Minerales y rocas

Dos de las ramas fundamentales de la Geología son, respectivamente, la mineralogía y la petrología. La primera se ocupa del estudio de los minerales, mientras que la petrología se encarga de estudiar las combinaciones naturales de estos, las rocas.

Los minerales son la unidad de estudio de ambas partes de la ciencia, ya que las rocas son combinaciones naturales de minerales. A pesar de su importancia, el de mineral no es totalmente preciso: es prácticamente imposible hacer una definición de mineral sin dejar fuera de ella algún ejemplo que, por lo demás, es claramente identificable dentro de esta categoría.

Una definición bastante tradicional de mineral es la que afirma que un mineral es una sustancia sólida, inorgánica, de origen natural, homogénea, con una disposición interna ordenada y cuya composición química, estructura cristalina y propiedades físicas son fijas o varían entre límites determinados. Un primer problema de esta definición es que deja fuera minerales como los carbones, ya que son de naturaleza orgánica, o el petróleo, que es líquido a temperatura ambiente. También quedan excluidos materiales vítreos como la obsidiana, si bien en este caso esos cuerpos se suelen definir como mineraloides. Un segundo problema es que la definición es bastante indeterminada, ya que un mismo mineral puede, en algunos casos, presentar composiciones químicas, o estructuras cristalinas, diferentes, mientras que en otros casos cambios en alguna de esas características son suficientes para diferenciar dos cuerpos como minerales distintos.

Desde el punto de vista estructural, los minerales pueden estar formados por diferentes tipos de elementos constituyentes: átomos, como en el caso de los metales nativos (oro, plata...), iones, como ocurre en los minerales salinos (por ejemplo halita, yeso) o moléculas. Dichos elementos están unidos entre sí mediante diferentes tipos de enlaces; los átomos forman enlace metálico, los iones enlace iónico y las moléculas se unen mediante enlaces covalentes. Cada uno de esos tipos de enlace tiene propiedades diferentes, lo que determina la mayor parte de las características del mineral.

Los componentes de un mineral (átomos, iones...) pueden disponerse dentro del mineral de muchas formas diferentes. Sin embargo, algunas de esas ordenaciones son más estables que otras, de forma que lo más probable es que sean las que se observan en los minerales. En general, las organizaciones internas más estables son aquellas cuyos elementos están ordenados geométricamente, lo que recibe el nombre de estructura cristalina, lo que explica que la inmensa mayor parte de los minerales tengan estructura cristalina.

Sin embargo, no se debe confundir la estructura cristalina, que es una característica interna, microscópica, con la formación de cristales, que es una propiedad externa y macroscópica: la estructura cristalina es la ordenación geométrica regular de los constituyentes mínimos del mineral, mientras que un cristal es un cuerpo sólido, con estructura interna ordenada, pero que además presenta caras bien formadas, planas, pulidas y con formas geométricas regulares. Los cristales siempre tienen estructura cristalina, pero no todos los cuerpos con estructura cristalina forman cristales.

Existen unos cuantos casos en los que los cuerpos naturales no poseen una estructura interna cristalina. En general se deben a que se han formado muy rápidamente, normalmente por enfriamiento brusco a partir de una masa fundida, sin tiempo para que sus elementos adquieran una ordenación regular. Este tipo de cuerpos reciben el nombre de vidrios.

 La adquisición de la estructura interna cristalina a partir de un conjunto de componentes ordenados de un modo determinado da lugar, por lo tanto, a un mineral nuevo. Esa reordenación se produce cuando cambian las condiciones a las que se encontraban sometidos previamente esos materiales, cambio que hace que la estructura previa se haga inestable. Las condiciones físico-químicas que más influyen en la formación de minerales son la presión, la temperatura y la concentración de sus componentes. Es decir, un mineral se forma, a partir de una mezcla de materiales preexistente, cuando cambian las condiciones de presión, temperatura o composición química que permitían que esa mezcla fuera estable. 

La formación de nuevos minerales se puede producir a partir de cualquier tipo de condiciones: una mezcla de gases, un líquido formado por roca fundida (magma) o por agua cargada de sustancias disueltas o un sólido, es decir, un mineral preexistente. Los procesos físico-químicos más importantes que se producen en tales casos son los siguientes:

• Sublimación: paso directo de gas a sólido. Se da, por ejemplo, en fenómenos volcánicos en los que la emanación gaseosa, formada por diferentes sustancias se enfría rápidamente, haciendo que algunas de ellas pasen inmediatamente a estado sólido. Un ejemplo de este tipo de mineralización es la formación de cristales de azufre nativo en las fumarolas.
• Solidificación: consiste en el enfriamiento más o menos rápido de un magma, es decir, de una masa rocosa a elevada temperatura. La velocidad del enfriamiento influye en la estructura de los minerales que se forman, de modo que cuanto más lento sea éste mayores serán los cristales que se originen. Un ejemplo es la formación del olivino o del piroxeno, minerales típicamente magmáticos.
• Precipitación y evaporación: los minerales se forman a partir de una disolución de dierentes sustancias. Cuando la disolución alcanza su saturación, ya sea por aumento de la concentración de materiales disueltos, ya sea por evaporación del disolvente (generalmente agua). En el primer caso se produce la precipitación, que da lugar a minerales como la calcita, mientras que la evapoación forma, por ejemplo, el yeso.
• Transformaciones en estado sólido: cuando cambian las condiciones en las que se ha formado un mineral, fundamentalmente la presión y la temperatura y, en menor medida, la composición química de su entorno, puede transformarse en otro diferente, sin dejar de estar en estado sólido. Estos cambios son característicos de los procesos metamórficos, y dan lugar a minerales como la albita, la andalucita o la distena.

Los procesos de formación de minerales se dan en tres ambientes diferentes, en cada uno de los cuales tienen lugar procesos distintos que originan, por lo tanto, distintos minerales.

• En el ambiente magmático la formación de minerales ocurre fundamentalmente por solidificación. Los minerales más abundantes que se forman son silicatos.
• En el ambiente metamórfico se forman minerales nuevos a partir de otros existentes mediante transformaciones en estado sólido debidas a cambios de presión y/o temperatura.
• En los ambientes sedimentarios se forman tanto minerales nuevos como otros que resultan de la transformación de minerales existentes. Los procesos más frecuentes son la precipitación directa, la transformación química o la evaporación, aunque también se forman minerales por la acción de los seres vivos.

Elementos necesarios para definir un mineral

El criterio más importante para definir un mineral, es decir, para diferenciarlo de otros, es su composición química, ya que la mayoría de las propiedades minerales dependen de ella. Sin embargo, algunas propiedades minerales no dependen directamente de la composición, sino de otros factores como la disposición geométrica de sus componentes (su estructura cristalina) o el tipo de fuerzas que existen entre dichos elementos. Esto hace que la relación entre composición química y especie mineral no sea inequívoca: hay compuestos que, con la misma composición química forman minerales diferentes porque tienen distinta estructura, y que se denominan minerales polimorfos, como la calcita y el aragonito, o el grafito y el diamante, mientras que en otros casos hay sustancias distintas que se consideran el mismo mineral porque pertenecen al mismo sistema cristalino, cristalizan a la vez, en las mismas condiciones, y tienen propiedades físicas y químicas parecidas. En este caso hablamos de minerales isomorfos, un ejemplo de los cuales es la serie de las plagioclasas.

Las propiedades de los minerales dependen, en muchos casos, del tipo de enlace químico que une sus elementos.

 
La estructura interna de los minerales

Los componentes de un mineral cristalino se sitúan en una disposición regular a lo largo de los ejes y los planos del mineral. Esta disposición se representa mediante una red cristalina, que es un diagrama hipotético en el que se muestran puntos ordenados de modo que cada uno de ellos se encuentre en un entorno similar a los demás. Cada punto del diagrama es un nodo, y representa un átomo, ión o molécula.

Los elementos que forman un cristal pueden disponerse en un número limitado de formas, concretamente de siete modos distintos, cada uno de los cuales se denomina red cristalina. Las redes cristalinas son, en realidad, abstracciones geométricas que corresponden a clases de simetria. Cuando se combinan estas disposiciones teóricas con la posición que pueden ocupar los elementos cristalinos (átomos, iones, moléculas) en dichas figuras (situadas en los vértices, en las caras, en las aristas o en el centro de las figuras) se obtiene un total de catorce disposiciones posibles de los átomos o iones para dar lugar a cristales, que reciben el nombre de redes de Bravais. Dicho de otra forma, existen catorce tipos de cristales posibles, que se diferencian entre sí por la disposición de sus elementos. Cada tipo cristalino diferente responde a una de las redes de Bravais (en la figura). Dentro de cada sistema cristalino se pueden formar, además, diferentes formas cristalinas que comparten los mismos elementos de simetría.

La forma final de los minerales puede estar afectada, además, por otros factores; la formación de maclas consiste en el crecimiento yuxtapuesto y simétrico de varios cristales, mientras que los agregados cristalinos se producen cuando varios cristales crecen unidos ocupando un espacio irregular. Este fenómeno se produce frecuentemente en las rocas magmáticas o metamórficas. Por último, es frecuente que los cristales presenten imperfecciones que se deben a la falta de espacio que impide el crecimiento regular del cristal o a la presencia de impurezas, es decir, de pequeñas cantidades de otras sustancias químicas mezcladas con el mineral.

Propiedades físicas de los minerales

• Exfoliación: es la posibilidad de que el mineral se rompa según ciertas direcciones y no en otras. Depende de la estructura del mineral, ya que las direcciones de fractura corresponden a las uniones más débiles dentro de la estructura cristalina. Es una propiedad característica y permanente de cada mineral.
• Dureza: Es la resistencia del material a ser rayado. Es una de las propiedades más importantes para la identificación de los minerales. La dureza se mide mediante una escala relativa, la de Mohs, que consta de diez minerales patrón, ordenados de modo que cada uno de ellos raya a todos los que están por debajo de él en la escala. No debe ser confundida con la tenacidad.
• Fractura: Los minerales pueden romperse dando lugar a fragmentos irregulares, pero característicos. No está relacionada con la estructura interna del mineral.
• Peso específico: Es la relación entre el peso del mineral y el volumen que ocupa, y se debe al grado de empaquetamiento de sus componentes. Junto a la dureza, es una de las propiedades diagnósticas más importantes.
• Tenacidad: Resistencia del mineral a ser deformado, roto, molido o doblado. Depende de la cohesión que existe entre sus elementos.
• Electricidad y magnetismo: Algunos minerales pueden transmitir la electricidad, dependiendo del tipo de enlace que existe entre sus componentes (lo hacen los metales nativos, que poseen enlace metálico), mientras que otros, como la magnetita o la pirrotina, tienen propiedades magnéticas.
• Color: No es una propiedad fiable para identificar un mineral, ya que puede variar considerablemente debido a la presencia de impurezas, al grado de cristalinidad, a defectos estructurales o a la alteración química del mineral. En cambio, el color de la raya, que se obtiene al raspar con el mineral un trozo de porcelana porosa, sí se utiliza para distinguir unos minerales de otros, porque es igual en todos los ejemplares del mismo mineral.
• Refringencia: Es una propiedad que se aprecia a través del microscopio petrográfico, y que depende de la velocidad a la que se propaga la luz a través del mineral. La monorrefringencia consiste en que la luz se propaga a la misma velocidad en todas las direcciones, mientras que la birrefringencia se produce cuando la luz se propaga a diferente velocidad según la dirección en la que atraviese el cristal. Es una propiedad característica.
• Luminiscencia: Ciertos minerales emiten luz visible al recibir radiación de otra longitud de onda. Si la emisión de luz continúa después de dejar de recibir la radiación, se dice que el mineral es fosforescente.

Clasificación general de los minerales

 El criterio fundamental para clasificar los minerales es su composición química; según él, y teniendo en cuenta la abundancia en la corteza de los distintos tipos de sustancias que intervienen en la formación de minerales, suele distinguirse entre minerales silicatos y minerales no silicatados. Los silicatos, a su vez, se subdividen teniendo en cuenta su estructura.

Silicatos

Los silicatos son los minerales más abundantes en la corteza terrestre, y los que forman la mayor parte de las rocas. El cuarzo está formado por dióxido de Silicio (SiO₂), mientras que todos los demás son sales ternarias: están formados por el ión silicato, SiO₄^-4, combinado con algún ión metálico como Aluminio, Sodio, Calcio, Potasio, Magnesio o Hierro. Los átomos del grupo silicato se disponen formando un tetraedro, con el silicio en el centro y los oxígenos en los vértices; el resto de los iones se encuentran en los espacios que dejan entre sí esos tetraedros.

Los tetraedros de los silicatos pueden encontrarse aislados o unidos entre sí, compartiendo uno o varios oxígenos. Según el número de oxígenos compartidos se distinguen diferentes tipos de minerales:

• Los nesosilicatos están formados por silicatos aislados entre sí. Estos minerales suelen tener elevada dureza y peso específico, y poca exfoliación. Ejemplos de nesosilicatos son el olivino, la andalucita, la sillimanita...
• Los sorosilicatos están formados por pares de tetraedros que comparten un átomo de oxígeno. Son minerales poco frecuentes, como la epidota o la idocrasa.
• En los ciclosilicatos los tetraedros comparten entre sí dos átomos de oxígeno, formando anillos cerrados de seis tetraedros. Un ejemplo de este tipo de minerales es el berilo.
• Los inosilicatos están formados por cadenas de tetraedros que pueden ser simples o dobles. En los de cadena sencilla cada tetraedro comparte dos átomos de oxígeno con sus vecinos, mientras que en los de cadena doble algunos tetraedros comparten dos oxígenos, mientras que otros comparten tres. Los piroxenos son ejemplos de inosilicatos de cadena sencilla, y los anfíboles son inosilicatos de cadena doble.
• En los filosilicatos cada tetraedro comparte tres átomos de oxígeno con sus vecinos, de modo que se forma una estructura laminar. Esto hace que las uniones sean muy fuertes dentro de la misma capa, pero mucho más débiles entre capas adyacentes, por lo que los minerales de este tipo se dividen muy fácilmente en láminas (exfoliación), como le ocurre, por ejemplo, a la moscovita.
• En los tectosilicatos los tetraedros se unen entre sí formando una red compleja que se extiende a las tres dimensiones del espacio. Los minerales que presentan esta estructura son normalmente ligeros y poco exfoliables, como el cuarzo.

Las rocas

Una roca es un agregado natural, coherente y multigranular, formado por uno o más minerales y/o mineraloides. Las rocas son las asociaciones naturales en las que los minerales aparecen normalmente en la naturaleza. En general se encuentran como sólidos, aunque algunas pueden encontrarse en estado líquido en los yacimientos de petróleo. La mayoría son rígidas y duras, si bien algunas pueden ser plásticas, como las arcillas, o sueltas, como las arenas, aunque en general estos materiales suelen considerarse como sedimentos. Los elementos de las rocas pueden tener tamaños muy variables; en algunos casos son apreciables a simple vista, mientras que en otras ocasiones son de tamaño tan pequeño que solo son distinguibles con ayuda del microscopio.

Clasificación de las rocas

Para clasificar las rocas suele utilizarse un criterio genético, es decir, se tienen en cuenta las condiciones y los procesos que las originaron. Así se distingue entre las rocas que se formaron por enfriamiento de una masa fundida (magmáticas), las que se originaron por transformación, sin cambiar de estado, de otras rocas anteriores (metamórficas) y las que lo hicieron mediante depósito y transformación de materiales erosionados (sedimentarias). Los dos primeros tipos, magmáticas y metamórficas, deben su origen a procesos geológicos internos, por lo que se agrupan en la categoría de rocas endógenas, mientras que las rocas sedimentarias se forman como resultado de procesos geológicos externos, por lo que se consideran rocas exógenas.

Las rocas metamórficas se producen cuando rocas existentes sufren cambios mineralógicos, químicos y/o estructurales al ser sometidas a condiciones fisicoquímicas distintas a las que les dieron origen. Estos cambios consisten, sobre todo, en aumentos de la presión y/o de la temperatura a la que se formaron las rocas, pero también pueden estar provocados por la presencia de fluidos cargados de minerales disueltos.

Las rocas magmáticas, también denominadas ígneas, se forman por solidificación de una mezcla compuesta básicamente por silicatos, parcial o totalmente fundida, que recibe el nombre de magma. Se denominan rocas extrusivas si la solidificación del magma tiene lugar en la superficie de la Tierra, lo que habitualmente supone que sea un proceso muy rápido. En cambio, las rocas intrusivas se originan cuando la solidificación del magma ocurre en el interior de la corteza, lenta o rápidamente. A su vez, las rocas intrusivas se clasifican en plutónicas, si se forman a partir de una masa de magma, generalmente de gran volumen, que se enfría en profundidad y en general despacio, y filonianas, rocas formadas cuando una parte del magma, habitualmente agua con gran cantidad de minerales disueltos, se abre paso hacia el exterior a través de grietas, cristalizando a lo largo de su recorrido.

Las rocas sedimentarias se disponen en capas superpuestas o estratos, en las que también pueden quedar retenidos restos de organismos vivos que darán lugar a los fósiles. Las rocas sedimentarias detríticas están formadas por fragmentos de otras rocas que han sido transportados y depositados por acción de los agentes geológicos externos. Se clasifican en función del tamaño de esos fragmentos. Las rocas evaporíticas tienen su origen en la evaporación de cuencas sedimentarias que contienen minerales salinos solubles, mientras que las químicas se forman, sobre todo, por precipitación de sales disueltas, cuando su concentración alcanza su solubilidad. Los depósitos de tipo carbonatado en cuyo origen intervienen tanto la precipitación de carbonatos inorgánicos (de calcio y magnesio) disueltos como el depósito de restos de caparazones de seres vivos formados por carbonato cálcico reciben el nombre de rocas químico-biológicas. Los seres vivos pueden ser también responsables exclusivos de la formación de ciertas rocas, llamadas globalmente organógenas, entre las que se encuentran las rocas fosfatadas, formadas a partir de restos fecales o de esqueletos, las silíceas, producidas por organismos que tienen esqueletos de este material (diatomeas, radiolarios), las calizas, formadas por caparazones, o las rocas orgánicas, constituídas por restos orgánicos en proceso de descomposición procedentes de organismos marinos (petróleo) o terrestres (carbón). Finalmente, las rocas ferruginosas son, realmente, rocas sedimentarias de cualquier otro tipo con un contenido en hierro considerable.