Mineralogía

Mineralogía ^{[n 1]} es una disciplina de la 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 los minerales, la clasificación de los minerales, su distribución geográfica, así como su utilización.

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. ^[4] Los libros sobre el tema incluyeron la Historia natural de Plinio el Viejo , que no solo describía muchos minerales diferentes sino que también explicaba muchas de sus propiedades, y Kitab al Jawahir (Libro de piedras preciosas) del científico persa Al-Biruni . El especialista renacentista alemán Georgius Agricola escribió obras como De re metallica ( Sobre los metales , 1556) y De Natura Fossilium ( Sobre la naturaleza de las rocas , 1546) que iniciaron el enfoque científico del tema. Los estudios científicos sistemáticos de minerales y rocas se desarrollaron en la Europa posterior al Renacimiento . ^[4] El estudio moderno de la mineralogía se fundó en los principios de la cristalografía (los orígenes de la cristalografía geométrica, en sí, se remontan a la mineralogía practicada en los siglos XVIII y XIX) y al estudio microscópico de secciones de roca con la invención del microscopio en el siglo XVII. ^[4]

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. ^{[5] : 4} Esto fue generalizado y establecido experimentalmente por Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee en 1783. ^[6] René Just Haüy , el "padre de la cristalografía moderna", demostró que los cristales son periódicos y estableció que las orientaciones de las caras de los cristales se pueden expresar en términos de números racionales, como se codificó más tarde en los índices de Miller. ^{[5] : 4} En 1814, Jöns Jacob Berzelius introdujo una clasificación de minerales basada en su química en lugar de su estructura cristalina. ^[7] William Nicol desarrolló el prisma de Nicol , que polariza la luz, en 1827-1828 mientras estudiaba madera fosilizada; Henry Clifton Sorby demostró que las secciones delgadas de minerales podían identificarse por sus propiedades ópticas utilizando un microscopio polarizador . ^{[5] : 4  [7] : 15} James D. Dana publicó su primera edición de Un sistema de mineralogía en 1837, y en una edición posterior introdujo una clasificación química que sigue siendo la estándar. ^{[5] : 4  [7] : 15} La difracción de rayos X fue demostrada por Max von Laue en 1912, y desarrollada como una herramienta para analizar la estructura cristalina de los minerales por el equipo padre/hijo de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg . ^{[5] : 4}

Más recientemente, impulsada por los avances en la técnica experimental (como la difracción de neutrones ) y la potencia computacional disponible, esta última ha permitido realizar simulaciones a escala atómica extremadamente precisas del comportamiento de los cristales, la ciencia se ha diversificado para considerar problemas más generales en los 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 de estructura ). 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 y predicción precisas 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 en la conexión entre los fenómenos a escala atómica y las propiedades macroscópicas, las ciencias minerales (como se las conoce comúnmente en la actualidad) muestran quizás una superposición mayor con la ciencia de los materiales que cualquier otra disciplina.

Un primer paso para identificar un mineral es examinar sus propiedades físicas, muchas de las cuales se pueden medir en una muestra de mano. Estas se pueden clasificar en densidad (a menudo expresada como gravedad específica ); medidas de cohesión mecánica ( dureza , tenacidad , clivaje , fractura , separación ); propiedades visuales macroscópicas ( brillo , color, veta , luminiscencia , diafanidad ); propiedades magnéticas y eléctricas; radiactividad y solubilidad en cloruro de hidrógeno ( H Cl ). ^{[5] : 97–113  [8] : 39–53}

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 desde 1 (talco) hasta 10 (diamante). Un mineral más duro rayará a uno más blando, por lo que un mineral desconocido se puede colocar en esta escala, por qué minerales; raya y cuál lo raya. Algunos minerales como la calcita y la cianita tienen una dureza que depende significativamente de la dirección. ^{[9] : 254–255} La dureza también se puede medir en una escala absoluta utilizando un esclerómetro ; en comparación con la escala absoluta, la escala de Mohs no es lineal. ^{[8] : 52}

La tenacidad se refiere a la forma en que se comporta un mineral, cuando se rompe, se aplasta, se dobla o se rasga. Un mineral puede ser frágil , maleable , sectil , dúctil , flexible o elástico . Una influencia importante en la tenacidad es el tipo de enlace químico ( por ejemplo, iónico o metálico ). ^{[9] : 255–256}

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

La separación es la tendencia a romperse a lo largo de planos de debilidad debido a la presión, maclado o exsolución . Cuando no se producen estos dos tipos de rotura, la fractura es una forma menos ordenada que puede ser concoidea (que tiene curvas suaves que se asemejan al interior de una concha), fibrosa , astillada , irregular (dentada con bordes afilados) o desigual . ^{[9] : 253–254}

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. ^{[8] : 40–41} También se ve afectado por defectos cristalinos y maclado . Muchos cristales son polimórficos , teniendo más de una estructura cristalina posible dependiendo de factores como la presión y la temperatura. ^{[5] : 66–68  [8] : 126}

La estructura cristalina es la disposición de los átomos en un cristal. Está representada 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 . ^{[11] : 91–92} La red permanece inalterada por ciertas operaciones de simetría sobre cualquier punto dado en la red: reflexión , rotación , inversión e inversión rotatoria , una combinación de rotación y reflexión. Juntas, forman un objeto matemático llamado grupo puntual cristalográfico o clase cristalina . Hay 32 clases cristalinas posibles. Además, hay operaciones que desplazan todos los puntos: traslación , eje helicoidal y plano de deslizamiento . En combinación con las simetrías puntuales, forman 230 grupos espaciales posibles . ^{[11] : 125–126}

La mayoría de los departamentos de geología cuentan con equipos de difracción de polvo de rayos X para analizar las estructuras cristalinas de los minerales. ^{[8] : 54–55} 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 dispersadas en diferentes átomos, conduce a patrones distintivos de alta y baja intensidad que dependen de la geometría del cristal. En una muestra que se muele hasta convertirse en polvo, los rayos X muestrean una distribución aleatoria de todas las orientaciones de los cristales. ^[12] La difracción de polvo puede distinguir entre minerales que pueden parecer iguales en una muestra manual, por ejemplo, el cuarzo y sus polimorfos tridimita y cristobalita . ^{[8] : 54}

Los minerales isomorfos de diferentes composiciones tienen patrones de difracción de polvo similares, siendo la principal diferencia el espaciamiento y la intensidad de las líneas. Por ejemplo, la estructura cristalina de NaCl ( halita ) es el grupo espacial Fm3m ; esta estructura la comparten la silvita ( KCl ), la periclasa ( MgO ) , la bunsenita ( NiO ) , la galena ( PbS ) , la alabandita ( MnS ) , la clorargirita ( AgCl ) y la osbornita ( TiN ). ^{[9] : 150–151}

Algunos minerales son elementos químicos , entre ellos 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 implica disolver un mineral en un ácido como el ácido clorhídrico (HCl). Los elementos en solución se identifican luego mediante colorimetría , análisis volumétrico o análisis gravimétrico . ^{[9] : 224–225}

Desde 1960, la mayoría de los análisis químicos se realizan utilizando instrumentos. Uno de ellos, la espectroscopia de absorción atómica , es similar a la química húmeda en que la muestra todavía 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. ^{[9] : 225–226} Otras técnicas son la fluorescencia de rayos X , el análisis por microsonda electrónica, la tomografía de sonda atómica y la espectrografía de emisión óptica . ^{[9] : 227–232}

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

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 . Esto último es una curvatura de la trayectoria de la luz que se produce porque la velocidad de la luz cambia a medida que entra en el cristal; la ley de Snell relaciona el ángulo de curvatura 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 isótropos : el índice no depende de la dirección. Todos los demás cristales son anisotrópicos : la luz que pasa a través de ellos se divide en dos rayos polarizados planos que viajan a diferentes velocidades y se refractan en diferentes ángulos. ^{[9] : 289–291}

Un microscopio polarizador es similar a un microscopio ordinario, pero tiene dos filtros polarizados planos, un ( polarizador ) debajo de la muestra y un analizador encima de él, 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 a través de ella. Se pueden utilizar secciones delgadas y polvos como muestras. ^{[9] : 293–294}

Cuando se observa 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 se desenfoca el microscopio, aparece una línea brillante llamada línea de Becke alrededor del perímetro del cristal. Al observar la presencia o ausencia de dichas líneas en líquidos con diferentes índices, se puede estimar el índice del cristal, generalmente con una precisión de ± 0,003 . ^{[9] : 294–295}

La mineralogía sistemática es la identificación y clasificación de los minerales según sus propiedades. Históricamente, la mineralogía se ocupaba en gran medida de la taxonomía de los minerales que forman las rocas. En 1959, la Asociación Mineralógica Internacional formó la Comisión de Nuevos Minerales y Nombres 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. ^[13] Hay más de 6000 minerales con nombre y sin nombre, y cada año se descubren unos 100. ^[14] El Manual de Mineralogía clasifica los minerales en las siguientes clases: elementos nativos , sulfuros , sulfosales , óxidos e hidróxidos , haluros , carbonatos, nitratos y boratos , sulfatos, cromatos, molibdatos y tungstatos , fosfatos, arseniatos y vanadatos , y silicatos . ^[9]

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

Varios métodos posibles de formación incluyen: ^[15]

• sublimación de gases volcánicos
• Deposición a partir 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 sedimentos.
• Formación por oxidación y meteorización de rocas expuestas a la atmósfera o dentro del ambiente del suelo .

La biomineralogía es un campo que combina la mineralogía, la paleontología y la biología . Se trata del estudio de cómo las plantas y los animales estabilizan los minerales bajo control biológico y de la secuenciación del reemplazo de esos minerales después de su deposición. ^[16] Utiliza técnicas de la mineralogía química, especialmente estudios isotópicos, para determinar aspectos como las formas de crecimiento en plantas y animales vivos ^{[17] [18],} así como aspectos como el contenido mineral original de los fósiles. ^[19]

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. ^{[20] [21]}

En 2011, varios investigadores comenzaron a desarrollar una base de datos de evolución mineral. ^[22] Esta base de datos integra el sitio colaborativo Mindat.org , que tiene más de 690.000 pares de localidades minerales, con la lista oficial de IMA de minerales aprobados y datos de edad de publicaciones geológicas. ^[23]

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 resultado del azar . Algunos factores son deterministas, como la naturaleza química de un mineral y las condiciones para su estabilidad ; pero la mineralogía también puede verse afectada por los procesos que determinan la composición de un planeta. En un artículo de 2015, Robert Hazen y otros analizaron la cantidad de minerales que involucran a cada elemento en función de su abundancia. Encontraron que la Tierra, con más de 4800 minerales conocidos y 72 elementos, tiene una relación de ley de potencia . La Luna, con solo 63 minerales y 24 elementos (basados ​​en una muestra mucho más pequeña) tiene esencialmente la misma relación. Esto implica que, dada la composición química del planeta, se podrían predecir los minerales más comunes. Sin embargo, la distribución tiene una cola larga , ya que el 34% de los minerales se han encontrado en solo uno o dos lugares. El modelo predice que miles de especies minerales más podrían estar esperando ser descubiertas o haberse formado y luego perdido debido a la erosión, el enterramiento u otros procesos. Esto implica que el azar puede tener un papel en la formación de minerales raros. ^{[24] [25] [26] [27]}

En otro uso de los grandes conjuntos de datos, se aplicó la teoría de redes a un conjunto de datos de minerales de carbono, lo que reveló 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. ^{[28] [29] [30]}

Los minerales son esenciales para diversas necesidades dentro de la sociedad humana, como los minerales utilizados como minerales para los componentes esenciales de los productos metálicos utilizados en diversos productos y maquinarias , componentes esenciales para materiales de construcción como piedra caliza , mármol , granito , grava , vidrio , yeso , cemento , etc. ^[15] Los minerales también se utilizan en fertilizantes para enriquecer el crecimiento de cultivos agrícolas .

La recolección de minerales es también un pasatiempo recreativo de estudio y colección , con clubes y sociedades que representan el campo. ^{[32] [33]} 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 privado de Minerales Mim en Beirut , Líbano , ^{[34] [35]} tienen colecciones populares de especímenes minerales en exhibición permanente. ^[36]

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• El Museo Virtual de Historia de la Mineralogía