Roca Y Minerales- Conceptos 5n5u65

MINERALES Y ROCAS ! ! !

1 MINERALES Y ROCAS ! 1.1 MINERALES Un mineral es un sólido natural que posee una determinada composición química, o una escala definida de composiciones químicas y propiedades físicas igualmente determinadas. El número de minerales conocidos sobrepasan los 2.000, citando algunos autores cifras superiores a los 4.000, debiéndose esta diferencia a que estas últimos aplican con menor rigor las características anteriormente aludidas. Los minerales poseen generalmente una estructura interna organizada como consecuencia de un ordenamiento sistemático de sus átomos constitutivos, es decir, son cristalinos. Algunos sólidos naturales carecen de esta propiedad de ordenación y son amorfas (vidrios volcánicos, ámbar, geles, carbones, asfaltos). Muchas de estas substancias amorfas, que algunos autores denominan mineraloides, no constituyen en realidad especies estables definitivas, sino fases intermedias de reestructuración, cuyo estado final son minerales perfectamente cristalinos. 1.2 ROCAS Las rocas son agregados naturales formados por uno a más minerales. Dentro del conjunto de minerales que forman una roca determinada se distinguen los minerales esenciales y accidentales. Los primeros son los que se presentan de una manera constante en la composición de la roca y la ausencia de una de ellos hace que la combinación de minerales se clasifique como una roca diferente a la anterior. Un mineral petrogénico es accidental cuando su presencia en una roca no es precisa para la existencia de la misma. Las rocas no constituyen por sí mismas asiento de vida, es necesario que se produzca una alteración en ellas para que den origen a un suelo que sea soporte de seres vivos.

2 CONCEPTOS Y ORIGEN DE LOS YACIMIENTOS MINERALES 2.1 INTRODUCCION Los elementos químicos que componen nuestro planeta están distribuidos de una forma que a grandes rasgos es muy regular, ya que depende de dos grandes factores: • Su abundancia en cada una de las capas que componen el planeta. • Su naturaleza y composición de las rocas presentes en cada sector concreto que analicemos. Sobre la base de los datos conocidos sobre la naturaleza y composición geoquímica, mineralógica y petrológica de las diferentes capas en que está dividido nuestro planeta, la composición es simple y homogénea en la zona más profunda (núcleo), e intermedia en el manto, mientras que la capa más superficial (la corteza) presenta una composición más compleja y heterogénea. Esto último se debe a su vez a dos factores. El hecho de que la diferenciación planetaria haya producido un enriquecimiento relativo de esta capa en los elementos más ligeros, que no tienen cabida en los minerales que componen el manto, que son de composición relativamente simple: fundamentalmente silicatos de Mg y Fe. Eso hace que con respecto al manto, la corteza sólo esté empobrecida en elementos como Fe y Mg (en lo que se refiere a elementos mayoritarios) y Ni, Cr, Pt, en lo que se refiere a minoritarios o trazas. La mayor complejidad de los procesos geológicos que operan en la corteza producen fenómenos muy variados de enriquecimiento o empobrecimiento de carácter local, que afectan a la concentración de los distintos elementos químicos de diferentes maneras. De esta manera, podemos entender a la corteza como aquel segmento de nuestro planeta en el que se rompe la homogeneidad de la distribución de los elementos que encontramos en capas más profundas. Por ejemplo, a pesar de que existan algunas variaciones de composición en el manto, éstas son insignificantes con respecto a la altísima variabilidad que observamos en la corteza. Así, en ésta existen rocas ígneas que independientemente de su ubicación, van desde composiciones peridotíticas hasta las graníticas. Es en la corteza donde, además, encontraremos las rocas sedimentarias y metamórficas.

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Los procesos que llevan a la diferenciación de un magma, o a la formación de una roca sedimentaria o metamórfica implican a veces grandes transformaciones químico-mineralógicas. Durante el curso de esos procesos es que algunos elementos o minerales se pueden concentrarse selectivamente, muy por encima de sus valores “normales” para un tipo determinado de roca, dando origen a concentraciones “anómalas” que denominamos “yacimientos minerales”. Para permitir que la extracción de algún elemento en una roca resulte rentable, es muy importante considerar los aspectos geoquímicos de cómo el elemento se encuentran distribuidos en la corteza. Dependiendo de su concentración, se dará lugar a un yacimiento mineral producido como consecuencia de algún proceso geológico (ígneo, sedimentario o metamórfico) que produjo tal concentración del elemento. Ejemplo, el oro que se encuentra concentrado en los yacimientos sedimentarios de tipo placer puede proceder del oro diseminado en áreas de gran extensión regional. En esas áreas el oro estará presente en las rocas, pero en concentraciones demasiado bajas como para poder ser extraído con una rentabilidad económica. Sin embargo, en un proceso sedimentario produce su concentración en los aluviones o en playas, posibilitando en algunos casos su extracción económica. El otro factor importante a considerar es el económico son las concentraciones en que se encuentran, pueden o no ser de interés económico, lo que cual define si el yacimiento es explotable o no, en función de factores muy variados, entre los que destacan el valor económico del mineral o minerales extraídos, su concentración o ley, el volumen de las reservas, la mayor o menos proximidad de puntos de consumo, la evolución previsible del mercado, etc., factores algunos fácilmente identificables, mientras que otros son casi imposibles de conocer de antemano. Esta conjunción de factores geológicos y económicos hace que el estudio de los yacimientos minerales sea una cuestión compleja y problemática, en la que hay que conjugar la labor de especialistas de distintos campos, ya que incluye desde las cuestiones que afectan a la prospección o búsqueda de estas concentraciones, su evaluación, el diseño y seguimiento de su explotación minera, el estudio de la viabilidad económica de la explotación, el análisis del mercado previsible para nuestro producto, hasta factores políticos (estabilidad económica y social de un país) o cuestiones medioambientales, como la recuperación de los espacios afectados por esta actividad. 2.1.1 Conceptos básicos Cuando hablamos de Yacimientos Minerales, hay una serie de conceptos que tienen una gran importancia, ya sea en los aspectos geológicos-geoquímicos, o económicos. Algunos conceptos importantes son: Mena: Mineral que presenta interés minero. En general, es un término que se refiere a minerales metálicos y que designa al mineral del que se extrae el elemento de interés. Para poder aprovechar mejor la mena, suele ser necesario su tratamiento, que en general comprende dos etapas: el tratamiento in situ en la mina, para aumentar la concentración del mineral en cuestión (procesos hidrometalúrgicos, flotación, etc.), y el tratamiento metalúrgico final, el que permita extraer el elemento químico en cuestión (tostación, electrolisis, etc.). Ganga: Comprende a los minerales que acompañan a la mena, pero que no presentan interés minero en el momento de la explotación. Conviene resaltar que minerales considerados como ganga en determinados momentos se han transformado en menas al conocerse alguna aplicación nueva para los mismos. Subproductos: Suelen ser minerales de interés económico, pero que no son el objeto principal de la explotación, pero si aumentan el valor económico de la producción: por ejemplo, el Cd o el Hg contenido en yacimientos de súlfuros, el manganeso o molibdeno contenido en los pórfidos cupríferos. Reservas: cantidad (masa o volumen) de mineral susceptible de ser explotado. Depende de un gran número de factores: ley media, ley de corte, y de las condiciones técnicas, medioambientales y de mercado existentes en el momento de realizar la explotación. Recurso: Cantidad total de mineral existente en la zona, incluyendo el que no podrá ser explotado por su baja concentración o ley. Ley media: Es la concentración que presenta el elemento químico de interés minero en el yacimiento. Se expresa como tantos por ciento, o como gramos por tonelada (g/ton). Ley de corte: Es la concentración mínima que debe tener un elemento en un yacimiento para ser explotable, es decir, la concentración que hace posible pagar los costos de su extracción, tratamiento y comercialización. Es un factor que depende a su vez de otros factores, que pueden no tener nada que ver con la naturaleza del yacimiento, como puede ser su proximidad o lejanía a vías de transporte, avances tecnológicos en la extracción, etc. Factor de concentración: Es el grado de enriquecimiento que tiene que presentar un elemento con respecto a su concentración normal para que resulte explotable, es decir: INGRID GARCES M. / UNIV. DE ANTOFAGASTA! !

Ley de corte Fc = --------------------

(ec.1.1)

Clark

2.1.2 Origen de los yacimientos minerales El origen de los yacimientos minerales puede ser tan variado como lo son los procesos geológicos, y prácticamente cualquier proceso geológico puede dar origen a yacimientos minerales. En un estudio más restrictivo, hay que considerar dos grandes grupos de yacimientos: Los de minerales, ya sean metálicos o industriales, que suelen tener su origen en fenómenos locales que afectan a una roca o conjunto de éstas, Los de rocas industriales, que corresponden a áreas concretas de esa roca que presentan características locales que favorecen su explotación minera. Procesos sedimentarios La sedimentación detrítica da origen a rocas como las areniscas, y a minerales que podemos encontrar concentrados en éstas, en yacimientos denominados de tipo placer: oro, casiterita, gemas. La sedimentación química da origen a rocas de interés industrial, como las calizas, y a minerales industriales, como el yeso o las sales. La sedimentación orgánica origina las rocas y minerales energéticos: carbón e hidrocarburos sólidos (bitúmenes, asfaltos), líquidos (petróleo) y gaseosos (gas natural). También origina otras rocas y minerales de interés industrial, como las fosforitas, o las diatomitas, entre otras. Como ya se ha mencionado, la sedimentación asociada a los fenómenos volcánicos produce yacimientos de minerales metálicos de gran importancia. Procesos metamórficos El metamorfismo da origen a rocas industriales importantes, como los mármoles, o las serpentinitas, así como a minerales con aplicación industrial, como el granate. No suele dar origen a yacimientos metálicos, aunque en algunos casos produce en éstos transformaciones muy importantes. En conclusión, en cada caso han de darse determinadas condiciones que permitan que se origine el yacimiento, como algo diferenciado del conjunto rocoso, en que uno o varios procesos geológicos han actuado de forma diferencial con respecto al resto del área, permitiendo que se produzcan esas condiciones especiales que suponen la génesis del yacimiento. Fenómenos volcánicos El volcanismo incluye en el detalle una gran variedad de procesos, en función de la naturaleza del magma que llega a la superficie, de la forma en que es extraído a la superficie, de los volátiles que acompañan a la roca, así como del hecho de que el proceso se produzca en un medio subaéreo o subacuático. Esto da origen a la gran variedad de rocas y yacimientos minerales que encontramos asociados a los procesos volcánicos. El volcanismo es la manifestación en superficie de los procesos magmáticos. El principal fenómeno volcánico es la erupción, es decir, la salida del magma a la superficie. Hay una gran variedad de factores que controlan la salida, unos son propios de la composición del magma y otros son externos a la naturaleza del magma, tipo de accidente por el que se produce la salida del magma, carácter subaéreo o submarino de la erupción, etc. 2.1.3 Rocas y yacimientos de precipitación química La precipitación química directa de los iones contenidos en las aguas que rellenan las cuencas sedimentarias da origen a diversos tipos de yacimientos, entre los que se destacan por ser más característicos son las evaporitas. En el resto de los casos, y en especial en el caso de yacimientos metálicos, la presencia de estos iones en el agua de la cuenca correspondiente a menudo está relacionada con actividad volcánica, lo que hace que este tipo de yacimientos se agrupen como volcano-sedimentarios, o exhalativo-sedimentarios. No obstante, algunos de ellos sí se describen como relacionados con procesos sedimentarios sin participación volcánica, como es el caso de los nódulos de manganeso. Las rocas evaporíticas son las principales rocas químicas, formadas por precipitación química directa de los componentes minerales. Suelen formarse a partir del agua de mar, pero también existen evaporitas continentales, formadas en lagos salados, o en regiones desérticas.

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Se originan, por tanto, como consecuencia de la evaporación de las aguas que contienen abundantes sales en disolución. Al alcanzarse, por evaporación, el nivel de saturación en las sales correspondientes, se produce la precipitación del mineral. Por lo general, las precipitaciones se producen de forma sucesiva, en un primer lugar precipitan las sales menos solubles y a medida que aumenta la evaporación , van precipitando las más solubles según sea su producto de solubilidad (Kps). 2.1.4 Evaporitas marinas Los mares contienen la mayor proporción de sales. El contenido medio en sales de los mares para los aniones mayoritarios son: Cl- 19.010 ppm ; SO42- 2.717 ppm y 137 ppm en HCO3- ; mientras que los cationes mayoritarios contienen Na+ igual a 10.800 ppm; Mg2+ 1.296 ppm; Ca2+ 413 ppm y K+ con 407 ppm. La salinidad media del agua del mar es del orden de 3.5%, valor que es relativamente homogéneo en términos de grandes océanos. Este contenido salino puede alcanzar valores incluso del 30%. Para que se pueda producir la concentración de las sales al punto de saturación, debe darse un mecanismo que favorezca la evaporación del agua en volúmenes reducidos y sin comunicación con el mar para que no se renueve el agua. Esto se traduce en un tipo determinado de medios sedimentarios: las albuferas, en que en estos casos existe un brazo de mar individualizado del mismo por una barrera de arena, permitiendo sólo de forma ocasional el paso del agua, aislando el sistema durante largos periodos. En estas condiciones y bajo una fuerte insolación, el agua se evapora, aumentando progresivamente la concentración en sales, hasta que durante una tormenta o una pleamar especialmente intensa vuelve a introducir agua de mar en la cuenca, reiniciándose nuevamente el proceso. En cualquier caso, el contenido medio en sales de los mares y océanos permite establecer la naturaleza de las sales que precipitan a partir del agua de mar. La secuencia sería: • en primer lugar se alcanza la saturación en sulfato cálcico, que es el menos soluble, así será el yeso o anhidrita, los primeros minerales que precipiten. • a continuación se produce la saturación en cloruro sódico, con lo cual la precipitación siguiente es de halita. • finalmente, precipitan los cloruros de potasio y magnesio (silvina, carnalita.), que son las especies más solubles. A menudo estos minerales aparecen constituyendo capas dentro de las formaciones evaporíticas, en las que se intercalan con yeso en las capas basales, halita en las intermedias, y sales potásicas y magnésicas en las más altas. Este último tipo lo constituyen los yacimientos de mayor valor económico, los denominados yacimientos potásicos, de los que se extraen las sales potásicas o “potasas” de usos fertilizantes. Para que se formen este tipo de yacimientos, se requieren condiciones geológicas y climáticas muy extremas: cuencas relativamente profundas, de ambiente marino confinado, y sometidas a condiciones climáticas de gran aridez. En cuanto a las aplicaciones de este tipo de rocas, son tan variadas como su propia naturaleza. Las ricas en yeso se explotan para obtener material de construcción (la escayola, obtenida por calcinación del yeso). Las ricas en halita, para obtener cloruro sódico de variados fines industriales, en la obtención de cloro y sus derivados, sosa y sus derivados, en la industria alimenticia, mientras que las sales potásicas se explotan para obtener fertilizantes y en la fabricación de jabones, vidrios especiales, cerámicas, entre otras. 2.1.5 Evaporitas lacustres Los lagos contienen por lo general aguas dulces, pero en ocasiones pueden llegar a contener aguas ricas en sales. Este tipo de lagos puede dar lugar a tres tipos de yacimientos minerales, que pueden formarse a partir de aguas de lagos salinos que serían: • intracontinentales, depósitos de sales sulfatadas sódicas (thenardita, glauberita) o magnésicas (epsomita), • depósitos de carbonatos alcalinos (trona, natron), y • depósitos de arcillas especiales (sepiolita, palygorskita). De ellos, mayor relevancia presentan los de sulfato sódico y arcillas especiales. Los de sulfato sódico constituyen acumulaciones estratificadas de estos minerales, thenardita y glauberita mayoritariamente, a menudo acompañados de otras sales, como halita, yeso, polihalita, y otros sulfatos más o menos complejos e hidratados de Na, Ca y Mg, que se presentan por lo general interestratificados con niveles arcillosos. Se explotan para la extracción del sulfato sódico puro, que se emplea sobre todo en la fabricación de detergentes sólidos, en sustitución de los fosfatos, que producen efectos medioambientales indeseados (eutrofización). Otros usos son la fabricación del papel kraft y vidrios especiales. Las principales áreas de explotación de estos yacimientos son los lagos salinos del Norte-Centro de EE.UU. y Sur-Centro de Canadá (el Gran Lago Salado, Salt Lake City, en Utah, como los más importante), el Lago Searles. INGRID GARCES M. / UNIV. DE ANTOFAGASTA! !

En España son importantes los sedimentos terciarios de las cuencas de Madrid (Villaconejos, M. y Villarrubia de Santiago) y del Ebro (Alcandrade-Arrúbal, La Rioja y San Adrián, Navarra). El otro tipo de yacimientos importante mencionado anteriormente son los depósitos de arcillas especiales, fibrosas (sepiolita—palygorskita). El origen estaría en la precipitación química directa de este mineral en medios evaporíticos atípicos (fundamentalmente pantanos de regiones áridas) ,caracterizados por la escasez de aniones cloruro y sulfato y la abundancia de cationes, especialmente Mg. Suelen constituir masas lenticulares, de espesor y continuidad lateral variable, intercaladas entre materiales detrítico-carbonatados, a menudo directamente relacionados con secuencias evaporíticas típicas. 2.1.6 Evaporitas de medios desérticos En los grandes desiertos la meteorización química actúa generando sales solubles que quedan durante largos periodos de tiempo sobre las rocas a partir de las cuales se forman. Al caer las lluvias, escasas pero frecuentes en ciertos periodos, se produce la lixiviación de estas sales, las que al circular por el terreno quedan entrampadas en cuencas y al cesar las lluvias se evaporan rápidamente, produciéndose la concentración de estas sales. En estas condiciones se forman concentraciones salinas de composición muy variable en función de la naturaleza de las rocas existentes en la zona. Ejemplos conocidos son el Salar de Atacama, en el que se produce la concentración de halita enriquecida en elementos como Mg, K, Li y B (ver la gama de productos en industria del litio y salitre), además de otros salares de no menos importancia como el Salar de Surire, Salar de Pintados, etc. Todos ubicados en la zona norte de Chile, otros mundialmente conocidos son el Valle de la Muerte, en el Desierto de Mojave (SE de California, EE.UU.), en el que el mineral concentrado es el bórax, o las zonas desérticas de alta montaña (Himalaya) de Cachemira (India), en la que también se localizan lagos ricos en depósitos de bórax. El salar de Hombre Muerto en Argentina o el de Uyuni en Bolivia, también son un ejemplo de este tipo. 2.1.7 Yacimientos de azufre El azufre nativo a menudo se encuentra asociado a los yacimientos de yeso evaporítico, como consecuencia de la acción de bacterias sulfo-reductoras, que transforman el sulfato (SO4-2) en súlfuro (S+2), que se reduce a su vez para dar azufre nativo. Se forman así concentraciones masivas de azufre sedimentario, que junto con las de origen volcánico constituyen los principales tipos de yacimientos de este elemento. No se pueden considerar, por tanto, yacimientos químicos en sentido estricto, sino bioquímico, aunque aparecen asociados a los yacimientos químicos de evaporitas. Es interesante describir brevemente el método de explotación utilizado para este elemento, denominado “método Frasch”, el cual consiste en la inyección de agua sobrecalentada o de vapor de agua en los lugares que contienen este elemento. Debido a que el azufre funde a 112º C y a 160º C, constituye un líquido de viscosidad muy baja, el cual fluye con gran facilidad y puede ser bombeado hasta superficie, recuperándose de esta forma el azufre. 2.1.8 Evaporitas y halocinesis o diapirismo Un carácter común en los yacimientos de evaporitas que afecta a su morfología respecto a las series sedimentarias que los albergan, es que pueden haber sufrido los efectos del proceso denominado diapirismo o halocinesis, es decir, el movimiento de las masas salinas a lo largo de series sedimentarias, dando origen a los denominados diapiros. Este fenómeno está relacionado con dos características típicas de estos materiales: su baja densidad y su comportamiento mecánico de carácter viscoso. De esta forma, cuando una capa potente, o toda una formación de estos materiales intercalados entre otros más densos, sufre una incipiente deformación tectónica que implica la formación de un bucle, se produce una cierta migración de material hacia la zona del bucle que incrementa localmente el espesor de la capa o formación en ese punto. Este aumento de potencia implica también un aumento de volumen, y a su vez, un aumento del empuje de Arquímedes producido por la diferencia de densidad entre estas rocas y las situadas por encima y debajo, que se traduce en el desencadenamiento de un proceso de ascenso de los materiales, formado el diapiro propiamente dicho. La morfología final de estos diapiros puede ser muy variada, en función de distintos factores, entre los que destacan la potencia original de la capa o formación salina, y la naturaleza y comportamiento mecánico de las rocas supra-adyacentes, afectadas por el proceso de halocinesis. Este proceso es, por tanto, el responsable de que las evaporitas a pesar de tratarse de rocas sedimentarias, a menudo formando parte de series sedimentarias de regiones muy poco afectadas por deformación tectónica, no se encuentren constituyendo capas horizontales, perfectamente interestratificadas en las series originales, sino formando estas estructuras, de morfologías más o menos complejas, y que incluso pueden mostrar actividad a

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escala de observación directa, como es el caso, por ejemplo, del diapiro de Cardona (Barcelona), en el que se registran ascensos anuales de 5 a 10 mm.. !

3 ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MINERALES El estado cristalino de los minerales se traduce por la anisotropía de la mayor parte de sus características; es decir, no se mantienen constantes sus propiedades físicas en todas las direcciones. Existen seis tipos de mallas o redes tridimensionales a la que se ajustan todas las posibles estructuras internas de los minerales cristalinos, dando origen a los conocidos sistemas de cristalización: regular, hexagonal, tetragonal, rómbico, monoclínico y triclínico. La formación de los cristales es, una ordenación de átomos o radicales que los mantiene unidos por una fuerza que, según sea su naturaleza, define cuatro tipos de enlace: Iónico, enlace resultante de la atracción electrostática entre iones de cargas opuestas. Los cationes adquieren la configuración de un gas noble por medio de la pérdida de electrones, y los aniones por ganancia de éstos. Covalente, este enlace se caracteriza por la integración de los orbitales de valencia compartiendo electrones. Metálico, es aquel enlace que se presenta en asociaciones de iones positivos empaquetados estrechamente y penetrados por un continuo de electrones cargados negativamente. De Van der Waals o enlace residual, es un enlace muy débil y nacido de una distribución no uniforme de cargas. Por conveniencia, en mineralogía se consideran iónicos a la mayoría de las estructuras internas, pero en realidad la unión es generalmente de carácter intermedio o mixto entre los varios tipos de enlace. Así, en sentido estricto, por ejemplo, la halita o sal común posee enlace iónico; el diamante es de enlace covalente; el cobre nativo tiene enlace metálico; el grafito, dentro de cada hoja presenta enlaces covalentes mientras que entre hojas el enlace es de Van der Waals La formación de los cristales a partir de iones simples o de radicales más complejos se basa entre otras, en las siguientes consideraciones descritas por Pauling Alrededor de cada catión están dispuestos aniones que ocupan los vértices de un poliedro. Este poliedro se llama de coordinación y su naturaleza está determinada por la relación de radios iónicos. Cuando iones de cargas opuestas constituyen un cristal, los iones tienden a colocarse de la forma más compacta posible. Si imaginamos a estos iones como esferas de radio ra (radio del anión) y rc (radio del catión), se puede considerar que cada catión cae en el centro de un poliedro regular cuyas vértices están ocupados por un anión, de manera que la esfera del catión esté en o con las de todos los aniones situados en los vértices. El número de aniones, en el poliedro, es el número de coordinación del catión con relación a los aniones. Naturalmente, la geometría del poliedro de coordinación depende de los tamaños relativos de los iones. Así, por ejemplo, para que el poliedro sea un cubo es preciso que rc/ra sea mayor de 0.732 porque, si el radio del catión fuera menor, esta esfera catiónica no podría ser tangente a todas las aniónicas.

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Por consideraciones geométricas similares podemos llegar al siguiente cuadro, no exhaustivo: RC/RA Coordinación Catiónica Nºcoordinación mayor de 0.155 3 aniones en los vértices de un triángulo 3 mayor de 0.225 4 aniones en los vértices de un tetraedro 4 mayor de 0.414 6 aniones en los vértices de un octaedro 6 mayor de 0.732 8 aniones en los vértices de un cubo 8 mayor de 1.0 12 aniones en los puntos medios 12 de las aristas de un cubo El oxígeno es el elemento más común en la corteza terrestre y su radio iónico es de 1.40 Å. El radical oxhidrilo, también muy abundante en los minerales tiene radio iónico similar. Comparando este valor con los radios iónicos de los cationes más frecuentes en los minerales, aún teniendo en cuenta que el radio iónico de los elementos varía ligeramente con su coordinación, por deformación o polarización de la red de electrones al acoplarse a una cavidad mayor a menor, se pueden deducir las posibles coordinaciones de los siguientes cationes: catión Nº coordinación catión Nºcoordinación Si+4 4 Fe+3 6 Al+3 4a6 Mn+2 6 + Na 6a8 Mn+4 4 K+ 8 a 12 Zn+2 4a6 Mg+2 6 Ag+ 6 Ca+2 6a8 Ag+2 6 +2 Ba 8 a 12 Pb+2 6 a 10 Fe+2 6

En la estructura interna de los minerales es posible distinguir cuatro conceptos: • Polimorfismo: Muchos cuerpos pueden tener una composición química idéntica y presentarse bajo formas cristalinas diferentes. De acuerdo con lo dicho anteriormente, su anisotropía será distinta en un caso que en otro, y, por tanto, forman minerales diferentes. Entre los ejemplos más corrientes tenemos:

TABLA Nº1.1: Ejemplos de algunos sistemas cristalinos de minerales comunes. COMPOSICIÓN QUÍMICA

SISTEMA DE CRISTALIZACIÓN

MINERAL

regular C

diamante hexagonal

C

grafito hexagonal

CaCO3

calcita rómbico

CaCO3

aragonito

regular FeS2

pirita rómbico

FeS2

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marcasita

•

•

•

Isomorfismo: Recíprocamente, muchos cuerpos son mineralógicamente próximos entre sí porque cristalizan en el mismo sistema o cristalizan simultáneamente dando similares propiedades físicas y químicas. Estos cuerpos se denominan isomorfos y pueden tener todas las composiciones intermedias de los constituyentes puros, A y B, presentando propiedades que varían de forma continua de un compuesto a otro. Los olivinos y las plagioclasas son un ejemplo. Cristalización y criptocristalización: La estructura interna organizada de los minerales puede, en muchos casos y bajo circunstancias favorables, manifestarse por la adopción de una forma poliédrica apreciable a simple vista. En otros casos, nunca se manifiesta la estructura interna en forma macroscópica. Cuando esto último ocurre se dice que el mineral es criptocristalino o microcristalino. Algunos autores consideran minerales diferentes a aquéllos que, dentro del mismo sistema de cristalización y con composición química idéntica, son criptocristalinos o no. En caso contrario, consideran a estos últimos como variedades criptocristalinas de los anteriores. Pseudomorfísmo: Fenómeno tal en que una sustancia mineral que ocupa la forma cristalográfica que le es propia, es sustituida por otra que adopta aparentemente una forma que no le corresponde.

4 PROPIEDADES MENSURABLES DE LOS MINERALES ! 4.1 COHESIÓN Es la resistencia que ofrecen todas las partículas de todo cuerpo, sólido o líquido, a variar la distancia entre ellas. La cohesión en los líquidos y en los sólidos amorfos es igual en todas las direcciones, mientras que en los sólidos cristalinos presentan una marcada anisotropía. La cohesión varía de unos minerales a otros haciendo que sus comportamientos frente a distintos tipos de esfuerzos sean diferentes. Así, los minerales se clasifican de acuerdo con su comportamiento en: • Flexibles, cuando pueden deformarse sin rotura. • Elásticos, cuando recobran su forma primitiva al cesar la causa deformante. • Quebradizos, cuando poseen un límite de elasticidad bajo y por lo tanto son incapaces de sufrir deformaciones sin que se produzca rotura. • Dúctiles, cuando son susceptibles de ser estirados en hilos delgados. • Maleables, cuando permiten preparar láminas de fino espesor por aplastamiento. Cuando la cohesión presenta diferencias considerables según las direcciones, no sólo el desmoronamiento por acción mecánica es mucho más fácil en unas que en otras, sino que, en la dirección perpendicular al mínimo de cohesión, la separación se efectúa según superficies planas, constituyendo los llamados planos de exfoliación. Las direcciones de los planos de exfoliación guardan relación íntima con la forma cristalina del mineral. La perfección de la exfoliación es una propiedad característica y constante del mineral, distinguiéndose los siguientes grados de exfoliación: muy perfecta, perfecta, media (apreciable), e imperfecta. Una exfoliación muy perfecta corresponde a superficies muy planas de brillo nacarado o vítreo y se separan placas de escaso espesor, mientras que una exfoliación imperfecta corresponden superficies irregulares, escalonadas a concoideas, carentes de brillo y únicamente se separan placas gruesas. Si en un mineral la cohesión no presenta marcadas diferencias según las direcciones, o el esfuerzo que se aplica no es perpendicular a la dirección de cohesión mínima, al tratar de partirlo se producen superficies de fractura de diversa naturaleza, irregulares, en vez de los planos de exfoliación, en estos casos se producen diversos tipos de fractura según sea la superficie de rompimiento. ! 4.2 DUREZA Se llama dureza de un mineral a la mayor a menor resistencia que opone a ser rayado. La dureza es una característica importante en la determinación de minerales, siendo constante en minerales idénticos. La dureza de un mineral determina en gran medida su durabilidad Puede medirse directamente con un aparato denominado esclerómetro, que consiste en una palanca de brazos iguales en uno de cuyas extremos va sujeto un estilete de acero o diamante sobre el que se colocan pesas. La placa de mineral se desliza horizontalmente por debajo del estilete y se va aumentando la carga sobre éste hasta que se produce una raya fina. El peso utilizado expresa la dureza.. La dureza relativa de los minerales se INGRID GARCES M. / UNIV. DE ANTOFAGASTA! !

determina gracias a la escala de dureza de Mohs, nombre del mineralogista alemán Friedrich Mohs que la ideó. En esta escala, diez minerales comunes están clasificados en orden de creciente dureza recibiendo un índice. Más corrientemente se recurre a hacer una media comparativa, probando a rayar el mineral con una serie de minerales de creciente dureza que constituyen la llamada escala de dureza de Mohs.

TABLA Nº1.2: Escala de dureza de Mohs, ampliamente usada para la clasificación de minerales MINERAL

DUREZA

MINERAL

DUREZA

Talco

1

Feldespato

6

Yeso

2

Cuarzo

7

Calcita

3

Topacio

8

Fluorita

4

Corindón

9

Apatito

5

Diamante

10

La dureza de un mineral hay que determinarla sobre una superficie pulida del mismo. Los minerales de dureza 1 y 2 se rayan con la uña, la navaja raya a la fluorita y al apatito. El cuarzo y los minerales de mayor dureza rayan al vidrio con facilidad. 4.3 TENACIDAD Resistencia del mineral a ser roto, doblado o molido. En cuanto a la tenacidad existen varias categorías: Frágil: se rompe o se reduce a polvo fácilmente. Maleable: se puede transformar en láminas delgadas por presión. Séctil: puede cortarse con un cuchillo. Dúctil: puede estirarse en hilos. Elástico: recupera su forma anterior al cesar la fuerza que actúe sobre él. Flexible: no vuelve a recuperar su forma anterior cuando cesa la fuerza que actúa sobre él. 4.4 PROPIEDADES ÓPTICAS De todas las propiedades físicas, las ópticas son las más importantes para la determinación práctica de los minerales. Su importancia teórica es también grande en la que respecta al estado cristalino. El brillo de un mineral se presenta con la reflexión de la luz y depende de la naturaleza de su superficie, del valor del índice de refracción, de la absorción y de otras cualidades. Así, un mineral puede tener brillo metálico cuando es opaco y de gran absorción, brilla adamantino cuando es transparente y tiene el índice de refracción elevado, brillo vítreo cuando es transparente y su índice de refracción es medio, siendo este tipo de brillo el de la mayoría de los minerales, o brillo anacarado cuando se produce reflexión total en las finas capas de aire intercaladas entre las hojas de exfoliación. El color natural de un cuerpo cualquiera depende de su capacidad de absorber o reflejar la luz de una u otra tonalidad. Esta capacidad puede ser alterada por la presencia de impurezas orgánicas o inorgánicas en los minerales, pudiéndose encontrar un mismo mineral con coloraciones diversas. Aparte de la variación que introduce el factor antes mencionado, la apreciación de la coloración de un mineral depende del observador, de la naturaleza de la luz y de fenómenos de reflexión y difracción de la luz sobre la superficie, por lo que el tratar de determinar un mineral por su color es, frecuentemente, erróneo e inexacto. En este sentido, muchas veces es más constante el color del polvo del mineral que puede apreciarse por la raya obtenida al frotarla sobre una superficie áspera y más dura que él. En los cristales anisótropos transparentes, la absorción es distinta según las direcciones, tanto en cualidad como en intensidad. En el caso de que la cualidad sea muy diferente, el color que veremos en las diversas direcciones no será el mísmo. Esta propiedad se denomina pleocroísmo y su observación es un medio excelente de distinguir entre sí algunos minerales petrográficos.

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Otra propiedad de los minerales extraordinariamente importante es la birrefracción. Consiste en que, a través de ciertos cristales, se pueden ver dos imágenes distintas de un solo objeto, por desdoblamiento de la luz al cambiar de medio. 4.5 PROPIEDADES TÉRMICAS Existe una perfecta analogía con las propiedades ópticas, lo cual se comprende considerando la naturaleza de las radiaciones caloríficas. Los cristales se dividen en térmicamente isótropos y térmicamente anisótropos en los que la dilatación no es igual en todas las direcciones. La conductividad térmica puede ser, en ocasiones, un medio eficaz en la determinación de minerales, ya que sus valores difieren bastante de unos a otras y es fácilmente apreciable al tacto. 4.6 PROPIEDADES MAGNÉTICAS Y ELÉCTRICAS La propiedad de la atracción magnética activa se presenta en muy pocos minerales. Este magnetismo ha sido producido por inducción en el campo magnético terrestre. No obstante, el diferente comportamiento de los minerales situados en un campo magnético potente puede utilizarse en la separación y determinación de minerales. En cuanto a su comportamiento eléctrico, hay cristales conductores, semiconductores y no conductores. Con la Conductividad eléctrica se mide la capacidad o incapacidad del mineral para transmitir la corriente eléctrica. En los minerales no conductores hay fenómenos en los cuales la energía de un excitante se transforma en electricidad, apareciendo zonas con carga positiva y otras con carga negativa. Entre estos fenómenos se dan: • Piroelectricidad: propiedad por la cual en algunos cristales sometidos a variaciones de temperatura aparecen cargas eléctricas opuestas en ambos extremos de un eje cristalográfico. • Piezoelectricidad: Propiedad por la cual al someter a compresión un cristal carente de centro de simetría se desarrolla una carga eléctrica en su superficie. 4.7 DENSIDAD La densidad de un cuerpo es el cociente entre su peso y volumen. La densidad varía considerablemente de unos minerales a otros y, para medirla, se suelen utilizar uno de los métodos siguientes: • Aparato de Le Chatelier. Se pesa el cuerpo y, a continuación, se le introduce en un recipiente graduado lleno de agua, determinándose así su volumen. • El otro método consiste en tomar un líquido de gran densidad e ir rebajando ésta mediante dilución hasta que el mineral queda sin caer y sin flotar superficialmente. En este momento se mide la densidad del líquido con un densímetro. Este método se utiliza corrientemente para medir la densidad de minerales no muy pesados. Se parte del bromoformo, de densidad 2.9 gr/cm³, y se va añadiendo benceno rebajando así la densidad De una manera más grosera puede estimarse la densidad tomando al peso la muestra de mineral, comparándola con otra de densidad conocida y volumen semejante. 4.8 SABOR Esta propiedad sólo es apreciable en los escasos minerales solubles en agua. Es útil en la diferenciación de ciertas sales.

5 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MINERALES En algunos casos es preciso recurrir al análisis químico para diferenciar los minerales e identificarlos. Estas propiedades dependen de la composición química, así como de la disposición de los átomos y del tipo de enlace que los unan. Isomorfismo. Poseen esta propiedad los minerales que con distinta composición química presentan la misma forma cristalina. Polimorfismo. Propiedad por la que un mineral puede cristalizar en más de una clase cristalina. INGRID GARCES M. / UNIV. DE ANTOFAGASTA! !

Seudomorfismo. Se denomina así al fenómeno que tiene lugar cuando al transformar un mineral en otro cambia su estructura interna, pero no se modifica su forma cristalina externa.

6 CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES La clasificación se puede realizar atendiendo a muy diversos criterios, desde su proceso de formación en la Naturaleza hasta su tipo de cristalización, pasando por el que se basa en su composición química. Este último es el sistema más empleado y siguiéndolo pueden distinguirse ocho clases principales. 6.1 CLASE I: ELEMENTOS NATIVOS Son minerales que se presentan como elementos aislados, sin combinar con otros. Atendiendo a sus caracteres más generales pueden agruparse en tres apartados: Metales Nativos: oro, plata, platino, cobre, plomo, iridio, osmio, hierro y ferro-níquel. Entre sus propiedades hay que citar que presentan simetría cúbica, elevada conductividad térmica y eléctrica, brillo típicamente metálico, dureza baja, ductilidad y maleabilidad. Semimetales Nativos: incluyen el arsénico, antimonio, bismuto, selenio y teluro. los tres primeros cristalizan en el sistema hexagonal, mientras que los dos últimos lo hacen en el trigonal. presentan un enlace intermedio entre el metálico y el covalente, una fragilidad mayor que la de los metales y una conductividad más baja. No metales Nativos: incluyen el azufre y el carbono, este último en sus dos formas de diamante y grafito. el azufre tiene una dureza y un punto de fusión muy bajos, y cristaliza en el sistema rómbico. el diamante cristaliza en el sistema cúbico, tiene una dureza muy elevada, gran estabilidad química y baja conductividad eléctrica. el grafito cristaliza en el sistema hexagonal, es muy blando y tiene elevada conductividad. 6.2 CLASE II: SULFUROS Incluye un amplio grupo de minerales formados por la combinación del azufre con un elemento metálico. También se incluyen en este grupo unos pocos minerales que en lugar de azufre llevan arsénico, antimonio, bismuto, selenio o teluro. Aunque es difícil mencionar unas características generales, se puede decir que normalmente son minerales opacos, de dureza entre 1 y 6 y de gran importancia económica como mena de los metales que los forman. Los principales integrantes del grupo son: Argentita (Ag2S), de ella se extrae plata. Blenda (ZnS), se utiliza para la obtención de cinc. Calcopirita (CuFeS2), para la obtención industrial de cobre. Calcosina (Cu2S), para la extracción de cobre. Galena (PbS), principal mena de plomo. Pirita (FeS2), sobre todo para la producción de ácido sulfúrico. Rejalgar (AsS), usada para la obtención de anhídrido arsenioso y para dar la coloración blanca brillante a los fuegos artificiales. 6.3 CLASE III: HALUROS Están formados por la combinación del cloro, flúor, bromo o yodo con metales, dando cloruros, fluoruros, bromuros y yoduros, respectivamente. Todos ellos poseen una estructura cristalina con enlaces iónicos puros, tienen una dureza y un peso específico bajo y sus conductividades eléctrica y térmica son reducidas. El punto de fusión varía desde moderado a elevado. Presentan un brillo vítreo o nacarado poco intenso, son en su mayoría incoloros y muchos se solubilizan en agua. Atacamita (Cu2(OH)3CI), ocasionalmente para la obtención de cobre. Camalita (KMgCI 3·6H2O), como fertilizante potásico y para la extracción de magnesio, potasio, cloro y otros. Fluorita (CaF2), empleada en multitud de industrias. Halita (NaCI), que comúnmente le llamamos sal y la empleamos a diario en alimentación. Silvina (KCI):, es empleado para la preparación de sales potásicas fertilizantes.

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6.4 CLASE IV: ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS Incluye a los minerales formados por uno o más elementos, generalmente metálicos, combinados con el oxígeno o el agua. Son abundantísimos en la parte de la corteza terrestre expuesta a la acción de la atmósfera. Casi todos poseen estructura cristalina, elevada dureza y punto de fusión y gran estabilidad térmica y química. Cuarzo (O2Si), posee innumerables aplicaciones desde piedra semipreciosa y ornamental hasta para la industria cerámica, eléctrica, óptica, de precisión y otras. Entre las variedades cristalinas que presenta se pueden citar el cuarzo lechoso, ahumado, azulado, la amatista, el cuarzo rosa, el ojo de tigre, ojo de gato, venturina, el ágata, la calcedonia, el jaspe, sílex, pedernal y xilópalo. Cuprita (OCu2), se suele utilizar para la extracción de cobre, aunque los cristales más transparentes se tallan como piedras semipreciosas. Hematites (O3Fe2), se emplea para la extracción de hierro, como pigmento y abrasivo. Magnetita (O4Fe3): para la extracción de hierro, vanadio y fósforo. Pirolusita (O2Mn): sirve para la extracción de manganeso. 6.5 CLASE V: CARBONATOS, NITRATOS Y BORATOS Los carbonatos están formados por el anión carbonato (CO3=) combinado con un metal. Generalmente su dureza oscila entre 3 y 5 y se pueden formar por muy diversos mecanismos. Aragonito (CaCO3), las variedades transparentes y las alabastrinas se utilizan como piedras preciosas. Azurita (Cu3(CO3)2(OH)2), muy apreciada como piedra ornamental y también para la extracción de cobre. Calcita (CaCO3): los cristales más puros se utilizan para la fabricación de lentes de microscopios, el mármol como piedra de ornamentación, las calizas litográficas en estampación y, en general, para las industrias de la construcción, metalurgia, química, de fertilizantes, de barnices y otras. Cerusita (PbCO3), mineral para la extracción de plomo y secundariamente de plata. Malaquita (Cu2CO3(OH)2), como piedra ornamental y para la extracción de cobre Siderita (FeCO3), empleado en la extracción de hierro. Los nitratos están formados por la unión del anión nitrato (NO3 -) con un metal. Son menos abundantes que los anteriores y se caracterizan por su gran solubilidad y por presentar una estructura semejante a los carbonatos. Nitratina (NaNO3), abundante en zonas secas, sobre todo de Chile. Los boratos están formados por la combinación de un anión borato (B407=) con un metal. Los minerales que pertenecen a este grupo son bastante raros en la naturaleza y se originan por desecación de cuencas lacustres saladas. Bórax (Na2B4O7·10H2O), es el principal mineral para la extracción de ácido bórico. 6.6 CLASE VI: SULFATOS Y WOLFRAMATOS ! Los minerales que pertenecen a este grupo presentan una estructura cristalina característica en forma de tetraedros con el azufre o el wolframio en el centro y los oxigenos en los cuatro vértices. Baritina (BaSO4), principal mineral para la extracción de bario. Epsomita (MgSO4· 7H2O), se emplea en la industria textil, del papel, del azúcar, en la preparación de productos farmacéuticos y en el curtido de pieles. Yeso (CaSO4·2H2O), las variedades de alabastro se utilizan como piedras ornamentales, mientras que el resto se emplean en la construcción, como fertilizante y como fundente cerámico. ! 6.7 CLASE VII: FOSFATOS ! Minerales muy poco abundantes formados por la unión del anión fosfato (PO3-) con un metal. Los elementos integrantes del grupo son de origen magmático. Ejemplo, el Apatito ((PO4)3Ca5(F, Cl, OH)), las variedades más bellas se emplean como piedras semipreciosas, pero la gran mayoría de los cristales tienen su principal aplicación en la industria de fertilizantes o en la de obtención de ácido fosfórico y fósforo. ! !

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6.8 CLASE VIII: SILICATOS Los minerales incluidos en este grupo están formados por la combinación de sílice con otros óxidos y por su abundancia constituyen el 80 por 100 de la litósfera. Debido a la gran variedad de estructuras que presentan, esta clase se ha dividido en las siguientes subclases: Nesosilicatos: generalmente son incoloros o de una coloración muy tenue y con una dureza y peso específico elevados. Ciclosilicatos: su estructura cristalina está formada por la unión de tres, cuatro o seis tetraedros. Ejemplos:Crisocola (CuSiO3·H2O)): utilizado para la extracción de cobre. Turmalina (borosilicato de aluminio, hierro, sodio y magnesio): las variedades coloreadas y transparentes son gemas muy apreciadas en joyería, mientras que el resto se emplean para la fabricación de manómetros y de pinzas polarizantes. Inosilicatos: su estructura cristalina está formada por grupos de tetraedros unidos entre sí, dando lugar a cadenas sencillas (piroxenos) o dobles (anfíboles), de estructura abierta o cerrada. Filosilicatos: su estructura cristalina está formada por tetraedos unidos que dan lugar a anillos hexagonales y se disponen formando capas. El mineral final está constituido por varias de estas capas o estratos planos superpuestos. Como característica común a todos ellos se puede decir que son blandos y se exfolian en láminas. La Caolinita (Al4(OH)8Si4O10), es un ejemplo, utilizada principalmente en la industria de la porcelana y también en la de la goma y el papel. Micas (silicatos de aluminio y otros metales), la mica blanca se denomina moscovita, la rosada lepidolita y la negra biotita. Talco (Mg3(OH)2Si4O10), que se utiliza en las industrias de la goma, papel, textil, en los cosméticos y como colorante. Tectosilicatos: su estructura cristalina está formada por tetraedros que se reúnen dando lugar a una red tridimensional en la que cada oxígeno es compartido por dos átomos de silicio. Entre las características generales de los minerales pertenecientes a este grupo se puede decir que, en general, son incoloros o de color blanco o gris pálido. Pertenecen a esta subclase, feldespatos como la ortosa y la albita. Zeolitas como la natrolita y la chabasita.

7 REFERENCIAS Bates, R.L.: Geology of Industrial Rocks and Minerals, Doves, New York, 1969 Blyth, F. Y de Freitas, M.: Geología para ingenieros. Compañía Editorial Continental, S.A., 1989 Dixon, C.J.: Atlas of economic Minerals deposits. Chopman Hall, London, 1979 http://www.minerales.info http://webmineral.com/ http://www.minrls.com/index.htm Hankin, Rosie: Rocas, cristales minerales. Editorial Libsa, 2000 Nesse, William: Introduction to mineralogy, Oxford University Press, 2000 Peters, W.C.: Exploration and minning geology, John Wiley and Sons, New York, 1978

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