Indice
1.
Mecanismos de transformación de calor.
2. Factores que controlan la temperatura
de fusión.
3.
Cristalización.
4. Series de Bowen.
5. Bibliografía.
1. Mecanismos de
transformación de calor.
En el interior de la tierra hay
tres formas principales de transportar el calor:
conducción, convección y radiación.
Conducción.
No es más que transferencia de calor de un cuerpo caliente
a otro cuerpo más frío. Es se puede interpretar
como la transferencia de energía cinética de las
moléculas de una roca caliente hacía una roca
fría, las moléculas calientes están
vibrando, al estar en contacto con moléculas con
energía cinética baja o poco movimiento,
comienzan a chocar y producir un movimiento de moléculas
uniforme.
Convección.
La convención se realiza cuando las moléculas de la
parte de debajo de un líquido entran en contacto con el
calor y aceleran su energía de movimiento, al suceder esto
las por ser más ligeras en peso ascienden a la superficie,
forzando así a las otras partículas más
pesadas (frías) a bajar a la superficie, formando
círculos de ascenso y descenso. Esto sucede con el magma
de la Tierra.
Radiación.
La radiación proviene de la energía emitida por
el Sol, pero
ésta no es capaz de penetrar más allá de 5 m
de profundidad en la superficie terrestre, en la superficie del
mar, su alcance es hasta 25m. Por lo tanto entonces el sol no es
una fuente directa de radiación de energía. La
radiación es una forma de trasporte de energía a
temperaturas elevadas, todos los cuerpos se encuentran arriba del
cero absoluto, por lo tanto emiten radiación, aunque
nosotros no la percibamos a simple vista, es posible tener
datos de esta
radiación por aparatos que midan las longitudes de onda
que los cuerpos emitan por muy bajos que estos sean.
Los tres tipos de energía existen en la Tierra, pero los
dos primeros son los más comunes, sufrimos sus efectos con
mayor frecuencia que el último; la conducción puede
estar presente en los océanos, que actúan como
enormes plantas de
reserva de calor durante el día y que por la noche la
liberan; los huracanes, tornados y tormentas tropicales formadas
en las costas del pacífico son producto de
las corrientes de los vientos calientes con los vientos
fríos, por la característica de viajar formando
círculos, que no es más que patrones de
convección al igual que si fuera una olla Express la
tierra, esto último por la atmósfera que nos
envuelve.
2. Factores que controlan
la temperatura de
fusión.
- presión
- mezcla de minerales
- agua
Estos tres componentes esenciales en la formación
de rocas están muy ligados entre sí, por tal motivo
no podemos hacer una separación tajante de los tres,
sería imposible entender así los procesos que
rigen la formación de rocas.
Por tanto y con la aclaración anterior empezamos diciendo
que ‘un principio básico válido para todos
los modos de formación de los minerales es el hecho de que
el momento de su formación, un mineral está en
equilibrio con
el ambiente en el
que se encuentra’ (1). La temperatura de la tierra aumenta
aproximadamente 1° C por cada 21 m de profundidad, entonces a
1 km la temperatura será mayor que la de la superficie
terrestre, a 18 km superará temperaturas alcanzadas por
mecanismos hechos por el hombre para
fundir metales por
ejemplo, a esta temperatura aproximada es donde se forman los
minerales, las rocas con una presión y
una temperatura adecuada pueden pasar de estado
sólido a líquido, pues las condiciones
termodinámicas son favorables, a medida que la temperatura
y la presión disminuyen determinados minerales con puntos
de fusión altos empezaran a solidificarse y
cristalizar.
Al incremento de temperatura con relación a la profundidad
se le llama gradiente geotérmico. La mayoría de las
zonas del planeta en las que no tienen anomalías
térmicas se agrupan alrededor de un promedio de 25 a
35°C / km a ese valor se le
considera gradiente geotérmico normal. El flujo de calor
en la superficie terrestre se calcula como el producto del
gradiente geotérmico por la conductividad térmica
de las rocas, siendo estos dos parámetros determinados
directamente.(2).
Las condiciones de temperatura y presión llegan a ser
favorables localmente, esa parte de la corteza o subcorteza
pasará parcial o totalmente al estado líquido y se
formará un magma.(1). En este magma están todos o
casi todos los minerales que existen en la Tierra. Las
condiciones bajo las cuales la mezcla se enfría y
cristaliza determinan en una gran medida la naturaleza de los
minerales resultantes. Son muchos los factores que intervienen en
este proceso, tales
como la velocidad de
enfriamiento, las variaciones de presión y el carácter
de la roca local, cualquiera de los cuales pueden influir la
conservación de un estado de equilibrio entre la mezcla
fundida y los productos
sólidos que en ella se forman. (1). Nosotros al encontrar
una roca podemos saber a que profundidad de lo Tierra se
formó por las características que presenta, con
esto también se puede saber el tiempo de vida de
una montaña, por lo tanto también de la Tierra.
Todo se inicia cuando la mezcla fundida tiene una
variación mínima apenas visible de la temperatura.
Al suceder esta disminución los primeros minerales en
formarse son el apatito (Ca3(F,Cl,OH)(PO4),
la esfena CaTiSiO5, y la magnetita
FeFe2O4. como están en equilibrio
con el resto de la mezcla fundida dentro de un amplio margen de
temperaturas, se conservan hasta el final del proceso de
cristalización.
Si la presión continúa variando hasta reducirse por
completo lo último que se forma según las series de
Bowen es el cuarzo. A medida que los minerales mezclados en la
masa fundida tengan un punto de fusión mayor, al haber
variaciones de temperatura los minerales van a solidificarse, es
decir se cristalizarán.
La mezcla de minerales proviene de la roca fundida o lava, esta
lava tiene altos puntos de temperatura a medida que aumenta la
profundidad. En esta mezcla podemos predecir cual será el
porcentaje que contenga nuestro nuevo mineral, este contenido de
elementos ‘nuevos’ no es más que los residuos
de las rocas fundidas por las altas temperaturas. Es posible que
con esta mezcla se forme una piedra con 2 minerales en ella,
compartiendo más de una característica, si esto
sucede los dos minerales deben tener puntos de fusión o
solidificación sino iguales casi idénticos para que
exista esa relación. Desde el magma hasta que la lava se
solidifica prácticamente la mezcla caliente es siempre una
mezcla de minerales.
La composición original del magma es la que determina, en
una gran medida, la asociación final de minerales.
Los fluidos magmáticos se diferencian a medida que
ascienden hasta las rocas superiores. Una sucesión de
minerales cristaliza a partir de ellos a medida que se mueven
continuamente hacia ambientes de inferior presión y
temperatura en dirección a la superficie.
La solubilidad de la mayoría de las sustancias
varía directamente con la temperatura y el descenso de
ésta conduce gradualmente a estados de
sobresaturación de los diversos constituyentes que se
precipitan siguiendo un cierto orden. La pérdida de
disolvente por evaporación produce el mismo resultado. Las
variaciones de presión pueden afectar a las solubilidades,
sobre todo cuando está implicada ene el proceso una fase
gaseosa. (1).
Haremos ahora algunas diferenciaciones con respecto a la
formación de minerales a partir de soluciones
acuosas.
Por la formación de minerales hidrotermales. Al descender
la temperatura, el vapor de agua se
liquida y se obtiene soluciones en agua caliente o hidrotermales.
Estas soluciones son ácidas cuando abandonan la
cámara magmática debido a la presencia de ácidos
volátiles como HCl, HF, H2BO4,
H2S, H2SO4. durante la
emigración puede ser captada agua de origen
meteórico, lo que aumenta el volumen.
Los minerales de las soluciones hidrotermales pueden depositarse
en cavidades y otros espacios abiertos por un sencillo proceso de
precipitación o al reaccionar con los minerales de las
rocas en contacto con las soluciones.
La precipitación en cavidades está controlada en
una gran medida por las variaciones de temperatura y
presión. En general, la solubilidad de la mayor parte de
las sustancias disminuye al bajar la temperatura y, en menor
grado, al disminuir la presión.
A medida que las soluciones acuosas calientes atraviesan al
emigrar rocas de composiciones variadas, encuentran minerales que
son inestables en su presencia. Tienen lugar reacciones y se
forman nuevos minerales que sustituyen a los
primitivos.
Formación de los evaporitos.
La categoría de minerales llamada evaporitos comprenden
todos los minerales formados por la evaporación de
soluciones acuosas en la superficie del suelo. Las aguas
que se acumulan en cuencas sobre la superficie del suelo o
ascienden a su superficie son todas ellas soluciones, es decir,
contienen mineral de disolución. Las aguas que se acumulan
en cuencas carentes de salida durante los periodos de lluvias
poco frecuentes, se evaporan en cuestión de días,
dejando un depósito de minerales. Como este proceso puede
repetirse anualmente, se llegan a formar depósitos de
espesores relativamente grandes. El proceso de la
evaporación puede parecer sencillo: aplicando
energía calorífica es expulsada el agua y los
materiales
disueltos que quedan como residuo.
La composición de las soluciones, incluyendo las
concentraciones de los diversos iones y la temperatura a que
tiene lugar la evaporación son los principales factores
que determinan cuáles serán los evaporitos que se
formen.(1).
Formación de minerales de las aguas
subterráneas.
Todas las aguas subterráneas son soluciones en las que se
precipitan minerales cuando se llega ala condición de
sobresaturación respecto a uno o varios de sus
constituyentes. La composición de estas soluciones
varía de un lugar a otro, dependiendo de la
composición de las rocas y la composición del suelo
con las que el agua ha estado en contacto. (1).
Origen de la cristalización.
El proceso de cristalización empieza donde todos los
minerales están unidos formando una mezcla de iones a una
temperatura aproximadamente de 1600° C, en esta masa caliente
de minerales existe un equilibrio de co-existencia entre cada
mineral con otro. Su origen está relacionado
íntimamente con la temperatura y la presión;
sabemos que éstas aumentan conforme la profundidad de la
Tierra, además muchos minerales tienen diferentes puntos
de fusión por lo que se van fundiendo
convirtiéndose así en parte de la mezcla fundida
que no es otra cosa que magma. Entonces si este proceso sigue
hasta llegar a los minerales con más alto punto de
fusión, podemos suponer que el magma contiene a todos los
minerales existentes en la Tierra.
Los magmas constan de una fase líquida compuesta por una
mezcla de silicatos fundidos, con más o menos cristales de
minerales en suspensión y más o menos
constituyentes gaseosos. (1). Un magma está principalmente
formado por O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K y C2O, y en
menor grado, componentes gaseosos como H2S, HCl,
CH4 y CO. (3).
Las condiciones bajo las cuales la mezcla se enfría y
cristaliza determinan en una gran medida la naturaleza de los
minerales resultantes.
Separación de cristales en Fe- Mg y
plagioclasa.
Un magma rico en O, Si, Mg y Fe al descender la temperatura puede
formar olivino rico en Mg, el olivino (MgSiO4) es el
mineral con más alto punto de fusión; seguido de
éste cristalizarán los olivinos ricos en Fe con una
composición aproximada a los ortopiroxenos y
ciclopiroxenos, poseen puntos de fusión más
bajos.
Cuando el magma tiene gran cantidad de Na y K es muy posible la
formación de plagioclasas. Si no se mantiene el equilibrio
químico entre lo fundido y los cristales durante el
enfriamiento, los cristales resultantes pueden presentar zonas
distintas de composición.
Los silicatos ígneos ricos en Mg –Fe constituyen una
serie de grupos minerales
que están relacionados entre sí por reacciones
discontinuas (3), estas reacciones discontinuas son por los
puntos de fusión tan diferentes de los elementos, mientras
que en las plagioclasas forman series continuas por la
variación de puntos de fusión o
cristalización de los componentes de este magma
diferencian muy poco por lo que encontramos una gran variedad de
minerales, lo que no ocurre en el magma Fe-Mg.
Como mencionamos antes el magma contiene todos los minerales
existentes en la Tierra, pero dependiendo del lugar donde se
localice tendrá una mayor cantidad de elementos formadores
de roca. Entonces podemos hablar de una cristalización
parcial o fraccionada en la serie de reacciones.
Separación de cristales (cristalización
fraccionada).
Todos los minerales de un magma podrían llegar
eventualmente al cuarzo si estuviesen en condiciones de pasar a
través de la serie completa de reacciones; pero esto rara
vez sucede; de hecho probablemente nunca ocurre. La serie de
reacciones, por lo común, se interrumpe antes de
desarrollar toda la secuencia y esta interrupción explica
por qué existen rocas ígneas de diferente
composición mineralógica.
Algunas veces tiene lugar las interrupciones en la
cristalización cuando escapan los productos
volátiles; éstos, al estar en solución, dan
fluidez al magma, permiten a los minerales moverse casi en
completa libertad y
tomar parte en las reacciones
químicas. Cuando los productos volátiles
escapan, la reacción se reduce y se suspende
eventualmente. (4)
Para que el magma comience a cristalizar y forme plagioclasa o
olivino, piroxenos, hornblenda y biotitas depende de muchos
factores, el principal es la velocidad de cristalización.
La velocidad de cristalización varía con la
profundidad.
Cuando ocurre un cambio de
temperatura o presión alguna parte del magma comienza a
solidificarse, los minerales con más alto punto de
fusión comienzan a solidificarse, generalmente son los que
contienen gran cantidad de Mg, seguidos por el Fe que
también tiene alto punto de fusión. Para que se
forme la serie de reacciones de plagioclasa el magma debe tener
como componentes al Na Y K.
Los cristales primeramente formados, producidos por el
enfriamiento de un fundido, pueden separarse del líquido
por fuerzas gravitatorias o por deformación
tectónica. (3)
Diferenciación química.
La composición química global de las rocas
ígneas presenta intervalos bastante limitados. El
componente óxido más importante SiO2,
varía del 40 al 75 % en peso en los tipos de roca
ígnea comunes. El Al2O3 varía
generalmente del 10 al 20% en peso y los restantes componentes
principales no exceden generalmente el 10% en peso. Cuando el
magma posee un contenido bajo en Sio2, las rocas resultantes
contienen minerales relativamente pobres en sílice, como
el olivino, el piroxeno, la hornblenda, la biotita y poco o nada
SiO2 libre (es decir, cuarzo, cristobalita). Estas
rocas que tienden a ser oscuras a causa de su alto porcentaje en
minerales ferromagnesianos se denominan rocas máficas.
Cuando el fundido es pobre en SiO2 (subsilíceo)
y rico en alcálisis Al2O3 , los
productos de cristalización resultantes contendrán
minerales pobres en SiO2 como los feldespatoides, o
faltará SiO2 libre como el cuarzo. La
cristalización de un fundido rico en SiO2
(sobresaturado en sílice) da lugar a las rocas con cuarzo
abundante y feldespatos alcalinos, con o sin muscovita,y solo
pequeñas cantidades de minerales ferromagnesianos. Estas
roscas se llaman félsicas o silícicas, son de
color más
claro que las rocas máficas. (3)
A temperaturas elevadas, las plagioclasas forman una
serie isomorfa continua desde la anortita,
CaAl2Si2O8, hasta la albita
NaAlSi3O8, siendo los porcentajes
relativos de CaO y Na2O en la mezcla fundida los
que determina la composición de las plagioclasa
formada en primer término. A medida que desciende la
temperatura, los cristales de plagioclasa dejan de estar en
equilibrio con la mezcla fundida, son reabsorbidos y se
forman cristales más albíticos: esto es un caso
de sustitución ce CaAl por NaSi en la estructura
básica. Con el descenso de temperatura, esta
sustitución es continua hasta que se forme una
plagioclasa que permanezca en equilibrio con el resto de la
mezcla fundida: en este caso particular la plagioclasa
será la andesina.
Supongamos que en el magma hayan cristalizado el olivino y
una plagioclasa cálcica. Mientras estos minerales
sigan estando en equilibrio con la mezcla fundida, se separan
las dos fases, la sólida y la líquida, hecho
que puede ser, simplemente, en resultado de una
sedimentación por gravedad. Estos minerales son
más densos que los de la mezcla fundida y, en ciertas
condiciones, pueden acumularse formando una capa en el donde
de la cámara magmática. En esta
operación, la mezcla fundida habrá perdido algo
de MgO, FeO, CaO, Al2O3 y SiO2, y se
habrá enriquecido, relativamente en Na, O,
K2O y SiO2. en lo respecta al
sílice, tanto el olivino como la plagioclasa
cálcica son más pobres que los piroxenos,
anfíboles y plagioclasas albíticas que se
forman posteriormente. En la mezcla de silicatos fundidos
algo empobrecida, cristalizarán ahora los piroxenos y
anfíboles con menos hierro,
magnesio y calcio y tal vez oligoclasa en ligar de andesina.
Una parte de la roca formada primordialmente, por olivino y
labradorita o bytownita y otra parte por cuarzo, feldespato
potásico, oligoclasa, un anfíbol y biotita.
A este mismo resultado podía llegarse por otros
caminos. Durante la emigración del magma, los
cristales de primera formación podrían ser
separados por filtración o la presión reinante
en la cámara magmática podría exprimir
el líquido dejando la parte sólida.
Ahora si el magma es rico en alcálisis, se
formarán piroxenos como la egirina y los
anfíboles como arfvesdsonita. Los magmas ricos en
sodio y pobres es sílice, dan feldespatoides como la
nefelita y la sodalita.
Las reacciones entre el magma y la roca encajante pueden
hacer variar la composición global de la mezcla
fundida dando lugar a una asociación de minerales
diferentes de la que hubiera cristalizado a partir del magma
original. Por ejemplo, si un magma basáltico
encontrará caliza y la asimilara, se
enriquecería en cal y en lugar de enstatita
(Mg2Si2O6), podría
formarse diópsido (CaMgSi2O6).
Para que se formasen estos piroxenos se consumiría
mayor cantidad de sílice y el magma se
empobrecerían en sílice formándose un
óxido, tal como la magnetita
(Fe3O4) y con feldespatoides
sustituyendo a los feldespatos. (1).
La siguiente lista son los minerales que se presentan en a
serie continua, obviamente no todos están en las rocas
ígneas.Minerales de la sílice:
Cuarzo
Tridimita
Feldespatos
Ortosa
Sanidina
Anortosa
Mocriclina
Micropertita
Plagioclasas
Feldespatoides
Nefelita
Leucita
Sodalita
Hauyna
Noseana
Micas
Mosvovita
Biotita
Flogopita- Serie continua.
- Serie discontinua.
La mezcla fundida permanece en la cámara
magmática donde se formó y que la única
variación que experimentan las condiciones físicas
es un descenso de la temperatura, lento y uniforme. Los primeros
minerales que se formen serán el apatito
(Ca5(F.Cl.OH)(PO)4)3, la esfena
CaTiSiO5 y la magnetita FEFe2O4,
que lo harpan a temperaturas bastante levadas y que permanecen
invariables durante el enfriamiento. Como están en
equilibrio con el resto de la mezcla fundida dentro de un amplio
margen de temperaturas, se conservan hasta el final del proceso
de cristalización. Poco después de empezar a
formarse, comienzan a cristalizar el olivino y las plagioclasas
cálcicas. Teóricamente la magnesia, MgO y la
sílice SiO2, se unen para formar forsterita
Mg2SiO4, y la cal CaO, la sosa
Na2O y la alúmina Al2O3,
se combinan para dar una plagioclasa cacica.
Si después de haber cristalizado esto minerales no hay un
nuevo descenso de temperatura, permanecerán invariables en
equilibrio con la mezcla fundida. Sin embargo, a temperaturas
más bajas ya no estarán en e equilibrio con el
nuevo ambiente y reaccionarán con la mezcla fundida
formándose nuevos minerales. Por ejemplo, la forsterita
será absorbida y se formará clinoenstatita,
probablemente según la ecuación:
Mg2SiO4 + SiO2
®
MgSi2O6
El olivino procedente de
esta mezcla fundida contendría hierro y magnesio, de modo
que el clinopiroxeno resultante sería probablemente una
augita, puesto que para ello habría disponibles CaO y
Al2O3. A temperaturas más bajas aún el vapor de
agua, siempre presente, entraría en reacción: los
cristales de piroxeno serían corroídos por la
mezcla fundida y posiblemente reabsorbidos por completo,
formándose posteriormente un anfíbol. En este punto
todo el CaO habría sido ya consumido por el anfíbol
y los cristales de plagioclasa que se forman
simultáneamente. Al entrar en juego el
potasio, puede esperarse la formación de biotita a
expensas de los restos de hierro, magnesio y aluminio
presentes. Esta serie de reacciones se desarrolla de modo
discontinuo, es decir, un mineral de primera formación
reaccionará con la mezcla fundida y se forma otro mineral
totalmente diferente.
Con la cristalización de los minerales de las series
discontinuas tiene lugar simultáneamente y con independencia,
la formación de las plagioclasas. (1)
La lista que a continuación se presenta corresponde a los
minerales formados en la serie discontinua:
Piroxenos
Hiperstena
Broncita
Diópsido
Augita
Egirina
Anfíboles
Hornblenda
Arfvedsonita
Riebeckita
Olivinos
Dialaga
c. Formación de cuerpos diferenciados.
Con la formación del anfíbol y la biotita en la
serie discontinua y la andesita como producto final de esta serie
continua, todo lo que queda en la mezcla fundida es
sílice, alúmina y los alcálisis
Na2O y K2O. Continuando el descenso de
temperatura, se forma ortosa KalSi3O8, y
posiblemente micropertita que es una solución
sólida sin mezcla de albita ortosa. En algunas mezclas
fundidas y en esta fase, puede formarse muscovita,
Kal3Si3O10(OH)2. toda
la sílice queda sin combinar en la mezcla fundida,
cristalizará al estado de cuarzo.
La asociación de minerales formados a partir de estas
mezcla fundida en las condiciones indicadas estaría
constituida por cuarzo, ortosa y micropertita, andesita,
anfíbol, biotita, magnetita, apatito y esfena.
Los minerales de las pegmatitas. Durante las últimas fases
magmáticas tienen lugar con frecuencia una
concentración de la mezcla fundida rica en sílice,
alcálisis y constituyentes volátiles, agua
principalmente, existiendo la duda de si tal sustancia debe ser
considerada como un magma muy fluido o como una solución
acuosa concentrada. En estas soluciones fundidas cristaliza una
gran variedad de minerales que se depositan en forma de diques o
lentejones y que son llamadas pegmatitas, éstos
depósitos son de grabo grueso a muy grueso y tienen por lo
general color claro. La formación de cristales
excepcionalmente grandes es atribuida a la fluidez de la mezcla
fundida. Los principales constituyentes de las pegmatitas son el
cuarzo, ortosa, microclina y entrecrecimientos petíticos
de albita y ortosa o de albita y microclina. (1)
La lista que a continuación se muestra pertenece
a los minerales que se encuentran en las pegmatitas:
Actinolita
Albita
Almandino
Amatista
Ambligonita
Andalucita
Andradita
Apatito
Barita
Berilo
Biotita
Brookita
Calcopirita
Calcosina
Casiterita
Cianita
Columbita
Coridón
Enstatita
Escapolita
Espesartina
Espodumena
Estannita
Fluorita
Galena
Grafito
Hornblenda
Ilmenita
Magnetita
Monacita
Oligoclasa
Oro
Pirita
Pirofilita
Piroxeno
Rodocrosita
Rutilo
Titanita
Topacio
Turmalina
Wolframita
Circón
Zoisita.
- Elementos de cristalografía y
mineralogía; Alton Wade, Richard B.Mattox; Ed Omega;
traducción de la 2ª ed. 1976 Barcelona. Pp. 325
–348. - El calor de la Tierra; Rosa María
Prol-Ledezma: Fondo de Cultura
económica; la ciencia
desde México/58. - Manual de mineralogía; Cornelius Klein,
Cornelius S.Hurbert Jr.; Ed reverté; 4ª ed. Pp
620. - Fundamentos de geología física; Leet; Ed
Limusa; pp.77
Autor:
Elisa Sotelo