La magnesita es un mineral con la fórmula química Mg CO
3( carbonato de magnesio ). El hierro , el manganeso , el cobalto y el níquel pueden aparecer como mezclas, pero sólo en pequeñas cantidades.
La magnesita se presenta como vetas y como producto de alteración de rocas ultramáficas , serpentinita y otros tipos de rocas ricas en magnesio, tanto en terrenos metamórficos regionales como de contacto . Estas magnesitas suelen ser criptocristalinas y contienen sílice en forma de ópalo o pedernal .
La magnesita también está presente en el regolito sobre rocas ultramáficas como carbonato secundario dentro del suelo y el subsuelo , donde se deposita como consecuencia de la disolución de minerales que contienen magnesio por el dióxido de carbono en las aguas subterráneas.
El avance reciente en el campo de la geoquímica de isótopos estables es el estudio de la estructura isotópica de minerales y moléculas. Esto requiere el estudio de moléculas con altas resoluciones observando el escenario de enlace (cómo se unen los isótopos pesados entre sí), lo que lleva al conocimiento de la estabilidad de la molécula dependiendo de su estructura isotópica.
El oxígeno tiene tres isótopos estables ( 16 O, 17 O y 18 O) y el carbono tiene dos ( 13 C, 12 C). Una molécula de 12 C 16 O 2 (compuesta únicamente por los isótopos más abundantes de los elementos constituyentes) se denomina especie " monoisotópica ". Cuando sólo un átomo se reemplaza con un isótopo pesado de cualquier elemento constituyente (es decir, 13 C 16 O 2 ), se denomina especie 'simplemente sustituida'. Asimismo, cuando dos átomos se reemplazan simultáneamente con isótopos más pesados (por ejemplo, 13 C 16 O 18 O), se denomina especie "doblemente sustituida". La especie "aglomerada" ( 13 C 16 O 18 O) del CO 2 es una molécula de CO 2 doblemente sustituida . Las moléculas sustituidas isotópicamente tienen mayor masa. Como consecuencia, la vibración molecular se reduce y la molécula desarrolla una energía de punto cero más baja (ver Efecto isotópico cinético ).
La abundancia de ciertos enlaces en ciertas moléculas es sensible a la temperatura a la que se formaron (por ejemplo, abundancia de 13 C 16 O 18 O en carbonatos [6] como enlace 13 C- 18 O). Esta información se ha aprovechado para formar la base de la geoquímica de isótopos agrupados . Se han establecido termómetros de isótopos agrupados para minerales carbonatados como dolomita , [7] [8] calcita , [9] siderita [10] , etc. y compuestos no carbonatados como metano [11] y oxígeno . [12] Dependiendo de la fuerza de los enlaces catión-carbonato oxígeno (es decir, Mg-O, Ca-O), diferentes minerales de carbonato pueden formar o preservar firmas isotópicas agrupadas de manera diferente.
El análisis de isótopos agrupados tiene ciertos aspectos. Estos son:
El análisis de isótopos agrupados generalmente se realiza mediante espectrometría de masas con fuente de gas , donde el CO 2 liberado de la magnesita mediante digestión con ácido fosfórico se introduce en el espectrómetro de masas de relación isotópica. En tal escenario, es necesario garantizar que la liberación de CO 2 de la magnesita sea completa. La digestión de la magnesita es difícil porque lleva mucho tiempo y diferentes laboratorios informan diferentes tiempos y temperaturas de digestión (de 12 horas a 100 °C [13] a 1 hora a 90 °C [14] en ácido fosfórico ). Debido a la digestión a esta alta temperatura, algunos de los 13 enlaces C- 18 O en el CO 2 liberado se rompen (lo que lleva a una reducción en la abundancia de CO 2 "aglomerado" ) durante la digestión de carbonatos con ácido fosfórico. Para tener en cuenta este artefacto analítico adicional, se agrega una corrección llamada "corrección de fraccionamiento ácido" al valor del isótopo agrupado de magnesita obtenido a la temperatura de digestión.
Dado que el gas CO 2 se libera del mineral carbonato durante la digestión ácida, dejando atrás un O, se produce un fraccionamiento, y la composición isotópica del gas CO 2 analizado debe corregirse para esto. Para la magnesita, la ecuación del factor de fraccionamiento ( α) más confiable viene dada por: [15]
10 3 ln(α) = [(6,845 ± 0,475)∗10 5 /T 2 ] + (4,22 ± 0,08); T en K
Diferentes investigadores también han utilizado otros factores de fraccionamiento como el factor de fraccionamiento de dolomita. [dieciséis]
Al medir muestras de composición desconocida, es necesario medir algunos materiales estándar (consulte Materiales de referencia para análisis de isótopos estables ). Con estándares internos y materiales de referencia, la sesión analítica se monitorea de manera rutinaria. Los materiales estándar son principalmente calcita y mármol.
Para convertir los datos de isótopos agrupados en temperatura, se requiere una curva de calibración que exprese la forma funcional de la dependencia de la temperatura de la composición de isótopos agrupados. No existe una calibración mineral específica para la magnesita. Con base en algunos datos experimentales [14] donde la temperatura de precipitación mineral y la temperatura derivada de isótopos agrupados no coinciden, surge la necesidad de una calibración específica de minerales. El desajuste surge porque la unión en la magnesita es diferente a la de la calcita/dolomita y/o la digestión ácida se lleva a cabo a una temperatura más alta.
Utilizando la temperatura derivada de isótopos agrupados, la composición isotópica de C y O del fluido parental se puede calcular utilizando factores de fraccionamiento de isótopos de fluido de magnesita conocidos, ya que el fraccionamiento depende de la temperatura. Los factores de fraccionamiento de isótopos O y C del fluido de magnesita informados en la literatura no concuerdan entre sí. [14] Los comportamientos de fraccionamiento no han sido corroborados por observación experimental.
Por lo tanto, a bajas temperaturas se forman carbonatos de magnesio hidratados ( hidromagnesita , nesquehonita, etc.). Es posible convertir estas fases en magnesita cambiando la temperatura mediante disolución-precipitación o deshidratación del mineral. Mientras esto sucede, un efecto isotópico asociado puede controlar la composición isotópica de la magnesita precipitada.
Los procesos de desequilibrio como la desgasificación, la rápida absorción de CO 2 , etc. modifican la composición isotópica agrupada de los minerales carbonatados específicamente a bajas temperaturas. Enriquecen o agotan de forma variable el sistema en isótopos pesados de C y O. Dado que la abundancia de isótopos agrupados depende de la abundancia de isótopos de C y O, también se modifican. Otro efecto muy destacado aquí es el del pH del fluido precipitante. [17] A medida que cambia el pH del líquido precipitante, la acumulación de DIC se ve afectada y la composición isotópica del carbonato precipitante cambia.
Las magnesitas cristalinas y criptocristalinas tienen estructuras minerales muy diferentes. Mientras que la magnesita cristalina tiene una estructura cristalina bien desarrollada, la magnesita criptocristalina es amorfa, en su mayoría un agregado de granos finos. Dado que la composición isotópica agrupada depende de enlaces específicos, es muy probable que la diferencia en la estructura cristalina afecte la forma en que se registran las firmas isotópicas agrupadas en estas diferentes estructuras. Esto lleva al hecho de que sus firmas prístinas podrían modificarse de manera diferente por eventos térmicos posteriores como la diagénesis /calentamiento del entierro, etc.
La magnesita se puede formar mediante metasomatismo de carbonato de talco de peridotita y otras rocas ultramáficas. La magnesita se forma mediante carbonatación de olivino en presencia de agua y dióxido de carbono a temperaturas elevadas y altas presiones típicas de las facies de esquisto verde .
La magnesita también se puede formar mediante la carbonatación de serpentina de magnesio (lizardita) mediante la siguiente reacción :
Sin embargo, al realizar esta reacción en el laboratorio, la forma trihidratada del carbonato de magnesio (nesquehonita) se formará a temperatura ambiente. [18] Esta misma observación llevó a la postulación de una "barrera de deshidratación" involucrada en la formación a baja temperatura de carbonato de magnesio anhidro. [19] Los experimentos de laboratorio con formamida , un líquido parecido al agua, han demostrado que no puede existir tal barrera contra la deshidratación. La dificultad fundamental para nuclear carbonato de magnesio anhidro persiste cuando se utiliza esta solución no acuosa. No es la deshidratación catiónica, sino la configuración espacial de los aniones carbonato la que crea la barrera en la nucleación a baja temperatura de la magnesita. [20]
La magnesita se ha encontrado en sedimentos, cuevas y suelos modernos. Se sabe que su formación a baja temperatura (alrededor de 40 °C [104 °F]) requiere alternancia entre intervalos de precipitación y disolución. [21] [22] [23] La formación de magnesita a baja temperatura bien podría ser importante para el secuestro de carbono a gran escala . [24] Vandeginste describió un gran paso adelante hacia la producción industrial de magnesita a presión atmosférica y una temperatura de 316 K. [25] [26] En esos experimentos, pequeñas adiciones de ácido clorhídrico se alternaron periódicamente con adiciones de solución de carbonato de sodio. Una novedad fue también la muy corta duración de los ciclos alternos de disolución y precipitación, de sólo unas pocas horas.
Se detectó magnesita en el meteorito ALH84001 y en el propio planeta Marte . La magnesita se identificó en Marte mediante espectroscopía infrarroja desde la órbita de un satélite. [27] Cerca del cráter Jezero , se han detectado carbonatos de magnesio y se ha informado que se formaron en el ambiente lacustre que prevalece allí. [28] Todavía existe controversia sobre la temperatura de formación de estos carbonatos . Se ha sugerido una formación a baja temperatura para la magnesita del meteorito ALH84001 derivado de Marte. [29] [30]
El olivino rico en magnesio ( forsterita ) favorece la producción de magnesita a partir de peridotita. El olivino ( fayalita ) , rico en hierro , favorece la producción de composiciones de magnetita-magnesita-sílice.
La magnesita también puede formarse por vía de metasomatismo en depósitos de skarn , en calizas dolomíticas , asociadas a wollastonita , periclasa y talco .
Resistente a altas temperaturas y capaz de soportar altas presiones, se ha propuesto que la magnesita sea una de las principales fases portadoras de carbonatos en el manto de la Tierra [31] y posibles portadores de depósitos profundos de carbono. [32] Por razones similares, se encuentra en rocas de peridotita metamorfoseadas en los Alpes centrales, Suiza [33] y en rocas eclogíticas de alta presión de Tianshan, China. [34]
La magnesita también puede precipitar en lagos en presencia de bacterias, ya sea como carbonatos de magnesio hidratados o magnesita. [35] [36]
Los isótopos agrupados se han utilizado para interpretar las condiciones de formación de magnesita y la composición isotópica del fluido precipitante. Dentro de los complejos ultramáficos, las magnesitas se encuentran dentro de vetas y stockworks en forma criptocristalina , así como dentro de unidades de peridotita carbonatada en forma cristalina . Estas formas criptocristalinas en su mayoría están erosionadas de forma variable y producen una temperatura de formación baja. [37] Por otro lado, las magnesitas gruesas producen temperaturas muy altas que indican un origen hidrotermal . Se especula que las magnesitas gruesas de alta temperatura se forman a partir de fluidos derivados del manto, mientras que las criptocristalinas se precipitan mediante la circulación de agua meteórica, absorbiendo carbono de la reserva de carbono inorgánico disuelto, carbono del suelo y afectados por efectos isotópicos de desequilibrio.
Las magnesitas que se forman en lagos y playas en general están enriquecidas en isótopos pesados de C y O debido a la evaporación y la desgasificación del CO 2 . Esto se refleja en que la temperatura derivada de los isótopos agrupados es muy baja. Estos se ven afectados por el efecto del pH , la actividad biológica y el efecto isotópico cinético asociado con la desgasificación. La magnesita se forma como moldes superficiales en tales condiciones, pero generalmente se presenta como carbonatos de magnesio hidratados ya que su precipitación se ve favorecida cinéticamente. La mayoría de las veces, derivan C de DIC o complejos ultramáficos cercanos (por ejemplo, Altin Playa, Columbia Británica, Canadá [38] ).
Las magnesitas en rocas metamórficas, por otro lado, indican temperaturas de formación muy altas. La composición isotópica del fluido parental también es pesada, generalmente fluidos metamórficos. Esto se ha verificado mediante la temperatura derivada de la inclusión del fluido, así como mediante la termometría tradicional de isótopos de O que implica la coprecipitación de cuarzo-magnesita.
A menudo, la magnesita registra una temperatura de isótopo agrupado más baja que la dolomita asociada, la calcita. [39] La razón podría ser que la calcita y la dolomita se forman antes a temperaturas más altas (a partir de fluidos similares al manto), lo que aumenta la relación Mg/Ca en el fluido lo suficiente como para precipitar la magnesita. Como esto sucede con el tiempo, el fluido se enfría, evoluciona mezclándose con otros fluidos y al formar magnesita, disminuye su temperatura. Por lo que la presencia de carbonatos asociados tiene un control sobre la composición isotópica de la magnesita.
El origen de los carbonatos marcianos se puede desconvolucionar con la aplicación de isótopos agrupados. A partir de estas rocas se podrían evaluar la fuente del CO 2 y las condiciones climáticas e hidrológicas de Marte. Un estudio reciente ha demostrado (implementando termometría de isótopos agrupados ) que los carbonatos en ALH84001 indican la formación en condiciones de evaporación a baja temperatura a partir del agua subterránea y la derivación de CO 2 de la atmósfera marciana. [40]
De manera similar a la producción de cal, la magnesita se puede quemar en presencia de carbón para producir MgO , que, en forma de mineral, se conoce como periclasa . Se queman grandes cantidades de magnesita para producir óxido de magnesio : un importante material refractario (resistente al calor) utilizado como revestimiento en altos hornos , hornos e incineradores .
Las temperaturas de calcinación determinan la reactividad de los productos de óxido resultantes y las clasificaciones de quemado ligero y quemado muerto se refieren al área de superficie y la reactividad resultante del producto (esto generalmente se determina mediante una métrica industrial del número de yodo).
El producto ' quemado ligeramente ' generalmente se refiere a la calcinación que comienza a 450 °C y continúa hasta un límite superior de 900 °C, lo que resulta en una buena superficie y reactividad.
Por encima de los 900 °C, el material pierde su estructura cristalina reactiva y vuelve al producto químicamente inerte " quemado a muerte ", que se prefiere para su uso en materiales refractarios como los revestimientos de hornos.
En el ensayo de fuego, se pueden utilizar copas de magnesita para la copelación , ya que la copa de magnesita resistirá las altas temperaturas involucradas.
La magnesita también se puede utilizar como aglutinante en material para pisos ( solera de magnesita ). [41] Además, se utiliza como catalizador y relleno en la producción de caucho sintético y en la preparación de fertilizantes y productos químicos de magnesio.
Se están realizando investigaciones para evaluar la viabilidad de secuestrar a gran escala el dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, en magnesita. [42] Esto se ha centrado en peridotitas de ofiolitas (rocas del manto obducidas en la corteza) donde se puede crear magnesita dejando que el dióxido de carbono reaccione con estas rocas. Se han logrado algunos avances en las ofiolitas de Omán. [43] Pero el principal problema es que estos procesos artificiales requieren suficiente porosidad-permeabilidad para que los fluidos puedan fluir, pero este no es el caso en las peridotitas .
La magnesita se puede cortar, perforar y pulir para formar cuentas que se utilizan en la fabricación de joyas. Las cuentas de magnesita se pueden teñir en un amplio espectro de colores llamativos, incluido un color azul claro que imita la apariencia de la turquesa .
El artista japonés-estadounidense Isamu Noguchi utilizó magnesita como material escultórico para algunas de sus obras. [44]
Las personas pueden quedar expuestas a la magnesita en el lugar de trabajo al inhalarla, al contacto con la piel y con los ojos.
La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición a magnesita en el lugar de trabajo en 15 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. [45]