Minerales y Rocas Material auxiliar para la práctica No 5 del Taller II. Estructura esquemática del interior de la Tierra.

Transcripción

1 Minerales y Rocas 1 INTRODUCCION En las páginas que siguen se exponen pensando en el ángulo agronómico, algunos temas geológicos haciendo énfasis en la descripción de rocas, minerales y estructuras más que en su génesis. Esto no siempre es posible ya que muchos de los términos empleados en las clasificaciones están relacionados con aspectos genéticos y no puramente descriptivos. En todos los casos en la caracterización de los elementos de estudio de la geología se optará por ejemplificar con materiales de nuestro territorio y sólo con aquellos que por su abundancia relativa tienen interés para el agrónomo. PARA SITUARNOS... Estructura de la Tierra: En la estructura de la tierra pueden distinguirse una serie de capas aproximadamente concéntricas diferenciables por su composición mineral y propiedades físicas, el esquema que se presenta expone sus nombres y dimensiones relativas. Es interesante observar que el hombre sólo tiene acceso directo para su estudio a una mínima parte de los 6700 km necesarios para alcanzar el centro de nuestro planeta. La perforación más profunda efectuada hasta la fecha es de unos 8000m y en la enorme mayoría de los casos las observaciones directas para inferir el comportamiento y los procesos que operan en el interior de nuestro planeta son de profundidad mucho menor. Estructura esquemática del interior de la Tierra. Las rocas que hoy vemos en superficie, directamente debajo de los suelos pueden haberse formado en posiciones muy diferentes de aquellas en las que hoy se encuentran. De hecho, su naturaleza, propiedades, respuesta a la meteorización, incidencia en la química del suelo, y aún la incidencia en la topografía son temas íntimamente relacionados, que solo pueden entenderse conociendo los mecanismos generales en la evolución de nuestro planeta: un sistema "vivo" en equilibrio inestable, en el que cada observación es únicamente una fotografía instantánea de procesos relativamente lentos cuando se les observa a escala temporal humana. De todas las familias de procesos que conducen a la transformación química y física de los materiales de la corteza terrestre a través del tiempo, solamente una pequeña parte -aquellos que ocurren en la superficie de

2 2 Minerales y Rocas Los procesos endógenos ocurren en el interior de nuestro planeta, y las variables son la presión, temperatura y composición química. Los procesos exógenos son exclusivos de la superficie de la Tierra, y resultan de la interacción entre las rocas de la corteza terrestre y la atmósfera, hidrósfera y biósfera. nuestro planeta- son directamente observables. Meteorización, erosión, transporte y sedimentación son procesos de este tipo (exógenos), y en su conjunto caracterizarán el producto final: las rocas sedimentarias. Otro grupo de procesos (endógenos) ocurren a distintos niveles de profundidad en la corteza. Las condiciones de temperatura, presión y composición química en cada lugar son incógnitas que debe inferir el geólogo a partir de datos indirectos. Dos grupos de rocas son las que se generan en estas condiciones: rocas ígneas y rocas metamórficas. Como vemos, la primera gran clasificación del universo de las rocas se realiza teniendo en cuenta aspectos genéticos y no descriptivos, no las clasificamos por su color, densidad o cualesquiera de sus propiedades físicas, sino por el mecanismo que dio lugar a esa agrupación de minerales. La ventaja relativa de una clasificación genética, y del reconocimiento de que por ejemplo una roca pertenece a la categoría de las "rocas sedimentarias" es que nos permite realizar inmediatamente inferencias acerca de lo que ocurre más allá de nuestro punto de observación. Arenisca: roca sedimentaria compuesta fundamentalmente por partículas de arena. Gneiss: roca metamórfica compuesta por cuarzo, feldespato y uno o varios minerales accesorios. A título de ejemplo: cuando reconozco en el Sur del departamento de San José que el material que está directamente debajo del suelo es una arenisca, inmediatamente puedo inferir que existe una alta probabilidad de que en diversos puntos próximos al que estoy observando y que se encuentren a la misma cota, sean también areniscas. Si en cambio me desplazo al Norte del departamento, y reconozco que el subsuelo en un determinado punto está compuesto por un gneiss, ello me permite inferir que la composición del subsuelo en una perforación, aunque esta tenga varios miles de metros, será seguramente de materiales metamórficos o ígneos pero no encontraré nunca una roca sedimentaria por debajo del punto de observación. A continuación enfocaremos entonces el problema de la clasificación de las rocas, para lo cual deberemos primeramente definir los elementos constituyentes de todas ellas, no importa su origen: los minerales.

3 Minerales y Rocas 3 Todo mineral puede concebirse además como un sistema en equilibrio con el medio que lo rodea en el momento de su cristalización. Todo cambio en la temperatura, presión, o composición del entorno (P,T,X) lo transforma en un sistema relativamente inestable. La alterabilidad en condiciones superficiales de un mineral en particular depende entre otros factores de la diferencia entre las condiciones reinantes durante su cristalización y las condiciones a las que se encuentra sometido en el ciclo superficial. Otro de los factores que inciden fuertemente es la naturaleza de los enlaces entre los elementos constituyentes de cada cristal, la energía de esas uniones que son destruídas en la alteración condiciona la estabilidad de cada mineral frente a un cambio de condiciones P,T,X. MINERALES Definiciones básicas: MINERAL: Compuesto químico, homogéneo, de origen natural, dotado de una composición química determinada -dentro de ciertos límites- y con una estructura interna específica (constantes cristalográficas). Todas las demás características y comportamientos fisicoquímicos del mineral se derivan de su composición química y estructura, estando frecuentemente supeditados cualitativa y cuantitativamente a las contaminaciones, mezclas isomorfas, defectos estructurales, radiactividad, etc., que posea cada individuo en concreto. SOLIDO: Sustancia cuyos constitutivos se agrupan formando una red cristalina. RED CRISTALINA: Conjunto de todos los nodos que forman una estructura cristalina. Está definida para cada especie mineral por seis constantes cristalográficas: a 0, b 0, c 0, α, β, γ. ESTRUCTURA CRISTALINA: Ordenación tridimensional, periódica, anisótropa y simétrica de los átomos, iones o moléculas que constituyen un mineral. CRISTAL: Materia cristalina, natural o artificial, delimitada por superficies planas, paralelas a planos reticulares de su estructura interna. Las propiedades físicas y químicas de las rocas dependen entre otros parámetros, de las propiedades físicas y químicas de los minerales constituyentes. El reconocimiento de los minerales es el conjunto de técnicas que podemos utilizar para inferir la especie en función de propiedades observables o medibles. Para el agrónomo, en la amplia mayoría de los casos, las herramientas de observación y análisis son muy limitadas. Será limitado entonces la capacidad de reconocer un número importante de diferentes especies minerales. Afortunadamente una clasificación razonable y útil de las rocas más abundantes del subsuelo puede llevarse a cabo sabiendo reconocer unos pocos minerales, que por su frecuencia de aparición y volumen relativo en la corteza permiten definirlas. Han sido reconocidas en la corteza unas 3000 especies minerales, su clasificación compete a la mineralogía y los

4 4 Minerales y Rocas criterios utilizados en estas clasificaciones son o bien químicos (silicatos, sulfatos, óxidos, etc.), o bien estructurales (filosilicatos, tectosilicatos, inosilicatos, etc.). No debe pues confundirse el reconocimiento que será el fruto de la observación de unas pocas propiedades físicas, con la clasificación en si: resultado de un análisis de laboratorio detallado y extenso donde se aplican sofisticadas técnicas para el reconocimiento de la estructura cristalina y composición química. Clasificación de los minerales: Una de las clasificaciones más utilizadas en mineralogía fue elaborada por H. Strunz, quién la propuso en Con algunas modificaciones, se encuentra en uso y es universalmente aceptada. Divide a los minerales en: I. Elementos. II. Sulfuros. III. Halogenuros. IV. Oxidos e hidróxidos. V. Nitratos, carbonatos, boratos. VI. Sulfatos. VII. Fosfatos. VIII. Silicatos. IX. Sustancias orgánicas. Clase No. de especies aprox. Ejemplos I. Elementos 50 Oro, Azufre II. Sulfuros 300 Pirita, Galena III. Halogenuros 100 Fluorita, Sal gema IV. Oxidos e 250 Cuarzo, Hematita, Rubí hidróxidos V. Nitratos, 200 Calcita, Dolomita carbonatos, boratos VI. Sulfatos 200 Yeso, Baritina VII. Fosfatos 350 Apatito, Monazita VIII. Silicatos 500 Feldespatos, Micas IX. Sustancias orgánicas. 20 Ambar Dentro de cada una de estas clases se contemplan una serie de divisiones denominadas "tipos", "grupos", "series", "familias" y por último la unidad fundamental: la "especie".

5 Minerales y Rocas 5 Los silicatos constituyen el grupo más importante, ya que en su conjunto conforman el 90% de la corteza terrestre. La subdivisión interna de este grupo se hace en base a criterios estructurales y no químicos, suponiendo una unidad fundamental [SiO 4 ] 4-, esencialmente un tetraedro con un átomo de silicio ocupando la posición central y cuatro átomos de oxígeno dispuestos de manera de compartir un electrón de valencia con otros cationes dando lugar a una estructura cristalina, en base a cuya geometría se realiza la clasificación. El tetraedro [SiO 4] 4- Se reconocen entonces seis grupos fundamentales: 1) Nesosilicatos: con grupos tetraédricos aislados unidos a otros similares con un catión distinto del silicio (v.g.: olivino). 2) Sorosilicatos: dos tetraedros unidos por un vértice formando un grupo [Si 2 O 6 ] 2- relacionados entre sí con cationes distintos al silicio (v.g.: epidoto). 3) Ciclosilicatos: donde 3, 4 o 6 tetraedros se unen para formar un anillo (v.g.: turmalina). 4) Inosilicatos: forma-dos por cadenas de longitud indefinida de tetraedros (v.g.: piroxenos y anfíboles). 5) Filosilicatos: los tetraedros conforman una malla plana de arreglo hexagonal (v.g.: micas y arcillas). 6) Tectosilicatos: don-de los tetraedros conforman una malla compleja con presencia de aluminio en lugar de silicio en algunos de los tetraedros dando lugar a la presencia de cationes diversos (Na +, Ca 2+, K + ) incluidos en el edificio cristalino (v.g.: feldespatos y cuarzo).

6 6 Minerales y Rocas Reconocimiento de minerales: El reconocimiento de las diferentes especies minerales puede llevarse a cabo basándose en sus propiedades físicas solo en unas pocas especies. Pero en definitiva el objetivo que perseguimos es justamente ese: aprender a reconocer aquellas especies más comunes que conforman las rocas más frecuentes en el subsuelo de nuestro país. Las propiedades físicas de una especie mineral varían entre ciertos parámetros como resultado de que distintos individuos de una misma especie no son necesariamente idénticos. Por ejemplo: diferentes cristales de cuarzo pueden presentar coloraciones diversas (incoloro, gris, azulado, violeta, rosado, blanco, negro, etc.). De allí deducimos que el color no es una propiedad útil para diferenciar el cuarzo del resto de los minerales. La biotita (mineral ferromagnesiano del grupo de las micas) es sistemáticamente de color negro o marrón muy oscuro. En ese caso el color es un buen criterio para diferenciarla de otras especies similares. El reconocimiento de un mineral será entonces el resultado de la observación de un conjunto de propiedades, siendo una buena costumbre el seguir una "marcha sistemática". El análisis de un grupo particular de propiedades físicas - las propiedades ópticas- constituye una herramienta poderosa para la determinación de especies minerales, y da lugar a una especialidad conocida como "mineralogía óptica". Su instrumento fundamental es el microscopio petrográfico, y la técnica de reconocimiento de minerales por este método se ha aplicado en la Facultad de Agronomía desde su fundación a principios de siglo por el Prof. Karl Walther. A continuación pasaremos revista a aquellas propiedades físicas de los minerales que auxilian a su reconocimiento cuando no disponemos de instrumental específico para un análisis de laboratorio. La práctica de Rocas y Minerales del Taller de Recursos Naturales de Interés Agronómico, supone que para la determinación de las especies planteadas como problemas Ud. dispone de los siguientes elementos: una lupa de mano, un objeto de bronce (llave) y un objeto de acero (cortaplumas, trincheta). Propiedades físicas de los minerales: Como fue mencionado antes, las propiedades físicas de los minerales son una función de su composición química y estructura cristalina. De esta manera se podrán definir propiedades físicas escalares y vectoriales, si son dependientes o independientes -respectivamente- de la dirección cristalográfica de observación. De esta manera podremos separar: a) Propiedades escalares: a.1) Densidad b) Propiedades vectoriales: b.1) Velocidad de crecimiento (forma) b.2) Cohesión (tipo de fragmentación) b.3) Tenacidad (fragilidad, ductilidad, flexibilidad, dureza) b.4) Propiedades eléctricas b.5) Propiedades magnéticas

7 Minerales y Rocas 7 b.6) Propiedades radiactivas b.7) Propiedades ópticas b.7.1) Brillo b.7.2) Color b.7.3) Indice de refracción b.7.4) Luminiscencia b.7.5) Fluorescencia b.7.6) Fosforescencia b.8) Propiedades organolépticas b.8.1) Olor b.8.2) Sabor b.8.3) Tacto Las propiedades en negrita serán empleadas para el reconocimiento de los minerales en la práctica antes mencionada. Forma: la forma externa de un cristal correspondiente a una especie mineral cualquiera queda determinada por su velocidad de crecimiento. Las caras de crecimiento más rápido son las que presentan un desarrollo menor. En cambio, las más lentas se desarrollan más y muestran tendencia a hacer desaparecer a las otras. Geoda: obsérvese el desarrollo automorfo (con forma propia) de los cristales de cuarzo. Cuando un mineral forma parte de una roca, la forma que desarrolla un determinado cristal es función de diversos factores, algunos propios de su especie y otros que resultan del condicionamiento que determinan las especies minerales vecinas. Así un cristal de cuarzo que creciera a partir de la cristalización de un líquido silíceo en completa libertad desarrollará caras cristalinas como la que puede observarse en la figura. La misma especie cristalina (cuarzo) cristalizando en último lugar en una roca granítica ocupará los intersticios entre los cristales de otras especies (feldespatos y mica) que cristalizaron antes que el, y su forma no estará determinada por su estructura cristalina sino que se verá condicionada por los espacios vacantes. Llamamos hábito al desarrollo relativo del conjunto de caras de un cristal bajo la influencia de los factores fisicoquímicos del medio (temperatura, presión, radiactividad, concentración, viscosidad, etc.), que actúan durante su génesis. De manera simplificada distinguiremos entre los siguientes tipos de hábito:

8 8 Minerales y Rocas Hábito hojoso: es el que presentan aquellos minerales en que sus cristales se desarrollan preferencialmente en dos direcciones y pobremente en la perpendicular al plano que los contiene, típicamente las micas y arcillas. Hábito fibroso: es el que presentan aquellos minerales en que sus cristales se desarrollan preferencialmente en una sola dirección y pobremente en las demás, el mineral adquiere aspecto de fibras (algunos anfíboles, asbesto). Hábito prismático: lo presentan los minerales en los que sus cristales se desarrollan moderadamente en dos direcciones y fuertemente en la otra. Adquieren Hábitos de los minerales. Clivaje: rotura de un mineral paralelamente a una cara real o posible del cristal. Tal cara corresponde a planos reticulares de mayor densidad de nodos, mientras que el conjunto de esos planos están unidos entre sí por enlaces más débiles. Según el grado de facilidad y perfección con que se manifiesta el clivaje, recibe calificativos como: excelente, muy bueno, bueno, manifiesto, pobre o imperfecto, etc. formas prismáticas de base rectangular, triangular o hexagonal. El hábito tabular es un caso particular del prismático en el que las caras del cristal se desarrollan en forma de prisma muy corto o aplastado, el cristal adquiere forma de tabla o tableta. Cohesión La resistencia a la ruptura es obviamente diferente en distintos minerales, y la forma de los trozos obtenidos al romperlos es una consecuencia de su organización interna. Hay minerales que se rompen dando lugar a superficies planas: en ese caso diremos que el mineral se cliva o que muestra clivaje. Un mineral puede tener más de un plano de debilidad por los que se rompe más

9 Minerales y Rocas 9 fácilmente y en ese caso tendrá más de un plano de clivaje. Fractura: rotura totalmente desordenada, sin ninguna dirección preferente de los enlaces estructurales de un cristal como consecuencia de un golpe. Se definen 4 tipos: irregular, concoidea (superficies curvas), astillosa (entrantes y salientes puntiagudos) y ganchosa (propia de los metales nativos). Las micas constituyen el ejemplo más evidente de mineral con un plano de clivaje perfecto, por el que se separa en hojas extremadamente delgadas. Esta particularidad es la que condiciona el uso desde la antigüedad de la muscovita, una mica transparente en diversos usos industriales, por ejemplo como sustituto flexible del vidrio. Otros minerales como el cuarzo tienen una estructura sin planos de debilidad preferente y se rompen tal como lo haría un trozo de vidrio. A este tipo de fractura se la conoce como fractura concoide. Nótese que el vidrio a pesar de su aspecto no es en realidad un sólido pues no posee estructura cristalina sino que es un líquido sobre-enfriado de alta viscosidad. Escala de dureza de Mohs Mineral Dureza Talco 1 Yeso 2 Calcita 3 Fluorita 4 Apatito 5 Ortoclasa 6 Cuarzo 7 Topacio 8 Corindón 9 Diamante 10 Tenacidad (fragilidad, ductilidad, flexibilidad, dureza) La tenacidad de un mineral es un buen indicador para su determinación. No es posible definirla únicamente con un parámetro de dureza pues otros aspectos son también importantes. Un mineral es frágil cuando se rompe fácilmente por efecto de un golpe. El diamante, el mineral de más dureza conocido es sin embargo frágil. La ductilidad es la propiedad de poder moldearse en hojas delgadas y es la propiedad característica de algunos metales nativos tales como oro plata y cobre. La flexibilidad es la propiedad de poder deformarse sin romperse y volver al estado inicial cuando suprimimos el esfuerzo, las hojas de mica son altamente flexibles.

10 10 Minerales y Rocas Dureza aproximada en la escala de Mohs de objetos comunes Objeto Dureza Uña Llave (bronce) Acero 5.5 Vidrio La dureza puede ser cuantificada utilizando escalas más o menos precisas de las cuales la más sencilla y popular es la escala de Mohs, que clasifica los minerales tomando como referencia diez especies a las cuales les asigna un número entero. La dureza del mineral problema se estima entonces por comparación con los minerales standard según quién raye a quién. En la práctica de Taller II emplearemos algunos elementos comunes para comparar durezas cuya posición en la escala de Mohs. Propiedades ópticas De las diversas propiedades ópticas de los minerales describiremos aquí brevemente aquellas que auxilian a la determinación sin instrumental específico: el brillo y el color. En el lenguaje común, la palabra opaco suele usarse con un sentido diferente para aquellos materiales no reflectantes. En sentido estricto, los cuerpos opacos no permiten el pasaje de la luz, los cuerpos transparentes permiten la observación de objetos a través de ellos, y los cuerpos translúcidos permiten el pasaje de la luz, pero con reflexiones internas que imposibilitan distinguir una imagen cuando se les interpone en su camino. El brillo es una propiedad compleja que describe la manera como la luz se refleja en la superficie del mismo. Depende de varios factores como el índice de refracción y el grado de pulimento de la superficie observada. El brillo metálico lo presentan algunos minerales que como los metales no permiten el pasaje de la luz (sustancias opacas) y su nombre es suficientemente explícito. Las diversas variedades de brillo no metálico son características de las sustancias transparentes o translúcidas y podemos distinguir diversas variedades: brillo adamantino, típico del diamante y de las sustancias con alto índice de refracción, brillo vítreo (el de la mayoría de los minerales) semejante al del vidrio, con variedades como el brillo graso (típico de las superficies de rotura del cuarzo) semejante al de un objeto engrasado, brillo nacarado en que se observa iridiscencia por difracción en las microfisuras de la superficie (la que muestra el Nácar); brillo mate es el típico de las sustancias terrosas o de las superficies que dispersan la luz en todas direcciones.

11 Minerales y Rocas 11 El color de un mineral es una propiedad que aunque muy aparente posee un potencial de diagnóstico limitado. Muchos minerales muestran colores diversos dependiendo de mínimas proporciones de impurezas en su estructura, el cuarzo por ejemplo, aunque frecuentemente incoloro o gris puede ser rojo, blanco, celeste, violeta (amatista), amarillo (citrino) verde o aún negro. Minerales de este tipo sin una coloración típica se llaman alocromáticos mientras que aquellos en que se verifica una cierta constancia en el color se denominan idiocromáticos (la biotita es normalmente negra). A continuación se presentarán una serie de tablas con las propiedades más importantes de los minerales de interés para el ingeniero agrónomo. CUARZO FELDESPATO POTASICO Fórmula SiO 2 KalSi 3 O 8 Hábito Prismático hexagonal Prismático corto Dureza 7 6 Peso esp. 2,65 g/cm 3 2,57 g/cm 3 Clivaje No 2 buenos a ~90º Fractura Concoide No Brillo Vítreo a graso Vítreo Color Alocromático. Generalmente gris incoloro, transparente a translúcido Alocromático. Rosado, blanco, incoloro, gris, negro, etc. Maclas No Si, de compenetración (Carlsbad), que divide al cristal en 2 a lo largo. Variedades Cristal de Roca (incoloro en cristales bien Ortosa, microclina, adularia. definidos); amatista (violeta en cristales bien definidos); rosado (impurezas de titanio); citrino (amarillo); lechoso (blanco debido a múltiples inclusiones fluidas); calcedonia - ópalo (variedad cripto-cristalina, cemento de las RS). Usos Material de adorno, construcción (arena), fabricación de vidrio, ladrillos de sílice, porcelanas, pinturas, papel de esmeril y como relleno de madera. Como rocas ornamentales (cuarcitas y areniscas). Debido a sus cualidades ópticas se utiliza en instrumental científico, tallado de lentes y prismas y en la producción de luz monocromática. Se lo utiliza en radioosciladores y relojes de precisión debido a sus propiedades piezoeléctricas. Producción de porcelana y vidrio.

12 12 Minerales y Rocas Albita PLAGIOCLASAS Anortita Fórmula NaSi 3 AlO 8 CaSi 2 Al 2 O 8 Hábito Prismático tabular Dureza 6 Peso esp. 2,62 g/cm 3 2,76 g/cm 3 Clivaje 3: dos buenos y uno malo Fractura No Brillo Vítreo a perlado Color Incoloras, blancas, grises, transparentes a translúcidas. Maclas Si: polisintéticas. Como resultado se ven estrías en el plano de clivaje. Variedades Existe una serie isomorfa completa entre la albita y la anortita: Usos % albita % anortita Albita Oligoclasa Andesina Labradorita Bytownita Anortita Poco uso en porcelanas. Las variedades transparentes se utilizan como gemas CALCITA MUSCOVITA BIOTITA Fórmula CaCO 3 (AlSi 3 O 10 )KAl 2 (OH) 2 (AlSi 3 O 10 )K(Mg,Fe) 3 (OH) 2 Hábito Prismático Hojoso hexagonal Hojoso pseudo-hexagonal Dureza / / 2-3 Peso esp. 2,71 g/cm 3 2,76-2,88 g/cm 3 2,8-3,2 g/cm 3 Clivaje 3 excelentes 1 excelente 1 excelente Fractura No No No Brillo Vítreo perlado a terroso Vítreo sedoso a perlado Vítreo metálico Color Blanco a incoloro. Si es Transparente a incolora en Negro o pardo oscuro. impura puede ser pardo a negro. hojas delgadas. En bloques gruesos puede ser amarillento a rojizo. Maclas No No No Variedades Espato de Islandia: variedad químicamente pura, transparente e incolora. Usos Fabricación de cementos y cal. Se la utiliza como fertilizante, cal de blanquear y tiza. Material aislante de aparatos eléctricos. Como carga en papel, goma y pinturas. Lubricante (mezclada con aceites). Material incombustible. Vermiculita: se forma por alteración de la biotita (hojas de biotita con moléculas de agua intercaladas). La vermiculita se usa como aislante y como sustrato para compost.

13 Minerales y Rocas 13 PIROXENO ANFIBOL HEMATITA Fórmula Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al) 2 O 6 (Al,Si) 8 O 22 Ca 2 Na(Mg,Fe 2 ) 4 Fe 2 O 3 (Al,Fe 3+,Ti)(O,OH) 2 Hábito Prismático cuadrado Prismático rómbico Tabular u hojoso Dureza / / 2 Peso esp. 3,2-3,3 g/cm 3 3,0-3,4 g/cm 3 5,26 g/cm 3 Clivaje 2 buenos a 90º 2 buenos a 56º y 124º 1 bueno Fractura No No No Brillo Metálico Metálico a submetálico Metálico Color Negro a verde Verde oscuro a negro Castaño rojizo a negro, o rojo sangre oscuro. Maclas No No No Variedades Enorme familia de minerales. Seguramente es la familia de minerales más grande que existe. Oligisto: variedad de hematita bien cristalizada. Usos Variedades transparentes como gemas. Mena más importante de hierro. Utilizada como pigmento (ocre rojo) y como polvo para pulir. LIMONITA ILLITA MONTMORILLONITA Fórmula HFeO 2 K Al 4 [Si Al O 20 ](OH) 4 (½Ca,Na) 0.7 (Al,Mg,Fe) 4 [(Si,Al) 8 O 20 ](OH) 4 nh 2 O Hábito Terroso Terroso Terroso Dureza / Peso esp. 4,37 g/cm 3 2,6-2,9 g/cm 3 Variable entre 2 y 3 g/cm 3 Clivaje 1 bueno (ni visible) 1 excelente 1 excelente Fractura No No No Brillo Mate Mate Mate Color Pardo amarillento a pardo negruzco Blanco a colores muy pálidos. Por lo general blanco, amarillo o verde. Maclas No No No Variedades Goethita: limonita bien cristalizada. Usos Cuando pura como mena de hierro. Existen illitas dioctaédricas como la muscovita y trioctaedricas como la biotita. Arcilla formadora de suelos. Utilizada en cerámicas, papel, pinturas, gomas, etc. La montmorillonita pertenece a un grupo (grupo de la montmorillonita o esmectitas), que contiene los principales miembros siguientes: montmorillonita, beidellita, nontronita, saponita, hectorita y saconita. Arcilla formadora de suelos. Utilizada en cerámicas, papel, pinturas, gomas, etc. Y como lodo de perforación.

14 14 Minerales y Rocas ROCAS Rocas generadas en el ciclo endógeno Rocas Igneas Consideramos rocas ígneas aquellas que resultan de la cristalización de un magma. Por magma puede entenderse una mezcla silicatada parcial o totalmente líquida, generalmente como resultado de la fusión de rocas preexistentes.

15 Minerales y Rocas 15 La composición química de los magmas es muy diversa y por lo tanto lo es también el conjunto de rocas que se obtienen luego de su cristalización por enfriamiento. El proceso en si que lleva a la consolidación de un magma es también un factor que incide en el producto resultante, iguales composiciones químicas, pero diferentes condiciones de solidificación dan como producto rocas de aspecto muy diverso. El estudio de las rocas se basa en métodos propios de la mineralogía, geología, química y de la física, y requiere la identificación precisa de los minerales presentes. La mayoría de las veces las rocas son heterogéneas, es decir, están compuestas por más de una fase mineral, y además de su identificación precisa, es necesario describir o cuantificar las relaciones entre las especies que integran la roca (su textura). Existen diferentes criterios para clasificar una roca ígnea, algunos se basan en su quimismo, otros en su composición mineral y todos ellos de alguna manera tienen en cuenta la textura. Aunque nuestro objetivo es aprender a reconocer las rocas ígneas más frecuentes en nuestro país, debemos además prestar alguna atención a criterios de clasificación química a los efectos de conocer el significado de algunos términos comúnmente empleados en la bibliografía geológica. Clasificación textural de las rocas ígneas: Este criterio de clasificación atiende a la forma, disposición y tamaño relativo de los cristales constituyentes de una roca, pasando por alto las especies minerales involucradas. En este sentido, el cuadro se considera suficientemente explícito como para reconocer a que categoría textural pertenece una roca dada. La textura de la roca es directamente dependiente del ambiente geológico (profundidad) de cristalización del magma, es así que se pueden distinguir: a) rocas intrusivas (o plutónicas): cristalizadas lentamente en profundidad. El descenso muy gradual de la temperatura permite que los minerales se desarrollen, obteniéndose texturas granudas.

16 16 Minerales y Rocas b) rocas hipabisales (o filonianas): cristalizadas a profundidad intermedia, en filones, diques, sills, apófisis, etc. Suelen "heredar" algunos cristales de mayor tamaño de la cámara magmática, los que quedan inmersos en una matriz de grano fino. La textura resultante es la porfírica. c) rocas efusivas (o volcánicas): cristalizadas en superficie, bajo condiciones de presión atmosférica. Las bajas temperaturas impiden el desarrollo de cristales de tamaño visible, y las condiciones de presión habilitan la desgasificación, responsable en el caso de los basaltos de los niveles vesiculares o vacuolares superiores.

17 Minerales y Rocas 17 Clasificación mineral de las rocas ígneas: Esta clasificación estrictamente llamada "modal", divide las diversas rocas ígneas en grupos o clases estableciendo rangos en que diferentes especies minerales pueden aparecer en la roca en cuestión. Presentaremos aquí una simplificación suficiente para los fines perseguidos, de la universalmente aceptada clasificación del IUGS. Es interesante notar que la misma permite identificar la pertenencia a una clase u otra basándose únicamente en la proporción de cuarzo, feldespatos alcalinos, plagioclasa y eventualmente la cantidad de minerales ferromagnesianos presente. El tipo de diagrama utilizado -diagrama triangularpermite la representación de un sistema ternario como un punto con posición definida en un triángulo equilátero. La condición que ha de cumplir el sistema ternario para ser representado como un punto es justamente que la suma de los porcentajes relativos de cada uno de los componentes sea 100%. De ello se deriva que en principio no tendremos en cuenta para clasificar una roca nada más que los porcentajes relativos de cuarzo, feldespatos alcalinos y plagioclasa. Por ejemplo, consideremos una roca formada por 33% de cuarzo, 22% de plagioclasa (oligoclasa), 37% de feldespato potásico (ortosa), 6% de biotita, 1% de epidoto y 1% de circón. A los efectos de la clasificación modal llevamos las proporciones de cuarzo, plagioclasa y feldespato potásico al 100%: Qz = (33x100)/92 = 36% Pg = (22x100)/92 = 24% Kf = (37x100)/92 = 40% De esta manera, el análisis modal de la roca se plotea en un diagrama triangular de vértices Q - A - P y queda representado por un punto dentro del campo de los granitos. Clasificamos la roca entonces como un granito a biotita, dejando en claro cual es la fase mineral accesoria más importante.

18 18 Minerales y Rocas Clasificación química de las Rocas Igneas: Todas las rocas ígneas pueden ser clasificadas en base a su quimismo, aunque este criterio es especialmente apto para aquellas de grano muy fino (afaníticas) o vítreas, para las cuales la mineralogía es imposible de definir. Una vez analizada, los resultados composicionales son expresados -por lo general- en porcentaje en peso de los óxidos de los elementos mayoritarios: sílice (SiO 2 ), aluminio (Al 2 O 3 ), hierro (FeO - Fe 2 O 3 ), magnesio (MgO), manganeso (MnO), titanio (TiO 2 ), calcio (CaO), sodio (Na 2 O) y potasio (K 2 O). A estos valores suele agregárseles los del fósforo (P 2 O 5 ) y pérdida de agua por ignición (H 2 O - ). Si construyésemos un gráfico de frecuencia respecto al porcentaje de sílice en el total de la corteza terrestre, veríamos que la distribución es bimodal, con dos máximos: uno en el entorno del 50% (rocas de afinidad basáltica) y otro en el entorno del 70% (rocas graníticas). Esto significa que en la naturaleza hay una gran escasez, en volumen, de rocas con contenido de sílice entre 54 y 66%. Tradicionalmente las rocas con bajo contenido de sílice se han denominado rocas básicas y aquellas con alto contenido se llamaron rocas ácidas. Esta clasificación sigue en uso, y es necesario aclarar que se basa exclusivamente en el contenido en sílice de la roca, sin connotaciones respecto al "ph" de la misma. El resto de los óxidos que componen la roca presentan un comportamiento particular respecto al porcentaje de sílice, y sus tendencias pueden ser referidas al mismo. Esto se ejemplifica en la figura siguiente: Las conclusiones más relevantes son:

19 Minerales y Rocas 19 1) el porcentaje de los óxidos de sodio y potasio aumentan proporcionalmente con el óxido de silicio. Esto se ve reflejado en la mineralogía de las rocas ácidas, ricas en feldespatos potásicos y plagioclasas sódicas. 2) Inversamente, los óxidos de hierro, calcio y magnesio disminuyen proporcionalmente con el tenor de sílice. De allí que en las rocas básicas dominen minerales ferromagnesianos como el piroxeno, anfíboles, olivinos, etc.; y las plagioclasas sean más cálcicas. 3) El aluminio, sin embargo, permanece aproximadamente constante en ambos grupos de rocas, en alrededor de 14% en peso de las mismas. La relación entre la composición química y la mineralogía resultante se intenta ejemplificar con la figura siguiente. Esta es una pauta general para relacionar la composición química, y específicamente el contenido en sílice, con la mineralogía. Se grafica en el eje horizontal el tanto por ciento del óxido de silicio y en el eje vertical el porcentaje

20 20 Minerales y Rocas en volumen de los minerales. Ejemplo: una roca con 65% de sílice en peso tendría una mineralogía compuesta por 10% de cuarzo, casi 30% de feldespato potásico, aproximadamente 35% de plagioclasa (60% molécula anortítica y 40% de molécula albítica), 15% de hornblenda y un 10% de biotita. El orden de cristalización de los minerales en la roca está condicionado por la composición química del magma y la tasa de enfriamiento. N. L. Bowen estudió por primera vez el orden de cristalización para las rocas basálticas, definiendo dos series: una continua, representada por los feldespatos de la familia de las plagioclasas, y otra discontinua, en la que los minerales formados son reabsorbidos totalmente por el líquido a medida que la temperatura desciende. La figura siguiente ilustra la "Serie de cristalización de Bowen", y se discutirá más adelante sus implicancias con la susceptibilidad de meteorización de las rocas ígneas. Petrogénesis de Rocas Igneas: Como ya ha sido establecido, las rocas ígneas son el resultado de la cristalización de un fundido silicatado llamado magma. El magma, a su vez, es la consecuencia de la fusión parcial de una roca preexistente. La composición química del magma (y por ello, la de la roca formada a sus expensas) será función de la composición química de la roca de partida, el grado de fusión parcial (dependiente de la temperatura y presencia o ausencia de volátiles), y de la duración del fenómeno. La fusión parcial puede ser concebida como un proceso de destilación fraccionada, en la que una roca se ve sometida a un aumento gradual de la temperatura circundante hasta que se alcanza el punto de fusión de uno o más de sus componentes. De esta manera se logra un "líquido" con la composición química de la/las fases minerales de menor punto de fusión y un residuo refractario (restita). El líquido formado (magma) podrá moverse hacia otra posición distinta a la de su área fuente (deslocalizarse) si las condiciones de presión confinante, permeabilidad del medio y grado de fusión se lo permiten. La forma de ascenso del magma desde su área fuente (por lo general la base de la corteza o la interface corteza

21 Minerales y Rocas 21 - manto) hasta su lugar de emplazamiento ha sido sujeto de discusión, llegando a varios modelos conceptuales. Sin embargo, todas tienen en común la presencia de estructuras profundas (cámaras magmáticas) de diverso tamaño y geometría; estructuras subsuperficiales en forma de diques, filones o sills; y estructuras superficiales o volcánicas (derrames de lava, coladas, conos volcánicos, domos, etc.). De esta manera un mismo magma podrá emplazarse en distintos "ambientes geológicos" o profundidades. El resultado serán rocas con igual composición química e idéntica mineralogía, pero con texturas diferentes. El cuadro siguiente ejemplifica este hecho: Plutónica Hipabisal Extrusiva Granito Microgranito Riolita Sienita Microsienita Sienita Granodiorita Riodacita Tonalita Dacita Gabro Diabasa Basalto Recordemos nuevamente que la separación de las rocas ígneas en básicas y ácidas se basa exclusivamente en el porcentaje de óxido de sílice. De esta manera, serán rocas básicas aquellas con menos de 55% de SiO 2, y ácidas las que posean más del 60% en peso de SiO 2. Otra característica distintiva de las rocas ácidas respecto a las básicas es la presencia de "cuarzo libre" o cristales de cuarzo visibles a simple vista (como en un granito). Las rocas ígneas se distribuyen inhomogéneamente en la corteza terrestre. Las rocas ácidas y básicas se mantienen separadas no solamente en su ambiente de generación: magmas basálticos en dorsales mesooceánicas y magmas graníticos en zonas de subducción; sino también en su forma de yacencia. Los basaltos - equivalente extrusivo de los gabros- son las rocas básicas más comunes en la superficie de nuestro planeta, mientras que los granitos -equivalentes plutónicos de las riolitas- son las rocas ácidas que predominan en la Tierra. Estrictamente, la composición química promedio de la corteza continental se sitúa en el entorno a la granodiorita. Esta roca es el equivalente intrusivo de las andesitas, principal lava eruptada en los volcanes de las zonas de subducción. Obsérvese la etimología de andesita, que significa "roca de los Andes", en clara referencia a su lugar de origen. La frase "mucho granito y poco gabro - mucho basalto y poca riolita" es bien conocida entre los petrólogos y geólogos desde principio de siglo. Para terminar con esta pequeña y somera reseña sobre petrogénesis de rocas ígneas se presenta el siguiente

22 22 Minerales y Rocas esquema, donde se señalan los ambientes geotectónicos de generación de magmas en la Tierra. En nuestro país la frase "mucho granito - poco gabro y mucho basalto - poca riolita" resulta también evidente. Un 35% de la superficie tiene subsuelo constituido por basaltos de edad cretácica (Unos 130 Ma de antigüedad), correspondientes al momento en que el macrocontinente del Gondwana se fractura para dar lugar a la formación del Océano Atlántico; unos pocos cuerpos de gabro son conocidos y su expresión areal es inferior al 1% del total del territorio. Contrariamente las áreas graníticas son muy extensas, especialmente en el sur, y unas pocas áreas de composición riolítica son conocidas aunque normalmente se expresan con una morfología particular (cerro Arequita, Sierra de San Miguel) que las hace llamativas como accidentes topográficos. Desde el ángulo agronómico es importante conocer las características químicas y texturales de las rocas más comunes (sean ígneas o no) pues esas dos características (entre otras) condicionan los procesos de meteorización y los productos resultantes que estarán disponibles en los suelos. Las rocas basálticas resultan de la fusión parcial (anatexis) del manto superior, que posee una composición ultrabásica. Es posible observar que en las zonas de formación de corteza oceánica (ridges mesooceánicos) y en las islas oceánicas (como Hawaii) la roca que está sufriendo los procesos de anatexis es el manto terrestre. Por el contrario, en las zonas de subducción la corteza oceánica se sumerge por debajo de la continental; como resultado de este proceso se introduce agua en el manto, que actúa como fundente, permitiendo la fusión parcial de la base de la corteza continental y de los sedimentos acarreados sobre la corteza oceánica.

23 Minerales y Rocas 23 LAS ROCAS METAMORFICAS Como ya ha sido mencionado en la introducción de este cuadernillo, existen tres categorías de rocas: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las rocas ígneas se forman mediante la solidificación de un fundido silicatado denominado magma; las rocas sedimentarias se forman por una variedad de procesos a bajas temperaturas cercanas o en la superficie. La tercera categoría -las rocas metamórficas- fueron originalmente ígneas, sedimentarias o incluso metamórficas, pero su carácter ha sido cambiado por procesos operantes por debajo de la superficie de la Tierra. Uno de los factores que controlan el proceso metamórfico es la temperatura. Debe tenerse presente que la fuente de calor para estas transformaciones proviene de la desintegración radiactiva de isótopos que ocurre en el interior de nuestro planeta. Ya que la superficie del mismo está sometida a un continuo enfriamiento (calor irradiado por la Tierra) existe un aumento gradual de la temperatura con la profundidad, al que usualmente se llama gradiente geotérmico. Este varía de una zona a otra de la corteza siendo su valor medio de 1 º C cada 33 m. De ello surge que una roca a medida que se ve sometida a condiciones mas profundas se ve inmersa en un medio de mayor temperatura y de mayor presión. Cuando las temperaturas son bajas -en las cercanías de la superficie- los procesos se asignan al ciclo exógeno o sedimentario, y más precisamente a la diagénesis o litificación. En cambio, cuando las temperaturas alcanzan el punto de fusión de las rocas envueltas en un evento metamórfico, generándose un fundido (fusión anatéctica o anatexis), los procesos pasan al campo de las rocas ígneas. Entre estas dos temperaturas, que definen los limites superior e inferior del metamorfismo, se desarrolla el proceso metamórfico. Es importante dejar bien en claro que el metamorfismo tiene lugar mientras las fases minerales integrantes de una roca determinada están en estado sólido. Es así que los procesos del metamorfismo son "procesos en estado sólido" con pocas o mínimas fases volátiles involucradas (agua y dióxido de carbono), además el sistema es isoquímico: la composición química volumétrica de la roca es invariante y las nuevas especies minerales (especies neoformadas) estarán condicionadas por la química original.

24 24 Minerales y Rocas La forma en que aumentan la temperatura y la presión no es la misma en diferentes puntos de la corteza. Existen zonas anómalamente calientes con abundante magmatismo donde la temperatura se incrementa muy rápido con la profundidad, especialmente cerca de los bolsones de magma que están próximos a la superficie. Por el contrario nuestro planeta muestra zonas anómalamente frías en que aún a profundidades importantes la temperatura es relativamente baja. De todo ello surge que en las rocas que han sufrido transformación metamórfica habrá algunas en que los cambios en la mineralogía y textura se deben fundamentalmente al aumento de temperatura mientras que habrá otras en que la presión y la deformación son los factores más importantes que condicionan el cambio mineral. De allí que podamos de manera sintética decir que existen tres grandes familias de procesos metamórficos según el predominio relativo de la temperatura y la presión: Metamorfismo de contacto Zona de cizalla de Sierra Ballena. Esta enorme faja de deformación separa dos porciones de corteza con historias evolutivas diferentes en el Uruguay. a. El metamorfismo de contacto: producido en salbandas o aureolas alrededor de cuerpos intrusivos en vías de enfriamiento. En estos casos T>>P permitiendo la recristalización y transformación de las rocas que están próximas al contacto. Este es el origen más común para los mármoles uruguayos, especialmente en la zona de Polanco donde un granito entra en contacto con rocas calcáreas de unos 600 Ma de antigüedad. b. metamorfismo dinámico: en estos casos la presión dirigida, y por consiguiente la deformación predomina netamente sobre la temperatura. Las rocas involucradas están sujetas a varios tipos de "molienda mineral" y recristalización de algunas especies minerales. Las rocas resultantes de este tipo de metamorfismo se desarrollan siguiendo zonas donde la deformación fue máxima. Un ejemplo notable lo constituyen las rocas alineadas sobre la Sierra de la Ballena, Sierra de los Caracoles y Cerro Largo que forman una enorme estructura que atraviesa nuestro país (y se continúa en Brasil) indicando que a lo largo de ese "lineamiento" se produjo una deformación extrema producto del resbalamiento relativo entre dos porciones de la corteza terrestre. c. metamorfismo regional: el metamorfismo esta determinado por el par presión - temperatura,

25 Minerales y Rocas 25 definiéndose de esta manera una serie de "grados" y "facies" metamórficas. Es el caso mas común del metamorfismo y también el mas complejo, y para su estudio es necesario un conocimiento profundo de la cartografía geológica y estructural de la zona relevada, así como de la petrografía de cada tipo litológico involucrado. Es interesante prestar atención a las variaciones de P y fundamentalmente la temperatura a lo largo del "evento metamórfico". A medida que la roca original -llamada protolito- se ve sometida a aumentos progresivos de T y eventualmente P, las fases minerales originales comienzan a sufrir los cambios necesarios para "adaptarse" al medio. En algún momento determinado, la T alcanzara su máximo y la roca desarrollara una asociación mineral que definirá un cierto grado metamórfico o facies metamórfica. La asociación mineral recristalizada estable para ese par [P-T] se denomina paragénesis mineral metamórfica. Los grados y facies metamórficas son definidas para cada protolito en particular por una cierta paragénesis, y mas específicamente por los limites de estabilidad termodinámica de los minerales recristalizados. Esta es la

26 26 Minerales y Rocas causa por la que se establece que si una roca metamórfica presenta hornblenda (anfíbol), pertenece al "grado medio de metamorfismo"; o lo que es lo mismo, la hornblenda define al grado medio de metamorfismo (o facies anfibolita). La mayoría de los minerales índices del metamorfismo no poseen interés particular ni singular para el ingeniero agrónomo, pero se creyó conveniente presentar un esbozo general de la problemática petrográfica de las rocas metamórficas. Para entender cómo se forman estas rocas es necesario revisar algunos conceptos fundamentales de la evolución continua que se verifica en nuestro planeta. En primer lugar nos referiremos a las rocas metamórficas que resultan de la transformación de una roca sedimentaria. Como veremos en el capítulo de rocas sedimentarias éstas tienen composición química diversa según el proceso que les diera origen y el grupo más importante en nuestro país es el de las rocas detríticas. Por su implicancia en la agronomía, consideraremos también como punto de partida para el metamorfismo, entre las rocas de precipitación química a las rocas carbonatadas (calizas y dolomías). La transformación que sufren estas rocas está normalmente asociada a fenómenos de compresión y desorden que ocurren en aquellas zonas de la tierra en que colisionan dos trozos de corteza que se desplazan con direcciones opuestas. En estas zonas los fenómenos compresivos tienden a apilar porciones de los segmentos de corteza implicados de manera que algunos de ellos quedan debajo de enormes masas de roca cambiando sustancialmente las condiciones de presión y temperatura. Los minerales constituyentes de las rocas sedimentarias se desestabilizan, especialmente aquellos que fueron generados en el ciclo exógeno como las arcillas, ocurren reacciones de deshidratación, disolución, cambio de estructura cristalina y cristalización de nuevas especies minerales. Notemos que todo ello ocurre sin que se produzca una verdadera fusión de los materiales originales y que en estos ambientes es normal que exista

27 Minerales y Rocas 27 una dirección de presión dominante que no es vertical sino lateral. Pensando en lo expuesto será fácil comprender que la transformación gradual que se va produciendo dará como producto una roca nueva que tiene generalmente una composición química muy similar a la original pero con una composición mineral y aspecto totalmente diferente. Pueden definirse de una manera arbitraria "Grados de Metamorfismo", esto es como escalonar las condiciones de temperatura y presión a las que ocurre el proceso de transformación. Aunque la definición del grado metamórfico no interesa específicamente al Agrónomo podemos ejemplificar lo que le ocurre a una pelita cuando se ve sometida a condiciones de temperatura y presión crecientes: Roca Grado metamórfico Bajo Medio Alto Pelita Filita Micaesquisto Gneiss Basalto Metabasalto Anfibolita Caliza Caliza Mármol marmórea Anfibolita Mármol Asimismo la forma geométrica que adoptarán los diversos estratos de rocas sedimentarias, originalmente de desarrollo tabular horizontal es totalmente distinta. La figura muestra algunos ejemplos de estructuras comunes de las rocas metamórficas. Esquistosidad (foliación): estructura típica de las rocas metamórficas, consistente en conjuntos de superficies paralelas de mayor o menor espaciado, que proporciona a estos materiales un determinado grado de fisilidad. Una de las características más comunes de las rocas metamórficas que auxilia a su reconocimiento, es la orientación preferencial de sus minerales debido a que estos se han desarrollado en un medio en que existe presión dirigida. La orientación resultante define la foliación o la esquistosidad de la roca metamórfica. Así las hojas de las micas que recristalizan durante el metamorfismo tienden a alinearse según superficies más o menos definidas dándole a la roca un aspecto particular. Las texturas resultantes dependen de la intensidad de los procesos de transformación y de los minerales que componen la nueva roca resultante. Las texturas más comunes entre las rocas metamórficas se esquematizan en el cuadro siguiente. Para los fines perseguidos en el Taller II es suficiente con saber distinguir entre las rocas metamórficas más