Mineralogía

La mineralogía es una materia 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

Los primeros escritos sobre mineralogía, especialmente sobre piedras preciosas, provienen de la antigua Babilonia, el antiguo mundo grecorromano, la China antigua y medieval y los textos sánscritos de la antigua India y el antiguo mundo islámico. Los libros sobre el tema incluyeron 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 las piedras preciosas) del científico persa Al-Biruni. El especialista en el 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 inició el acercamiento científico al tema. Estudios científicos sistemáticos de minerales y rocas desarrollados en la Europa posrenacentista. El estudio moderno de la mineralogía se basó en los principios de la cristalografía (los orígenes de la cristalografía geométrica, en sí misma, 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 cristales de cuarzo en 1669. Más tarde, Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee generalizó y estableció experimentalmente esto 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 luego se codificaron en los índices de Miller. En 1814, Jöns Jacob Berzelius introdujo una clasificación de minerales basada en su química en lugar de 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 se podían identificar secciones delgadas de minerales por sus propiedades ópticas usando 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 el estándar. La difracción de rayos X fue demostrada por Max von Laue en 1912 y se convirtió en una herramienta para analizar la estructura cristalina de los minerales por el equipo de padre e 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, los minerales arcillosos y los silicatos estructurales). 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, los ejemplos destacados serían la medición precisa y la predicción 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, en su enfoque sobre la conexión entre los fenómenos a escala atómica y las propiedades macroscópicas, ellas ciencias minerales (como ahora se les conoce comúnmente) muestran tal vez más una superposición con la ciencia de los materiales que con cualquier otra disciplina.

Propiedades físicas

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

La dureza se determina por comparación con otros minerales. En la escala de Mohs, un conjunto estándar de minerales se enumeran en orden creciente de dureza de 1 (talco) a 10 (diamante). Un mineral más duro rayará uno más blando, por lo que se puede colocar un mineral desconocido en esta escala, por qué minerales; se rasca y que se rasca. 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, tritura, dobla o rasga. Un mineral puede ser quebradizo, 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 (p. ej., perfecto o justo) 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. Cuando estos dos tipos de ruptura no ocurren, la fractura es una forma menos ordenada que puede ser concoide (que tiene curvas suaves que se asemejan al interior de una concha), fibrosa, astillada, cortada (irregular 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 defectos de cristal y maclas. Muchos cristales son polimórficos y tienen más de una estructura cristalina posible según factores como la presión y la temperatura.

Estructura cristalina

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 red se puede caracterizar por sus simetrías y por las dimensiones de la celda unitaria. Estas dimensiones están representadas por tres índices de Miller. La red permanece inalterada por ciertas operaciones de simetría sobre cualquier punto dado de la red: 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 de tornillo y plano de deslizamiento. En combinación con las simetrías puntuales, forman 230 grupos espaciales posibles.

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 convierte en polvo, los rayos X muestran una distribución aleatoria de todas las orientaciones de los cristales. La difracción de polvo puede distinguir entre minerales que pueden tener el mismo aspecto en una muestra de mano, 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, la estructura cristalina de NaCl (halita) es el grupo espacial Fm3m; esta estructura es compartida por silvita (KCl), periclasa (MgO), bunsenita (NiO), galena (PbS), alabandita (MnS), clorargirita (AgCl) y osbornita (TiN).

Elementos químicos

Algunos minerales son elementos químicos, incluidos 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). Luego, los elementos en solución se identifican mediante colorimetría, análisis volumétrico o análisis gravimétrico.

Desde 1960, la mayoría de los análisis químicos se realizan con instrumentos. Uno de ellos, la espectroscopia de absorción atómica, es similar a la química húmeda en el sentido de que la muestra aún 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. Otras técnicas son la fluorescencia de rayos X, la tomografía con sonda atómica y la espectrografía de emisión óptica.

Óptico

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, parte de ella se refleja en la superficie y parte se refracta. Este último es una desviación del camino de la luz que ocurre porque la velocidad de la luz cambia a medida que ingresa al 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 descompone en dos rayos planos polarizados 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 arriba, 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 del polarizador. Sin embargo, una muestra anisotrópica generalmente cambiará la polarización para que parte de la luz pueda pasar. Las secciones delgadas y los polvos se pueden usar como muestras.

Cuando se ve un cristal isotrópico, parece 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

La mineralogía sistemática es la identificación y clasificación de minerales por sus propiedades. Históricamente, la mineralogía estuvo muy preocupada por 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 mineralogíaclasifica 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 los minerales son muy variados, desde la cristalización lenta a altas temperaturas y presiones de los fundidos ígneos en las profundidades de la corteza terrestre hasta la precipitación a baja temperatura de una salmuera en la superficie de la Tierra.

Varios métodos posibles de formación incluyen:

• sublimación de gases volcánicos
• deposición de soluciones acuosas y salmueras hidrotermales
• cristalización de un magma ígneo o lava
• recristalización debido a procesos metamórficos y metasomatismo
• cristalización durante la diagénesis de los sedimentos
• formación por oxidación y meteorización de rocas expuestas a la atmósfera o dentro del entorno del suelo.

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 secuencia del reemplazo mineral de esos minerales después de la deposición. Utiliza técnicas de mineralogía química, especialmente estudios isotópicos, para determinar cosas como formas de crecimiento en plantas y animales vivos, así como cosas 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 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 mineral. Esta base de datos integra el sitio de fuentes múltiples Mindat.org, que tiene más de 690 000 pares de minerales y localidades, con la lista oficial de IMA de minerales aprobados y datos de edad de publicaciones geológicas.

Esta base de datos permite aplicar la estadística 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 de la casualidad. 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 (basado 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, con el 34% de los minerales encontrados en solo uno o dos lugares. El modelo predice que miles de especies minerales más pueden esperar a ser descubiertas o se han formado y luego se han perdido por erosión, enterramiento 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.

Usos

Los minerales son esenciales para diversas necesidades dentro de la sociedad humana, tales como 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, etc. Los minerales también se utilizan en fertilizantes para enriquecer el crecimiento de cultivos agrícolas.

Coleccionismo

La recolección de minerales también es un pasatiempo recreativo de estudio y recolección, con clubes y sociedades que representan el campo. Museos, como el Museo Nacional Smithsonian de Historia Natural, Salón 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 privado en Beirut, Líbano, tiene colecciones populares de especímenes minerales en exhibición permanente.