COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS MINERALES Química de minerales y su relación con la génesis de rocas, su importancia económica.
ESTADO CRISTALINO Se describen como materiales cristalinos aquellos materiales sólidos cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada y paralela y cuya distribución en el espacio muestra ciertas relaciones de simetría.
Yeso Ca(SO4)•2(H2O)
Estructura mineral. Se conoce con el nombre de estructura mineral a la distribución ordenada de los átomos en un cristal o en un mineral; proporciona información sobre la localización de todos los átomos, los tipos de enlace, la simetría y el contenido químico de la celda unitaria.
En las estructuras cristalinas los iones están agrupados de tal forma que cuando los cationes comparten aniones los poliedros de coordinación formados en torno a uno de ellos están unidos con frecuencia compartiendo vértices y/o aristas, pero generalmente no comparten las caras.
Estructura de la Calcopirita CuFeS2
Tetragonal ‐ Scalenohedral
Estructura de la Calcita CaCO3
Trigonal ‐ Hexagonal Scalenohedral
Composición química de los minerales. Hay muy pocos minerales que sean sustancias puras, la mayoría de los minerales presentan una variación amplia en la composición química. Esta variación de la composición química es el resultado de la sustitución en una determinada estructura mineral de un ion o grupo iónico por otro ion o grupo iónico. Este tipo de relación se conoce por el nombre de sustitución iónica o solución sólida y se presenta siempre entre minerales que son isoestructurales. ANHIDRITA CaSO4 ACANTITA Ag2S (Argentita) ALUNITA KAl3(SO4)2(OH)6 ANGLESITA PbSO4 ATACAMITA Cu2Cl(OH)3 AZUFRE S ANTLERITA Cu3(SO4)(OH)4 ARAGONITO CaCO3 ARSENOPIRITA FeAsS (Mispiquel) BORNITA Cu5FeS4 AZURITA Cu3 (CO3)2(OH)2 BARITINA BaSO4 (espato pesado)
Isoestructurales Dos fase cristalinas son isoestructurales cuando presentan la mismo estructura cristalina y distinta composición química.
Análisis químicos elementales. Hay minerales como el oro, la plata, el azufre… que se presentan en estado nativo y sus formulas son los símbolos de los elementos, sin embargo la mayor parte de los minerales son compuestos formados por dos o mas elementos y sus formulas indican las proporciones atómicas de los elementos presentes. Hay muy pocos minerales que tengan una composición química constante, a esos se les llama sustancias puras (cuarzo SiO2, cianita Al2SiO5, etc.). La mayoría de los minerales presentan variaciones en la composición dentro de las posiciones atómicas de las estructuras, por ejemplo la ZnS siempre lleva hierro en la posición del Zn en distintas proporciones.
LA GENESIS DE LOS MINERALES
Conceptos geoquímicos. Los minerales son productos naturales de muchos y variados procesos que han ocurrido en la corteza terrestre desde su formación, bajo el titulo de génesis de los minerales se pueden considerar 3 apartados: 1º la manera de formarse los minerales, el crecimiento de los cristales y la variación de sus formas y propiedades físicas; 2º los mecanismos fisicoquímicos de formación de los minerales; 3º el proceso geológico de la formación mineral.
Los minerales pueden formarse o bien por cristalización de mezclas naturales o bien por la interacción de gases y soluciones o también por la interacción de estos gases y soluciones con la parte sólida de la corteza terrestre. Este último caso es el que más ocurre.
Cuando se hace un análisis químico de las rocas o de los minerales de la corteza se establece que ambos están compuestos fundamentalmente por 8 elementos: O, Si, Al, Fe, Mn, Ca, Na, K. Además de estos 8 elementos fundamentales puede haber otros en proporciones inferiores a un 1% que se conocen como elementos traza.
Teniendo en cuenta las afinidades electrónicas de los elementos y la forma en la que aparecen en la naturaleza, todos los elementos se pueden dividir en los siguientes grupos geoquímicos: siderofilos, calcófilos y litófilos . Los siderofilos son los que tienen una afinidad relativamente débil por el O ó por el S, aparecen normalmente nativos. Los elementos calcofilos son los que tienen una fuerte afinidad por el azufre, aparecen como minerales en forma de sulfuros. Los elementos litófilos son los que presentan una fuerte afinidad por el oxígeno y aparecen como elementos oxigenados
Además de estos 3 grupos básicos existen también elementos atmófilos que se encuentran en la atmósfera y elementos biófilos que se encuentran en plantas o animales, los elementos de estos dos grupos no son minerales. Hay elementos químicos que se encuentran en más de un grupo porque los compuestos que forma no dependen solo de ellos sino también de otros factores (presión/temperatura) y de otros elementos presentes.
Los elementos que forman parte de los minerales forman los depósitos minerales que se dividen en dos grupos: depósitos endógenos y exógenos . Los primeros se forman bajo la corteza terrestre o bien en la superficie por material que ha salido fuera de las profundidades de la Tierra, mientras que los depósitos exógenos se forman enteramente en la superficie.
Cristalización y composición de los magmas. Se conoce como magma a la mezcla natural compuesta principalmente por silicatos que se genera en la profundidad de la Tierra. Cuando el magma solidifica en las partes mas profundas de la corteza terrestre forma las rocas plutónicas o rocas intrusivas, ahora bien los movimientos de la corteza pueden provocar que el magma ascienda a la superficie donde aparece como lava que al enfriarse forma las rocas volcánicas o rocas extrusivas.
Estos dos tipos de rocas son distintas, pero las condiciones de formación o de cristalización de estos dos tipos de rocas son distintas, así las rocas plutónicas se forman a altas P y T, mientras que las rocas volcánicas se forman a altas T pero a P atmosféricas.
Los principales constituyentes del magma corresponden a los geoelementos, por lo tanto los magmas y rocas y ígneas se dividen dependiendo del contenido de Si en forma de oxido en las rocas ultrabásicas, básicas, intermedias y rocas ácidas. El contenido de Si varía desde un 40 a un 70%. El orden en que los minerales cristalizan cuando el magma se enfría viene expresado por las reacciones de Bowen.
Procesos Magmáticos De acuerdo de la situación geotectónica se forman diferentes tipos de magma. El magma en zonas de subducción es diferente como el magma de una cordillera centro oceánica. El ambiente geotectónico se refleja entonces en los tipos de rocas magmáticas y en la composición química, especialmente de los elementos de traza y de las tierras raras (Nb, Y, La). La clasificación de la secuencia magmática se subdividen en grandes rasgos denominado Fases de
la Consolidación Magmática:
Fase magmática
Intervalo de temperatura
Fase magmática temprana
> 900°C
Fase magmática principal
900 ‐ 600°C
Fase pegmatítica
600 ‐ 500°C
Fase neumatolítica
500 ‐ 400°C
Fase hidrotermal
400 ‐ 100°C
Fase teletermal
< 100°C
La cristalización de los magmas en sus diferentes fases de consolidacion da origen a una gran variedad de minerales, que se asocian para dar origen a las diversas rocas ígneas y depósitos minerales que a su vez pueden contener una cierta variedad de concentraciones de determinados minerales de interés económico. Esta variedad está en relación con la variedad de procesos implicados en la génesis y evolución de los magmas desde su formación en niveles más o menos profundos del planeta hasta su cristalización en proximidad de la superficie
Fase Magmática Temprana y Principal ( Ortomagmática)
A estos magmas formados "in situ", y que aún no han sufrido los procesos de diferenciación que veremos a continuación se les denomina magmas primarios.
Cristalizan la mayor parte de los minerales de punto de fusión alto (básicos, densos y oscuros)
Abarca desde el origen del magma hasta que éste desciende su temperatura hasta los 600 °C. Se produce en el interior de la cámara magmática
Depósitos Minerales de origen ortomagmático. Los minerales metálicos acompañan, como hemos visto, a las rocas intrusivas como minerales minoritarios, en forma de óxidos o de sulfuros, fundamentalmente, que cristalizan a la vez que el resto de componentes silicatados de la roca. Los magmas máficos a menudo contienen altas proporciones de sulfuros metálicos, que pueden individualizarse debido a que son inmiscibles con el magma silicatado. Se forman así yacimientos de sulfuros de Ni‐Co‐Cu‐Fe, formados por minerales como pirrotina, pentlandita, calcopirita, a menudo enriquecidos en elementos del grupo del platino. Depósitos formados a partir del propio magma silicatado. Existen tres grandes subtipos:
Formados por cristalización simple: es el caso de los diamantes, cuyo alto valor económico hace que a pesar de encontrarse en muy bajas concentraciones, sea explotable.
Formados por cristalización más acumulación. El caso más extendido de este tipo corresponde a yacimientos de cromita en rocas máficas y ultramáficas, en los que de nuevo suelen darse concentraciones interesantes de elementos del grupo del platino.
Formados por cristalización más acumulación y segregación. El caso más favorable para la explotación es aquel en el que los minerales metálicos llegan a separarse físicamente del resto del magma, por mecanismos diversos, fundamentalmente bajo la acción de esfuerzos tectónicos. Algunos yacimientos de magnetita corresponden a esta tipología
Fase Pegmatítica
Al final de la primera fase de la cristalización magmática, es decir, de la formación de las rocas ígneas correspondientes existen generalmente fundidos residuales ricos en elementos volátiles que dan lugar a nuevos depósitos minerales.
En la fase pegmatítica cristalizan grandes cantidades de silicatos con elementos raros y no compatibles tales como berilio, boro, niobio y otros.
Normalmente estos fundidos residuales penetran por las fisuras y cavidades de las rocas que lo rodean y depositan minerales íntimamente con las rocas ígneas, estas formaciones se llaman pegmatíticas, pero siempre se les da el nombre de la roca a la que esta asociada.
Depósitos Minerales de origen Pegmatitico Las mas frecuentes son de composición granítica, asociadas a granitos y granitos alcalinos, y están constituidas mayoritariamente por cuarzo, feldespato potásico (microclina u ortoclasa), plagioclasa sódica (albita) y mica blanca (moscovita), junto a otros minerales que pueden ser mas o menos abundantes: turmalina, apatito, fluorita, lepidolita, berilo, topacio, corindón, monacita, casiterita, uraninita, torbernita , así hasta 300 especies mineralógicas descritas en un solo macizo pegmatítico El desarrollo de sus cristales es a veces de varios metros.
Fase neumatolíticos e hidrotermales.
Todos los elementos volátiles incluyendo el vapor de H2O, pueden dar origen a tipos especiales de depósitos minerales. Cuando estos depósitos se forman por encima de 400º C se llaman neumatolíticos y los que se forman por debajo se llaman hidrotermales, y además estos últimos se subdividen de acuerdo con la T de deposición en 3 tipos:
Hidrotermal de alta T formados entre 400 y 300º C, Hidrotermal de T media entre 300 y 150º C, Hidrotermal de baja T entre 150 y 50º C. En general las más próximas a la fuente magmática son los de mayor T. Estos dos tipos de depósitos son generalmente filones o venas que son fuentes importantes de cobre, plomo, zinc…
Fase neumatolítica
Las rocas neumatolíticas, son intermedias entre las pegmatitas y las hidrotermales. Son rocas de reemplazamiento metasomático , es decir, producto del reemplazamiento a alta temperatura de una roca por otra, por disolución parcial de la original, y depósito a partir de los fluidos mineralizantes. Las temperaturas características de formación se sitúan entre 600 y 400ºC. Su composición es muy variable, en función de la de los fluidos, y de la roca a la que reemplazan, con la que suele producirse mezcla química. Los depósitos más conocidos e interesantes desde el punto de vista minero son los denominados skarns, producidos por la interacción entre fluidos derivados de granitos, y, principalmente, rocas carbonatadas (calizas o dolomías).
Depósitos Minerales de origen Neumatolítico Tipo SKARN Un Skarn es un depósito formado en un ambiente de metamorfismo de contacto con roca de caja de carbonatos (calizas o talvez margas). Adicionalmente de los fenómenos del metamorfosis de contacto se puede detectar una fuerte metasomatosis ( o alteración) en las rocas de calizas y en el plutón.
Existe Skarn de magnesia (generalmente tiene minerales como forsterita u otros silicatos de Mg) y Skarn de calcio (contiene silicatos de calcio; por ejemplo diopsita o andradita). Existen principalmente depósitos de Skarn de hierro (Fe), Skarn de Cu, de Zn, de W. Algunos tienen una cantidad considerable en oro.
La mena generalmente muestra una distribución muy heterogénea muchas veces asociado a fracturas como fallas y diaclasas. La temperatura de génesis puede llegar a los 800ºC, pero en la mayoría se mueve entre 400ºC hasta 500ºC. La metamorfosis forma algunos minerales específicos como wolastonita, diópsido, tremolita, actinolita y granates.
La parte del skarn que perteneció a la roca intrusiva se llama endoskarn, la parte que perteneció a la roca de caja exoskarn. La mineralización puede afectar ambas partes, pero en el exoskarn es más común.
Depósitos Minerales de origen Neumatolítico Tipo GREISSEN Otro tipo de yacimiento neumatolítico de interés minero es el denominado greissen . Corresponden estos yacimientos a zonas de alteración relacionadas con granitos, y que por lo general afectan a zonas periféricas o apicales del propio granito. En estas zonas se produce una destrucción del feldespato potásico, con formación de mica blanca microcristalina (illita), y con entrada de abundante sílice que se deposita en la roca en forma coloidal (calcedonia), en lo que de denomina proceso de silicificación. La casiterita y la wolframita suelen ser las principales menas metálicas asociadas a estos yacimientos. A menudo los greissen se asocian a yacimientos típicamente filonianos.
Fase hidrotermales . Comúnmente también conocidos como filonianos (vein deposits), se clasifican según su temperatura de formación (que suele estar entre los 400 y los 100ºC), y en función de la mayor o menor proximidad a la roca ígnea de la que derivan. Las mineralizaciones hidrotermales están constituidas fundamentalmente por cuarzo y/o carbonatos diversos, entre los que cabe destacar calcita, dolomita, y siderita, minerales que suelen constituir la ganga o parte no explotable en los yacimientos de interés minero.
Entre los minerales de interés minero (o menas) que pueden estar presentes en este tipo de rocas o yacimientos, podemos citar barita, fluorita , y minerales sulfurados, como pirita, calcopirita, blenda, galena, cobres grises (tetraedrita y tennantita), argentita, platas rojas (proustita ‐pirargirita), cinabrio, y un largo etcétera de minerales, entre los que se encuentran también la plata y el oro nativos.
Depósitos Minerales de origen Hidrotermal Los depositos filonianos constituyen el relleno de fracturas abiertas en la roca, otras morfologías incluyen el entrecruzado de vetillas ( stockwork ) y las diseminaciones de mineral, características ambas de los yacimientos de tipo pórfido cuprífero. También son relativamente frecuentes los cuerpos irregulares, que pueden formarse tanto por fenómenos de reemplazamiento como por relleno de cavidades. Las texturas son características de la cristalización en espacios abiertos: geodas, drusas, crecimientos paralelos, concentraciones nodulares, etc. De entre los distintos tipos de yacimientos hidrotermales, destacaremos dos tipos por su importancia económica:
los yacimientos de pórfidos cupríferos (+/ ‐ Mo) y los epitermales de metales preciosos (Au , Ag). Tienen también su importancia, aunque menor en la actualidad, Las mineralizaciones filonianas de metales de base (Pb ‐Zn‐Cu), y de estaño‐wolframio . También llegan a alcanzar considerable interés minero algunas mineralizaciones de hierro de carácter hidrotermal asociadas a intrusiones.
Depósitos Minerales de origen Hidrotermal Tipo Porfidos Cupríferos Son yacimientos de gran tonelaje y bajas leyes de cobre. Aparte del cobre estos yacimientos pueden presentar cantidades variables de molibdeno y/o metales preciosos (Au+Ag), susceptibles de ser recuperados económicamente.
Parte de estas soluciones pueden llegar a la superficie en forma de geiseres, fuentes termales o fumarolas
Depósitos Minerales de origen Hidrotermal Tipo Epitermales Los yacimientos epitermales de metales preciosos se forman, como su nombre lo indica, en un rango bajo de temperaturas (50 ‐300ºC), en asociación con manifestaciones volcánicas tipo aparato central, calderas, o campos geotérmicos. Son yacimientos de baja ley (algunas decenas de g/t de Au; aunque esto puede ser extremadamente variable) y se clasifican en dos tipos: 1) sulfato ácido; 2) sercita‐adularia El primer tipo se encuentra relacionado con clásicos fenómenos volcánicos tipo aparato central o calderas, sistemas ricos en azufre (generadores de grandes cantidades de ácido sulfúrico) que dan origen a facies de alteración tipo argílica avanzada. Otras facies que reconocemos en ellos incluyen la silicificación y la propilitización . El tipo sericita‐adularia se encuentra más bien relacionado con manifestaciones tipo campo geotérmico, y las facies de alteración presentes son principalmente del tipo potásico (adularia) y clorítica. Un tercer tipo, si así podemos denominarles, corresponde al de los denominados yacimientos epitermales tipo “Carlin”, se asocian principalmente a facies carbonatadas.
Fase Teletermal .
Depósitos Fumarólicos. (Fuentes Calientes) Hay minerales que se pueden formar porque las soluciones hidrotermales alcanzan la superficie de la corteza terrestre como fuentes calientes o exhalaciones volcánicas despedidas durante la erupción de la lava. En este tipo de depósitos son característicos los haluros y otros minerales como S nativo y sulfatos que aparecen alrededor de los cráteres volcánicos. Estos depósitos se suelen formar o bien por sublimación o por interacción entre los gases y consecuente paso a sólido. Son muy frecuentes minerales como las ágatas.
Procesos metasomáticos. Cuando se produce la migración de los fluidos magmáticos o pegmatíticos o de las soluciones hidrotermales, las rocas regionales cambian por la introducción o descarga de sustancias q resultan de la interacción de los minerales ya existentes con las soluciones o lo fluidos. Este proceso es lo que se llama metasomatismo, es un proceso de remplazamiento que está controlado por distintos factores como son: el grado de difusión de los iones, la naturaleza de los minerales y sobre todo la temperatura (a alta temperatura se ve favorecido). Un ejemplo es el que se produce cuando en un contacto entre un granito y unas rocas calcáreas se producen otras rocas formadas por silicatos de calcio (skarn). Además son importantes para encontrar procesos metasomáticos la presencia de minerales pseudomorfos (mineral parcial o completamente remplazado por otro pero que conserva las formas cristalinas originales). Hay minerales pseudomorfos que no tienen la misma composición química, por ejemplo un pseudomorfo de limonita con pirita. También hay minerales pseudomorfos con la misma composición química, se los llama paramorfos, por ejemplo un pseudomorfo de calcita (trigonal) y aragonito (rómbico).
Procesos Supergénicos.
‐Alteración. La primera etapa de la formación de los depósitos supergénicos es la alteración de otros depósitos ya existentes, el proceso incluye la descomposición gradual de los minerales inestables y su conversión en otros que persisten bajo las condiciones nuevas. Los agentes destructivos de los minerales son de tres tipos: 1º físicos (cambios de temperatura, acción mecánica del aire), 2º agentes químicos (aguas superficiales y as sales disueltas en ellas), 3º agentes mecánicos (acción de organismos vivos). Además es importante saber que la alteración de los minerales se produce, de acuerdo con la serie de reacciones de Bowen, así los minerales de más alta temperatura, olivino y anortita, son los que se alteran antes mientras que los minerales de más baja temperatura son más resistentes
Depósitos eluviales y aluviales. Durante los procesos de alteración hay minerales resistentes y otros parcialmente descompuestos que se acumulan en las regiones continentales dando lugar a los depósitos eluviales y aluviales, los primeros son concentraciones in situ mientras que los segundos son los formados cuando los minerales son transportados y depositados por corrientes o ríos. En estos tipos de deposito son importantes minerales muy resistentes con el peso especifico alto, como el oro, que son minerales que están presentes en la roca como accesorio pero se concentran por las corrientes o los ríos dando depósitos económicamente importantes llamados placeres.
Depósitos residuales y de infiltración. Hay depósitos minerales que se forman por procesos químicos mas intensos dando lugar a la formación de minerales secundarios, son los depósitos residuales, como por ejemplo depósitos de mineral de la arcilla cuya formación se debe a la alteración de otros silicatos. Los depósitos de infiltración se forman por la circulación de soluciones superficiales atravesando otras rocas, un ejemplo típico son los depósitos de Fe y Mn formados cuando soluciones ácidas que contienen estos materiales atraviesan rocas carbonatadas produciéndose una neutralización dando lugar a los depósitos.
Procesos Sedimentarios. En contraste con los procesos supergénicos que se forman en las rocas continentales, los depósitos sedimentarios se forman bajo el agua. Estos están enriquecidos en sales llevadas desde las zonas continentales en gorma de suspensiones y después se depositan inmediatamente al alcanzar el agua del mar. En las cuencas marinas se forman lechos calcáreos, o bien por precipitación química de soluciones saturadas, o bien por acumulación de conchas calcáreas o de esqueletos de organismos marinos y así se forman carbonatos, sulfatos, fosfatos, etc. Además de estos minerales hay otros que se forman de soluciones saturadas por medio de evaporación, son compuestos solubles como los cloruros. En algunos casos las lavas de los volcanes son echadas al fondo del mar y se forman los depósitos volcánico ‐sedimentarios, suelen ser óxidos de Fe o Mn. El proceso de formación de los procesos sedimentarios transcurre en tres fases:
Singénesis : proceso de deposición de los minerales sedimentarios. Diagénesis : proceso de compactación de los minerales sueltos. Epigénesis: comprende todos los cambios que sufren las rocas sedimentarias después de su formación. Debería considerarse como la primera etapa del metamorfismo.
Procesos de Metamorfismo Los procesos metamórficos se dividen, de acuerdo con la naturaleza de los factores que producen el metamorfismo, en cuatro tipos de procesos: 1º metamorfismo dinámico, donde el factor principal es la presión; 2º metamorfismo de contacto o térmico, inducido por una fuente caliente de rocas ígneas adyacentes; 3º metamorfismo metasomático, causado por la introducción o separación de sustancias minerales por la acción de gases, de soluciones o de fluidos; 4º regional, implica un ambiente mas complicado porque combina influencias de presión y temperatura variables. Los procesos metamórficos pueden afectar a la composición química y mineralógica, y a la textura y estructura de la roca, y así teniendo en cuenta las composiciones, hay metamorfismo isoquímico y aloquímico. El metamorfismo isoquímico no lleva consigo cambios en la composición química (caliza en mármol), mientras que el metamorfismo aloquímico si que implica cambios (calcita en wollastonita por entrada de sílice). En las rocas de metamorfismo regional se producen un conjunto de minerales característicos que se conocen con el nombre de facies metamórficas, es decir, es un conjunto de minerales asociados repetidamente en el espacio y en el tiempo, de tal manera que es una constante y característica de la relación entre la composición química y la mineralógica.
