris són massa petits per observar-los amb el microscopi.
de vegades pràcticament inobservables amb el microscopi, el conjunt està cohesionat mitjançant un ciment generalment de naturalesa carbonàtica o silícica. Pot haver-hi porositat (clasts dissolts o bé esquerdes) que pot estar reomplerta pel ciment.
Intepretació freqüent: roca sedimentària clàstica. És el resultat de l’acumulació i litificació de fragments d’altres roques i productes de la seva alteració.
5.3.-Diagrames de fase – Relacions texturals
Són eines molt útils per interpretar la formació de textures formades en condicions d’equilibri químic (especialment textures plutòniques, resultat de la cristal·lització lenta d’un magma).
- La regla de les fases
És una senzilla regla que relaciona el nombre de fases minerals (p) amb el nombre de composicions químiques (c) en un sistema i el nombre de possibles reaccions:
p = c + m − f
on: m és el nombre de paràmetres externs que es poden variar en el sistema, ex. pressió, temperatura... f són els graus de llibertat del sistema, és a dir quants paràmetres es poden variar de forma independent sense alterar l’estat del sistema i la composició de les fases.
La regla de les fases té múltiples usos i pot aplicar-se tant a sistemes senzills com complexos. En un magma que cristal·litza, la regla de les fases ens diu que el nombre de compostos químics del líquid serà igual al nombre de minerals diferents que es formaran en el sòlid.
Els sistemes geològics però, poden ser oberts, sovint part dels components inicials desapareixen del sistema, per això de vegades s’afegeix el paràmetre M (mòbils) a la regla de les fases:
p = c + m − f − M
La regla de les fases permet visualitzar de forma molt senzilla el nombre de fases estables en diverses zones d’un diagrama de fases monocomposicional: i) en una zona qualsevol únicament serà estable una fase. ii) sobre la línia que separa dos camps d’estabilitat coexistiran dues fases. iii) allà on s’intersecten dues línies (un punt triple) hi coexistiran tres fases.
Els diagrames de fases es realitzen a partir de càlculs termodinàmics, aplicant l’anomenada regla de les fases o bé com a resultat de l’experimentació. En general s’elaboren diagrames de fases en els quals es confronten dues variables (generalment pressió vs. temperatura, tot i que les variables implicades poden ser moltes altres: pressió parcial, fugacitats, activitats, pH, potencial d’oxidació-reducció, o bé composició (que poden incloure solucions sòlides)). També s’usen (tot i que més rarament) els diagrames tridimensionals que relacionen tres variables.
- Solucions sòlides
Les solucions sòlides són estructures cristal·lines que admeten més d’una composició, en les quals, almenys una de les posicions cristal·logràfiques té un factor d’ocupació inferior a 1, ja sigui perquè està parcialment ocupat o bé per que es tracta d’una posició que pot ser ocupada per més d’un tipus d’àtom o ió. Els ions o grups iònics es poden substituir si tenen diferències de radis iònics petites (<15 %), i idèntica càrrega elèctrica (o bé si en tenen de diferent que es produeixi una compensació de càrrega a través d’una altra substitució).
Tipus de solucions sòlides:
-solució sòlida substitucional
Una determinada posició és ocupada per dos o més ions indistintament, un exemple n’és la sèrie de l’olivina: la sèrie va des de l’extrem magnèsic (forsterita: Mg 2 SiO 4 ) fins a l’extrem fèrric (faialita: Fe 2 SiO 4 ). Totes les composicions intermèdies (amb un cert percentatge de Fe i Mg són possibles). Per a un determinat membre de la sèrie, les posicions de Fe i Mg són indistingibles, simplement cada posició té estadísticament un percentatge de Fe i de Mg.
-solucions sòlides intersticials
En una determinada estructura cristal·lina, part dels intersticis (=forats) estan ocupats (parcialment o totalment) per un ió o un grup iònic petit. Són exemples de solucions sòlides intersticials la blenda (que pot acceptar en els intersticis un cert percentatge de Fe, convertint-se en blenda fèrrica), o l’acer inoxidable (que admet un cert percentatge de C en els intersticis deixats per l’estructura d’àtoms de Fe). També ho són però els minerals hidratats que poden formar sèries composicionals amb els seus equivalents deshidratats: CaSO 4 ·2H 2 O (guix) ↔ CaSO 4 (anhidrita) O bé minerals amb estructures molt obertes (com les zeolites) que poden allotjar ions o grups iònics de caràcter divers en els seus intersticis.
-solucions sòlides acoblades
Són aquelles solucions sòlides en les quals es combinen dues o més substitucions. L’exemple paradigmàtic és la sèrie de les plagiòclasis:
NaAlSi 3 O 8 (albita) ↔ CaAl 2 Si 2 O 8 (anortita)
Sobre la composició de sílice pura (SiO 2 ) o bé Si 4 O 8 , en el cas de l’albita, un dels Si4+^ és substituït per Al 3+^ , per a compensar la diferència de càrrega, s’admet Na+^ en l’estructura. En l’extrem càlcic (anortita), han estat dos els silicis substituïts per alumini i per això el catió que entra en l’estructura passa a ser divalent (Ca 2+^ ). Qualsevol membre intermedi de la sèrie de les plagiòclasis té un nombre de silicis substituïts per alumini d’entre 1 i 2 (per cada 4 silicis) i el percentatge de Na i Ca que entra en l’estructura compensa exactament el dèficit de càrrega causat per la substitució de Si per Al.
Per a calcular el percentatge de líquid i sòlid a una determinada temperatura és pràctic utilitzar l’anomenada regla de la balança: utilitzant com a punt de sosteniment la composició inicial del líquid, els extrems de la balança són el líquid i el sòlid. El percentatge de sòlid és la distància del punt on es troba el líquid fins al punt de sosteniment dividit per la llargada de la balança (distància sòlid-líquid).
A la cristal·lització d’exemple (a la figura) s’obté una textura porfírica, fenocristalls del mineral B (que cristal·litzava inicialment en solitari) en una matriu formada per intercreixements de cristalls més petits dels minerals A i B. Si el líquid inicial hagués tingut una composició més propera a la del punt eutèctic la textura resultant hagués estat molt més homogènia i equigranular.
Els diagrames de fases que relacionen dues composicions que poden formar solució sòlida (i no simplement dos minerals independents) són similars però presenten línies solidus que no són horitzontals. D’aquesta manera, la cristal·lització d’un líquid de composició determinada dóna lloc a un sòlid de composició intermèdia (entre els extrems purs A i B).
De la mateixa manera que la composició del líquid, a mesura que baixa la temperatura el sòlid va reequilibrant-se amb el líquid i la seva composició va variant. Teòricament la solució sòlida en equilibri amb el líquid a una determinada temperatura és homogeni. A la pràctica però el sòlid no té temps de reequilibrar-se composicionalment i en general es desenvolupen textures amb zonacions composicionals en els cristalls que van creixent.
Els diagrames que involucren sèries composicionals poden incloure camps d’estabilitat de la solució sòlida (en general per a temperatures elevades) que a temperatures més baixes són inestables i es desmesclen en termes més purs de la sèrie composicional. Aquest tipus de diagrames expliquen la formació de textures de desmescla, ex. textures pertítiques.
A la figura de l’exemple s’ha representat amb les sagetes vermelles, la cristal·lització d’un líquid que pot donar lloc a una solució sòlida. Quan el líquid intersecta el liquidus hi rellisca tendint a caure al punt eutèctic, simultàniament el sòlid que cristal·litza és un terme ric en A de la solució sòlida A-B i conforme baixa la temperatura va tendint a un terme de composició intermèdia. Quan la composició de la solució sòlida iguala la del líquid inicial, el líquid ha cristal·litzat completament. A continuació la solució sòlida formada es va refredant sense novetat fins que s’intersecta la línia del solvus. Per sota del solvus la solució sòlida inicial es desmescla en dues solucions sòlides que es van allunyant composicionalment a mesura que baixa la temperatura. Per a calcular-ne la composició i proporcions respectives a qualsevol temperatura n’hi ha prou amb aplicar la regla de la balança.
En alguns casos, la solució sòlida no és possible en tots els seus termes en cap rang de temperatura. En aquests casos el diagrama de fases mostrarà un solidus que intersecta, en un cert rang de composició, amb la línia del solvus formant una línia horitzontal tal com hem vist que es produeix en els diagrames de fase entre dues fases minerals que no formen solució sòlida.
