Mineralogia - Mineralogy

La mineralogia applica i principi della chimica , della geologia , della fisica e della scienza dei materiali allo studio dei minerali

La mineralogia è una materia di geologia specializzata nello studio scientifico della chimica , della struttura cristallina e delle proprietà fisiche (incluse le ottiche ) dei minerali e dei manufatti mineralizzati . Studi specifici nell'ambito della mineralogia includono i processi di origine e formazione dei minerali, la classificazione dei minerali, la loro distribuzione geografica e il loro utilizzo.

Storia

Pagina dal Trattato di mineralogia di Friedrich Mohs (1825)
Il Moon Mineralogy Mapper , uno spettrometro che ha mappato la superficie lunare

I primi scritti sulla mineralogia, in particolare sulle pietre preziose , provengono dall'antica Babilonia , dall'antico mondo greco-romano , dalla Cina antica e medievale e dai testi sanscriti dell'antica India e dell'antico mondo islamico. I libri sull'argomento includevano la Naturalis Historia di Plinio il Vecchio , che non solo descriveva molti minerali diversi, ma spiegava anche molte delle loro proprietà, e Kitab al Jawahir (Libro delle pietre preziose) dello scienziato persiano Al-Biruni . Lo specialista del Rinascimento tedesco Georgius Agricola scrisse opere come De re metallica ( Sui metalli , 1556) e De Natura Fossilium ( Sulla natura delle rocce , 1546) che diedero inizio all'approccio scientifico all'argomento. Studi scientifici sistematici su minerali e rocce sviluppati nell'Europa post- rinascimentale . Lo studio moderno della mineralogia si fonda sui principi della cristallografia (le origini della cristallografia geometrica, di per sé, sono riconducibili alla mineralogia praticata nei secoli XVIII e XIX) e sullo studio microscopico delle sezioni rocciose con l'invenzione del microscopio nel XVII secolo.

Nicholas Steno osservò per la prima volta la legge di costanza degli angoli interfacciali (nota anche come la prima legge della cristallografia) nei cristalli di quarzo nel 1669. Questa fu poi generalizzata e stabilita sperimentalmente da Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee nel 1783. René Just Haüy , il "padre della moderna cristallografia", mostrò che i cristalli sono periodici e stabilì che gli orientamenti delle facce dei cristalli possono essere espressi in termini di numeri razionali, come successivamente codificato negli indici di Miller. Nel 1814, Jöns Jacob Berzelius introdusse una classificazione dei minerali basata sulla loro chimica piuttosto che sulla loro struttura cristallina. William Nicol sviluppò il prisma di Nicol , che polarizza la luce, nel 1827-1828 mentre studiava il legno fossilizzato; Henry Clifton Sorby dimostrò che sezioni sottili di minerali potevano essere identificate dalle loro proprietà ottiche usando un microscopio polarizzatore . James D. Dana pubblicò la sua prima edizione di A System of Mineralogy nel 1837 e in un'edizione successiva introdusse una classificazione chimica che è ancora lo standard. La diffrazione dei raggi X è stata dimostrata da Max von Laue nel 1912 e sviluppata in uno strumento per analizzare la struttura cristallina dei minerali dal team padre/figlio di William Henry Bragg e William Lawrence Bragg .

Più recentemente, spinta dai progressi nella tecnica sperimentale (come la diffrazione di neutroni ) e dalla potenza di calcolo disponibile, quest'ultima delle quali ha consentito simulazioni su scala atomica estremamente accurate del comportamento dei cristalli, la scienza si è ramificata per considerare problemi più generali nel campi della chimica inorganica e della fisica dello stato solido . Tuttavia, mantiene un focus sulle strutture cristalline che si incontrano comunemente nei minerali che formano le rocce (come le perovskiti , i minerali argillosi e i silicati strutturali ). In particolare, il settore ha compiuto grandi progressi nella comprensione della relazione tra la struttura su scala atomica dei minerali e la loro funzione; in natura, esempi importanti sarebbero la misurazione accurata e la previsione delle proprietà elastiche dei minerali, che ha portato a nuove informazioni sul comportamento sismologico delle rocce e sulle discontinuità legate alla profondità nei sismogrammi del mantello terrestre . A tal fine, nella loro attenzione alla connessione tra fenomeni su scala atomica e proprietà macroscopiche, le scienze minerali (come sono ora comunemente conosciute) mostrano forse più di una sovrapposizione con la scienza dei materiali rispetto a qualsiasi altra disciplina.

Proprietà fisiche

Calcite è un minerale carbonato (CaCO 3 ) con una romboedrica struttura cristallina.
L'aragonite è un polimorfo ortorombica della calcite.

Un primo passo nell'identificazione di un minerale consiste nell'esaminare le sue proprietà fisiche, molte delle quali possono essere misurate su un campione manuale. Questi possono essere classificati in densità (spesso data come peso specifico ); misure di coesione meccanica ( durezza , tenacia , sfaldatura , frattura , troncatura ); proprietà visive macroscopiche ( lucentezza , colore, striatura , luminescenza , diafanità ); proprietà magnetiche ed elettriche; radioattività e solubilità in acido cloridrico ( HCl).

La durezza è determinata dal confronto con altri minerali. Nella scala di Mohs , un insieme standard di minerali è numerato in ordine di durezza crescente da 1 (talco) a 10 (diamante). Un minerale più duro graffierà uno più morbido, quindi un minerale sconosciuto può essere inserito in questa scala, in base a quali minerali; graffia e che graffiano. Alcuni minerali come calcite e cianite hanno una durezza che dipende in modo significativo dalla direzione. La durezza può essere misurata anche su scala assoluta mediante uno sclerometro ; rispetto alla scala assoluta, la scala di Mohs è non lineare.

La tenacia si riferisce al modo in cui si comporta un minerale, quando viene rotto, schiacciato, piegato o strappato. Un minerale può essere fragile , malleabile , sectile , duttile , flessibile o elastico . Un'importante influenza sulla tenacia è il tipo di legame chimico ( es. ionico o metallico ).

Delle altre misure di coesione meccanica, la scissione è la tendenza a rompersi lungo certi piani cristallografici. È descritto dalla qualità ( ad es . perfetto o discreto) e dall'orientamento del piano nella nomenclatura cristallografica.

La separazione è la tendenza a spezzarsi lungo piani di debolezza a causa di pressioni, gemellaggi o essoluzione . Laddove questi due tipi di rottura non si verificano, la frattura è una forma meno ordinata che può essere concoide (con curve lisce che ricordano l'interno di una conchiglia), fibrosa , scheggiata , cremosa (frastagliata con bordi taglienti) o irregolare .

Se il minerale è ben cristallizzato, avrà anche un caratteristico abito cristallino (ad esempio esagonale, colonnare, botrioide ) che riflette la struttura cristallina o la disposizione interna degli atomi. È anche affetto da difetti dei cristalli e gemellaggi . Molti cristalli sono polimorfi , avendo più di una possibile struttura cristallina a seconda di fattori quali pressione e temperatura.

Struttura di cristallo

La struttura cristallina della perovskite . Il minerale più abbondante sulla Terra, la bridgmanite , ha questa struttura. La sua formula chimica è (Mg,Fe)SiO 3 ; le sfere rosse sono ossigeno, le sfere blu silicio e le sfere verdi magnesio o ferro.

La struttura cristallina è la disposizione degli atomi in un cristallo. È rappresentato da un reticolo di punti che ripete uno schema di base, chiamato cella unitaria , in tre dimensioni. Il reticolo può essere caratterizzato dalle sue simmetrie e dalle dimensioni della cella elementare. Queste dimensioni sono rappresentate da tre indici di Miller . Il reticolo rimane invariato mediante determinate operazioni di simmetria su un dato punto del reticolo: riflessione , rotazione , inversione e inversione rotatoria , una combinazione di rotazione e riflessione. Insieme, formano un oggetto matematico chiamato gruppo di punti cristallografici o classe di cristalli . Ci sono 32 possibili classi di cristalli. Inoltre, ci sono operazioni che spostano tutti i punti: traslazione , asse vite e piano di scorrimento . In combinazione con le simmetrie puntiformi, formano 230 possibili gruppi spaziali .

La maggior parte dei dipartimenti di geologia dispone di apparecchiature di diffrazione a raggi X su polvere per analizzare le strutture cristalline dei minerali. I raggi X hanno lunghezze d'onda dello stesso ordine di grandezza delle distanze tra gli atomi. La diffrazione , l'interferenza costruttiva e distruttiva tra onde sparse in atomi diversi, porta a schemi distintivi di alta e bassa intensità che dipendono dalla geometria del cristallo. In un campione macinato in polvere, i raggi X campionano una distribuzione casuale di tutti gli orientamenti dei cristalli. La diffrazione da polvere può distinguere tra minerali che possono apparire uguali in un campione di mano, ad esempio il quarzo e i suoi polimorfi tridimite e cristobalite .

I minerali isomorfi di diverse composizioni hanno modelli di diffrazione della polvere simili, la differenza principale è nella spaziatura e nell'intensità delle linee. Ad esempio, il NaCl( halite ) la struttura cristallina è il gruppo spaziale Fm3m ; questa struttura è condivisa da sylvite ( KCl), periclasio ( Mgoh), bunsenite ( Nioh), galena ( PbS), alabandite ( MnS), clorargirite ( AgCl), e osbornite ( Tin).

Elementi chimici

Macchina portatile per fluorescenza a raggi X

Alcuni minerali sono elementi chimici , inclusi zolfo , rame , argento e oro , ma la stragrande maggioranza sono composti . Il metodo classico per identificare la composizione è l'analisi chimica umida , che comporta la dissoluzione di un minerale in un acido come l'acido cloridrico ( HCl). Gli elementi in soluzione vengono quindi identificati mediante colorimetria , analisi volumetrica o analisi gravimetrica .

Dal 1960, la maggior parte delle analisi chimiche viene eseguita utilizzando strumenti. Uno di questi, la spettroscopia ad assorbimento atomico , è simile alla chimica umida in quanto il campione deve essere ancora sciolto, ma è molto più veloce ed economico. La soluzione viene vaporizzata e il suo spettro di assorbimento viene misurato nel campo del visibile e dell'ultravioletto. Altre tecniche sono la fluorescenza a raggi X , l' analisi con microsonda elettronica , la tomografia con sonda atomica e la spettrografia a emissione ottica .

Ottico

Microfotografia di olivina accumulata dal komatiite Archeano di Agnew, Australia occidentale .

Oltre alle proprietà macroscopiche come il colore o la lucentezza, i minerali hanno proprietà che richiedono l'osservazione di un microscopio polarizzatore.

Luce trasmessa

Quando la luce passa dall'aria o dal vuoto in un cristallo trasparente, parte di essa viene riflessa in superficie e parte rifratta . Quest'ultimo è una flessione del percorso della luce che si verifica perché la velocità della luce cambia mentre entra nel cristallo; La legge di Snell mette in relazione l' angolo di piegatura con l' indice di rifrazione , il rapporto tra la velocità nel vuoto e la velocità nel cristallo. I cristalli il cui gruppo di simmetria puntiforme cade nel sistema cubico sono isotropi : l'indice non dipende dalla direzione. Tutti gli altri cristalli sono anisotropi : la luce che li attraversa viene scomposta in due raggi polarizzati piani che viaggiano a velocità diverse e si rifrangono ad angoli diversi.

Un microscopio polarizzatore è simile a un normale microscopio, ma ha due filtri polarizzati piani, un ( polarizzatore ) sotto il campione e un analizzatore sopra di esso, polarizzati perpendicolarmente l'uno all'altro. La luce passa successivamente attraverso il polarizzatore, il campione e l'analizzatore. Se non è presente alcun campione, l'analizzatore blocca tutta la luce proveniente dal polarizzatore. Tuttavia, un campione anisotropo generalmente cambierà la polarizzazione in modo che parte della luce possa passare attraverso. Sezioni sottili e polveri possono essere utilizzate come campioni.

Quando si osserva un cristallo isotropo, appare scuro perché non cambia la polarizzazione della luce. Tuttavia, quando viene immerso in un liquido calibrato con un indice di rifrazione inferiore e il microscopio viene messo a fuoco, attorno al perimetro del cristallo appare una linea luminosa chiamata linea di Becke . Osservando la presenza o l'assenza di tali righe in liquidi con indici diversi, si può stimare l'indice del cristallo, solitamente entro ± 0,003 .

Sistematico

Hanksite , Na 22 K(SO 4 ) 9 (CO 3 ) 2 Cl, uno dei pochi minerali che è considerato un carbonato e un solfato

La mineralogia sistematica è l'identificazione e la classificazione dei minerali in base alle loro proprietà. Storicamente, la mineralogia era fortemente interessata alla tassonomia dei minerali che formano le rocce. Nel 1959, l' International Mineralogical Association formò la Commission of New Minerals and Mineral Names per razionalizzare la nomenclatura e regolamentare l'introduzione di nuovi nomi. Nel luglio 2006, è stata fusa con la Commissione sulla classificazione dei minerali per formare la Commissione sui nuovi minerali, la nomenclatura e la classificazione. Ci sono oltre 6.000 minerali con e senza nome e circa 100 vengono scoperti ogni anno. Il Manuale di Mineralogia classifica i minerali nelle seguenti classi: elementi nativi , solfuri , solfosali , ossidi e idrossidi , alogenuri , carbonati, nitrati e borati , solfati, cromati, molibdati e tungstati , fosfati, arsenati e vanati e silicati .

Ambienti di formazione

Gli ambienti di formazione e crescita dei minerali sono molto vari, e vanno dalla lenta cristallizzazione alle alte temperature e pressioni dei fusi ignei in profondità all'interno della crosta terrestre alla precipitazione a bassa temperatura da una salamoia salina sulla superficie terrestre.

Vari possibili metodi di formazione includono:

Biomineralogia

La biomineralogia è un campo trasversale tra mineralogia, paleontologia e biologia . È lo studio di come piante e animali stabilizzano i minerali sotto controllo biologico e il sequenziamento della sostituzione dei minerali di quei minerali dopo la deposizione. Utilizza tecniche di mineralogia chimica, in particolare studi isotopici, per determinare cose come forme di crescita in piante e animali viventi, nonché cose come il contenuto minerale originale dei fossili.

Un nuovo approccio alla mineralogia chiamato evoluzione minerale esplora la coevoluzione della geosfera e della biosfera, compreso il ruolo dei minerali nell'origine della vita e dei processi come sintesi organica catalizzata da minerali e l'adsorbimento selettivo di molecole organiche su superfici minerali.

Ecologia minerale

Nel 2011, diversi ricercatori hanno iniziato a sviluppare un database sull'evoluzione minerale. Questo database integra la folla di origine sito Mindat.org , che ha più di 690.000 coppie di minerale di località, con l'elenco ufficiale IMA di minerali approvati e dati età da pubblicazioni geologiche.

Questo database consente di applicare statistiche per rispondere a nuove domande, un approccio che è stato chiamato ecologia minerale . Una di queste domande è quanto l'evoluzione dei minerali sia deterministica e quanto sia il risultato del caso . Alcuni fattori sono deterministici, come la natura chimica di un minerale e le condizioni per la sua stabilità ; ma la mineralogia può anche essere influenzata dai processi che determinano la composizione di un pianeta. In un articolo del 2015, Robert Hazen e altri hanno analizzato il numero di minerali che coinvolgono ciascun elemento in funzione della sua abbondanza. Hanno scoperto che la Terra, con oltre 4800 minerali conosciuti e 72 elementi, ha una relazione di legge di potere . La Luna, con solo 63 minerali e 24 elementi (basato su un campione molto più piccolo) ha essenzialmente la stessa relazione. Ciò implica che, data la composizione chimica del pianeta, si potrebbero prevedere i minerali più comuni. Tuttavia, la distribuzione ha una lunga coda , con il 34% dei minerali trovati solo in una o due località. Il modello prevede che altre migliaia di specie minerali potrebbero attendere la scoperta o si sono formate e poi sono andate perdute a causa dell'erosione, della sepoltura o di altri processi. Ciò implica un ruolo del caso nella formazione di minerali rari che si verificano.

In un altro uso dei grandi set di dati, la teoria delle reti è stata applicata a un set di dati di minerali di carbonio, rivelando nuovi modelli nella loro diversità e distribuzione. L'analisi può mostrare quali minerali tendono a coesistere e quali condizioni (geologiche, fisiche, chimiche e biologiche) sono ad essi associate. Queste informazioni possono essere utilizzate per prevedere dove cercare nuovi giacimenti e persino nuove specie minerali.

Una cartella colori di alcune forme grezze di metalli di valore commerciale.

Usi

I minerali sono essenziali per varie esigenze all'interno della società umana, come i minerali utilizzati come minerali per componenti essenziali di prodotti metallici utilizzati in vari prodotti e macchinari , componenti essenziali per materiali da costruzione come calcare , marmo , granito , ghiaia , vetro , gesso , cemento , ecc. I minerali sono anche usati nei fertilizzanti per arricchire la crescita delle colture agricole .

Una piccola raccolta di campioni di minerali, con custodie

raccolta

La raccolta di minerali è anche un hobby ricreativo di studio e raccolta , con club e società che rappresentano il settore. Musei, come lo Smithsonian National Museum of Natural History Hall of Geology, Gems and Minerals , il Natural History Museum of Los Angeles County , il Natural History Museum di Londra e il privato Mim Mineral Museum di Beirut , in Libano , hanno collezioni popolari di campioni minerali in esposizione permanente.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

Ulteriori letture

  • Gribble, CD; Hall, AJ (1993). Mineralogia ottica: principi e pratica . Londra: CRC Press. ISBN 9780203498705.
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