Los minerales arcillosos son filosilicatos de aluminio hidratados (por ejemplo , caolín , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ), a veces con cantidades variables de hierro , magnesio , metales alcalinos , tierras alcalinas y otros cationes que se encuentran en o cerca de algunas superficies planetarias .
Los minerales arcillosos se forman en presencia de agua [1] y han sido importantes para la vida, y muchas teorías de la abiogénesis los involucran. Son constituyentes importantes de los suelos y han sido útiles para los humanos desde la antigüedad en la agricultura y la manufactura .
La arcilla es un material geológico de grano muy fino que desarrolla plasticidad cuando está húmedo, pero se vuelve duro, quebradizo y no plástico al secarse o cocerse . [2] [3] [4] Es un material muy común, [5] y es la cerámica más antigua que se conoce . Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla y la utilizaron para hacer cerámica . [6] La química de la arcilla, incluida su capacidad para retener cationes de nutrientes como el potasio y el amonio , es importante para la fertilidad del suelo. [7]
Debido a que las partículas individuales de la arcilla tienen un tamaño inferior a 4 micrómetros (0,00016 pulgadas), no pueden caracterizarse mediante métodos ópticos o físicos ordinarios. La estructura cristalográfica de los minerales arcillosos se comprendió mejor en la década de 1930 con avances en la técnica de difracción de rayos X (DRX), indispensable para descifrar su red cristalina. [8] Se descubrió que las partículas de arcilla eran predominantemente minerales laminares de silicato (filosilicato), ahora agrupados como minerales arcillosos. Su estructura se basa en láminas planas hexagonales similares a las del grupo de minerales de la mica . [9] La estandarización en la terminología también surgió durante este período, [8] con especial atención a palabras similares que resultaban en confusión, como hoja y plano. [8]
Debido a que los minerales arcillosos suelen ser (pero no necesariamente) de grano ultrafino, se requieren técnicas analíticas especiales para su identificación y estudio. Además de la cristalografía de rayos X, estos incluyen métodos de difracción de electrones , [10] diversos métodos espectroscópicos como la espectroscopia de Mössbauer , [11] la espectroscopia infrarroja , [10] la espectroscopia Raman , [12] y SEM - EDS [13] o la mineralogía automatizada. [10] procesos. Estos métodos pueden complementarse con microscopía de luz polarizada , una técnica tradicional que establece sucesos fundamentales o relaciones petrológicas. [14]
Los minerales arcillosos son productos de meteorización comunes (incluida la meteorización del feldespato ) y productos de alteración hidrotermal de baja temperatura . Los minerales arcillosos son muy comunes en los suelos, en rocas sedimentarias de grano fino como esquisto , lutita y limolita y en pizarra metamórfica de grano fino y filita . [9]
Dada la necesidad de agua, los minerales arcillosos son relativamente raros en el Sistema Solar , aunque se encuentran ampliamente en la Tierra, donde el agua ha interactuado con otros minerales y materia orgánica . Se han detectado minerales arcillosos en varios lugares de Marte , [15] incluidos Echus Chasma , Mawrth Vallis , el cuadrilátero de Memnonia y el cuadrilátero de Elysium . La espectrografía ha confirmado su presencia en cuerpos celestes, incluido el planeta enano Ceres , [16] el asteroide 101955 Bennu , [17] y el cometa Tempel 1 , [18] así como en la luna Europa de Júpiter . [19]
Como todos los filosilicatos, los minerales arcillosos se caracterizan por láminas bidimensionales de tetraedros de SiO 4 u octaedros de AlO 4 que comparten esquinas . Las unidades laminares tienen la composición química (Al, Si) 3 O 4 . Cada tetraedro de sílice comparte tres de sus iones de oxígeno en el vértice con otros tetraedros, formando una matriz hexagonal en dos dimensiones. El cuarto ion de oxígeno no se comparte con otro tetraedro y todos los tetraedros "apuntan" en la misma dirección; es decir, todos los iones de oxígeno no compartidos están en el mismo lado de la hoja. Estos iones de oxígeno no compartidos se denominan iones de oxígeno apicales. [20]
En las arcillas, las láminas tetraédricas siempre están unidas a láminas octaédricas formadas a partir de pequeños cationes, como el aluminio o el magnesio, y coordinadas por seis átomos de oxígeno. El vértice no compartido de la hoja tetraédrica también forma parte de un lado de la hoja octaédrica, pero un átomo de oxígeno adicional se encuentra encima del espacio en la hoja tetraédrica en el centro de los seis tetraedros. Este átomo de oxígeno está unido a un átomo de hidrógeno formando un grupo OH en la estructura de la arcilla. Las arcillas se pueden clasificar dependiendo de la forma en que las láminas tetraédricas y octaédricas se empaquetan en capas . Si solo hay un grupo tetraédrico y uno octaédrico en cada capa, la arcilla se conoce como arcilla 1:1. La alternativa, conocida como arcilla 2:1, tiene dos láminas tetraédricas con el vértice no compartido de cada lámina apuntando entre sí y formando cada lado de la lámina octaédrica. [20]
La unión entre las láminas tetraédrica y octaédrica requiere que la lámina tetraédrica se corruga o retuerza, provocando una distorsión ditrigonal en la matriz hexagonal, y la lámina octaédrica se aplana. Esto minimiza las distorsiones generales de valencia de enlace del cristalito. [20]
Dependiendo de la composición de las láminas tetraédricas y octaédricas, la capa no tendrá carga o tendrá carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esta carga se equilibra mediante cationes entre capas como Na + o K + o mediante una lámina octaédrica solitaria. La capa intermedia también puede contener agua. La estructura cristalina se forma a partir de una pila de capas espaciadas con las capas intermedias. [20]
Los minerales arcillosos se pueden clasificar en 1:1 o 2:1. Una arcilla 1:1 consistiría en una lámina tetraédrica y una lámina octaédrica, y los ejemplos serían caolinita y serpentinita . Una arcilla 2:1 consiste en una lámina octaédrica intercalada entre dos láminas tetraédricas, y algunos ejemplos son el talco , la vermiculita y la montmorillonita . Las capas en las arcillas 1:1 no están cargadas y están unidas por enlaces de hidrógeno entre capas, pero las capas 2:1 tienen una carga neta negativa y pueden estar unidas entre sí mediante cationes individuales (como el potasio en la ilita o el sodio o el calcio en las esmectitas). o por láminas octaédricas cargadas positivamente (como en las cloritas ). [9]
Los minerales arcillosos incluyen los siguientes grupos:
Existen variaciones de arcilla de capas mixtas para la mayoría de los grupos anteriores. [9] El pedido se describe como un pedido aleatorio o regular y se describe con más detalle mediante el término reichweite, que en alemán significa rango o alcance. Los artículos de literatura se referirán a una illita-esmectita ordenada R1, por ejemplo. Este tipo se ordenaría en forma illita-esmectita-illita-esmectita (ISIS). R0, por otro lado, describe un ordenamiento aleatorio y también se encuentran otros tipos de ordenamiento avanzados (R3, etc.). Los minerales arcillosos de capas mixtas que son tipos perfectos R1 a menudo reciben sus propios nombres. La clorita-esmectita ordenada R1 se conoce como corrensita, la illita-esmectita R1 es rectorita. [25]
X-ray rf(001) es el espacio entre capas en nanómetros, determinado por cristalografía de rayos X. El glicol (mg/g) es la capacidad de adsorción del glicol, que ocupa los sitios entre capas cuando la arcilla se expone a un vapor de etilenglicol a 60 °C (140 °F) durante ocho horas. CIC es la capacidad de intercambio catiónico de la arcilla. K 2 O (%) es el contenido porcentual de óxido de potasio en la arcilla. DTA describe la curva de análisis térmico diferencial de la arcilla.
La hipótesis de la arcilla para el origen de la vida fue propuesta por Graham Cairns-Smith en 1985. [27] [28] Postula que moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente sobre superficies de replicación no orgánicas preexistentes de cristales de silicato en contacto con una sustancia acuosa. solución. Se ha demostrado que el mineral arcilloso montmorillonita cataliza la polimerización de ARN en solución acuosa a partir de monómeros de nucleótidos [29] y la formación de membranas a partir de lípidos. [30] En 1998, Hyman Hartman propuso que "los primeros organismos eran arcillas ricas en hierro autorreplicantes que fijaban dióxido de carbono en ácido oxálico y otros ácidos dicarboxílicos . Este sistema de arcillas replicantes y su fenotipo metabólico luego evolucionó hacia la región rica en sulfuros" . de las aguas termales adquiriendo la capacidad de fijar nitrógeno . Finalmente se incorporó fosfato al sistema en evolución lo que permitió la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos." [31]
La versatilidad estructural y compositiva de los minerales arcillosos les confiere interesantes propiedades biológicas. Debido a sus superficies cargadas y en forma de disco, la arcilla interactúa con una variedad de fármacos, proteínas, polímeros, ADN u otras macromoléculas. Algunas de las aplicaciones de las arcillas incluyen la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y la bioimpresión. [32]
Se pueden incorporar minerales arcillosos en morteros de cal y metacaolín para mejorar las propiedades mecánicas. [33] La separación electroquímica ayuda a obtener productos que contienen saponita modificada con altas concentraciones de minerales del grupo esmectita, menor tamaño de partículas minerales, estructura más compacta y mayor área superficial. Estas características abren posibilidades para la fabricación de cerámicas de alta calidad y sorbentes de metales pesados a partir de productos que contienen saponita. [34] Además, la molienda de la cola se produce durante la preparación de la materia prima para la cerámica; Este reprocesamiento de residuos es de gran importancia para el uso de pulpa de arcilla como agente neutralizante, ya que se requieren partículas finas para la reacción. Los experimentos sobre la desacidificación del histosol con la suspensión de arcilla alcalina demostraron que la neutralización con un nivel de pH promedio de 7,1 se alcanza con el 30% de la pulpa añadida y un sitio experimental con pastos perennes demostró la eficacia de la técnica. Además, la recuperación de tierras perturbadas es una parte integral de la responsabilidad social y ambiental de la empresa minera y este escenario aborda las necesidades de la comunidad tanto a nivel local como regional. [35]
Los resultados de la adsorción de glicol, la capacidad de intercambio catiónico, la difracción de rayos X, el análisis térmico diferencial y las pruebas químicas brindan datos que pueden usarse para estimaciones cuantitativas. Después de determinar las cantidades de materia orgánica, carbonatos, óxidos libres y minerales no arcillosos, se estiman los porcentajes de minerales arcillosos utilizando los datos apropiados de adsorción de glicol, capacidad de intercambio catiónico, K20 y DTA. La cantidad de illita se estima a partir del contenido de K20, ya que este es el único mineral arcilloso que contiene potasio. [36]
Las rocas arcillosas son aquellas en las que los minerales arcillosos son un componente importante. [37] Por ejemplo, las calizas arcillosas son calizas [38] que consisten predominantemente en carbonato de calcio , pero que incluyen entre un 10 y un 40% de minerales arcillosos: estas calizas, cuando son blandas, a menudo se denominan margas . De manera similar, las areniscas arcillosas como la grauvaca son areniscas que consisten principalmente en granos de cuarzo , con los espacios intersticiales llenos de minerales arcillosos.