La mineralogía [n 1] 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 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.
Los primeros escritos sobre mineralogía, especialmente sobre piedras preciosas , provienen de la antigua Babilonia , el antiguo mundo grecorromano , la China antigua y medieval y 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 describió muchos minerales diferentes sino que también explicó 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 iniciaron el abordaje científico del tema. Los estudios científicos sistemáticos de minerales y rocas se desarrollaron en la Europa posrenacentista . [4] 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 rocas 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 cristalografía) en cristales de cuarzo en 1669. [5] : 4 Esto fue posteriormente 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 pueden expresarse en términos de números racionales, como luego se codificaron en los índices de Miller. [5] : 4 En 1814, Jöns Jacob Berzelius introdujo una clasificación de minerales basada en su química en lugar de en su estructura cristalina. [7] William Nicol desarrolló el prisma Nicol , que polariza la luz, en 1827-1828 mientras estudiaba la madera fosilizada; Henry Clifton Sorby demostró que se podían identificar secciones delgadas de minerales 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 el estándar. [5] : 4 [7] : 15 La difracción de rayos X fue demostrada por Max von Laue en 1912 y desarrollada hasta convertirse en una herramienta para analizar la estructura cristalina de minerales por el equipo de padre e hijo de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg . [5] : 4
Más recientemente, impulsada por los avances en las técnicas experimentales (como la difracción de neutrones ) y la potencia computacional disponible, la última de las cuales ha permitido simulaciones extremadamente precisas a escala atómica 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, se centra 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, ejemplos destacados serían la medición y predicción precisas de las propiedades elásticas de los minerales, lo que ha llevado a nuevos conocimientos sobre el comportamiento sismológico de las rocas y las discontinuidades relacionadas con la profundidad en los sismogramas del manto terrestre . Con este fin, al centrarse en la conexión entre los fenómenos a escala atómica y las propiedades macroscópicas, las ciencias minerales (como ahora se las conoce comúnmente) muestran quizás más superposición con la ciencia de los materiales que cualquier otra disciplina.
Un paso inicial para identificar un mineral es examinar sus propiedades físicas, muchas de las cuales pueden medirse en una muestra manual. Estos se pueden clasificar en densidad (a menudo expresada como gravedad específica ); medidas de cohesión mecánica ( dureza , tenacidad , hendidura , fractura , separación ); propiedades visuales macroscópicas ( brillo , color, raya , 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 en comparación con otros minerales. En la escala de Mohs , un conjunto estándar de minerales está numerado en orden creciente de dureza desde 1 (talco) hasta 10 (diamante). Un mineral más duro rayará a uno más blando, por lo que se puede colocar en esta escala un mineral desconocido, por qué minerales; que lo raya y cuáles lo rayan. 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, aplasta, dobla o desgarra. Un mineral puede ser quebradizo , maleable , sectil , dúctil , flexible o elástico . Una influencia importante sobre la tenacidad es el tipo de enlace químico ( p. ej., iónico o metálico ). [9] : 255–256
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. , 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 presión, hermanamiento o exsolución . Cuando estos dos tipos de rotura no ocurren, la fractura es una forma menos ordenada que puede ser concoidea (con 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 maclamientos . Muchos cristales son polimórficos y tienen 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 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 . [11] : 91–92 La red permanece sin cambios mediante 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 cristalina . Hay 32 clases de cristales posibles. Además, existen operaciones que desplazan todos los puntos: traslación , eje del tornillo 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 rayos X en polvo 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 dispersas en diferentes átomos, conduce a patrones distintivos de alta y baja intensidad que dependen de la geometría del cristal. En una muestra molida hasta convertirla en polvo, los rayos X toman muestras de una distribución aleatoria de todas las orientaciones del cristal. [12] La difracción de polvo puede distinguir entre minerales que pueden parecer iguales en una muestra de mano, por ejemplo, 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 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 ( K Cl ), periclasa ( Mg O ), bunsenita ( Ni O ), galena ( Pb S ), alabandita ( Mn S ), clorargirita ( Ag Cl ) y osbornita ( Ti N ). [9] : 150–151
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 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 mediante instrumentos. Una de ellas, la espectroscopia de absorción atómica , es similar a la química húmeda en que la muestra aún debe estar disuelta, pero es mucho más rápida y económica. La solución se vaporiza y se mide su espectro de absorción en el rango visible y ultravioleta. [9] : 225–226 Otras técnicas son la fluorescencia de rayos X , el análisis con microsonda electrónica, la tomografía con sonda atómica y la espectrografía de emisión óptica . [9] : 227-232
Además de propiedades macroscópicas como el color o el brillo, los minerales tienen propiedades que requieren un microscopio polarizador para observar.
Cuando la luz pasa del aire o del vacío a un cristal transparente, una parte se refleja en la superficie y otra se refracta . Este último es una curvatura del camino 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 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 los atraviesa se divide en dos rayos planos polarizados que viajan a diferentes velocidades y se refractan en diferentes ángulos. [9] : 289–291
Un microscopio polarizador es similar a un microscopio común, pero tiene dos filtros polarizados en un plano, un ( polarizador ) debajo de la muestra y un analizador encima, polarizados perpendicularmente entre sí. La luz pasa sucesivamente por el 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. Se pueden utilizar secciones finas 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 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 con un margen de ± 0,003 . [9] : 294–295
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. [13] Hay más de 6.000 minerales con y sin nombre, y cada año se descubren alrededor de 100. [14] El Manual de Mineralogía sitúa 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, desde la cristalización lenta a altas temperaturas y presiones de derretimientos 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: [15]
La biomineralogía es un campo cruzado entre mineralogía, paleontología y biología . Es el estudio de cómo las plantas y los animales estabilizan los minerales bajo control biológico y la secuenciación del reemplazo mineral de esos minerales después de la deposición. [16] Utiliza técnicas de mineralogía química, especialmente estudios isotópicos, para determinar cosas como las formas de crecimiento en plantas y animales vivos [17] [18] , así como cosas 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 las 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 de colaboración abierta Mindat.org , que tiene más de 690.000 pares de minerales y localidades, con la lista oficial IMA de minerales aprobados y datos de edad de publicaciones geológicas. [23]
Esta base de datos permite aplicar la estadística para responder nuevas preguntas, un enfoque que se ha denominado ecología mineral . Una de esas preguntas es en qué medida la evolución mineral es determinista y en qué medida es 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 involucra 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 sólo 63 minerales y 24 elementos (según 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 sólo uno o dos lugares. El modelo predice que miles de especies minerales más pueden estar esperando ser descubiertas o se han formado y luego se han perdido debido a la erosión, el entierro u otros procesos. Esto implica un papel del azar en la formación de minerales raros. [24] [25] [26] [27]
En otro uso de grandes conjuntos de datos, se aplicó la teoría de redes 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 a 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 componentes esenciales de productos metálicos utilizados en diversos productos y maquinaria , 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 los cultivos agrícolas .
La recolección de minerales también es un pasatiempo recreativo de estudio y recolección , con clubes y sociedades que representan este 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] tiene colecciones populares de especímenes minerales en exhibición permanente. [36]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
