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Conceito Apostila Geologia

  1. 1. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 1 Alfonso Schrank MINERAIS: CONCEITO, CLASSIFICAÇÃO, ABUNDÂNCIA E AMBIENTES DE FORMAÇÃO. 1. O conceito de mineral Com base no raio iônico dos elementos mais abundantes, como a crosta terrestre pode ser visualizada quimicamente? O O2- compreende mais de 90% do volume total ocupado pelos íons dos elementos na crosta, pois apresenta um raio iônico maior, comparado com os outros íons dos elementos mais comuns. Dessa forma, a crosta terrestre pode ser visualizada como um empacotamento de ânions O2-, com os cátions presentes nos interstícios, formando particularmente compostos de O2- e Si4+, denominados de silicatos. Silicatos, juntamente com óxidos, sulfetos, sulfatos, carbonatos, etc., ocorrem sob a forma de sólidos denominados de minerais. Minerais são definidos como: 1. Sólidos de ocorrência natural e resultado de processos inorgânicos. Um mineral que se forma apenas através de síntese artificial não é um mineral por definição. O termo inorgânico serve apenas para excluir hidrocarbonetos e outras moléculas onde o carbono é o constituinte principal. Note que apatita [Ca5(PO4)3(OH)], calcita, grafita, e pirita (FeS2) são minerais que podem ter sido precipitados a partir de processos biogênicos. A flúor- apatita [Ca5(PO4)3(OH,F)], por exemplo, é o principal constituinte dos dentes e ossos do corpo humano. Conchas marinhas também são constituídas por minerais embora a aragonita (CaCO3) seja formada por processos biogênicos, como o nosso esqueleto. 2. Caracterizados por uma fase homogênea, ou seja, não podem ser separadas por meios mecânicos em duas ou mais substâncias com propriedades físicas ou químicas distintas. 3. Com estrutura interna caracterizada por um arranjo atômico que se repete de forma organizada tridimensionalmente, ou seja, apresentam estrutura cristalina (Fig. 1). Cristal é
  2. 2. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 2 Alfonso Schrank qualquer substância mineral limitada por faces planas que refletem esse arranjo atômico ordenado da sua estrutura interna. O conceito de estrutura cristalina foi consolidado em bases experimentais em 1912, com a técnica da difração de raios-X, que passou a ser um método clássico de identificação mineral. Figura 1. Estrutura cristalina da halita mostrando o arranjo ordenado dos íons de Na+ e Cl-. 4. Sólidos de composição química definida, significando que o mineral pode ser expresso por uma fórmula química (e.g. calcita CaCO3; quartzo SiO2). No entanto, em uma mesma família de minerais esta composição pode variar dentro de certos limites através de substituições iônicas na estrutura cristalina: magnésio pode substituir o cálcio na estrutura da calcita e a fórmula do mineral será expressa por (Ca,Mg)CO3. Minerais do grupo das olivinas podem variar de Fe2SiO4 (faialita) a Mg2SiO4 (forsterita) e a fórmula será (Fe,Mg)2SiO4. O Mg e o Fe substituem-se livremente na estrutura cristalina deste silicato, mas não podem substituir o Si e o O. Desta forma, o Fe/Mg, Si e O sempre manterão as razões estequiométricas de 2, 1, 4 exigidas na estrutura cristalina deste mineral. As razões pelas quais estas substituições são possíveis serão abordadas mais à frente. Vidros, líquidos e gases não apresentam estruturas cristalinas e os seus elementos constituintes ocorrem aleatoriamente distribuídos na estrutura amorfa e em qualquer razão, logo, estas substâncias não são minerais. Qualquer sólido que ocorra naturalmente e que não possua arranjo sistemático dos átomos (estrutura cristalina), ou seja, substâncias amorfas tais como, âmbar e opala, são denominadas de mineralóide. O mercúrio (Hg) é o único mineral a ocorrer em forma líquida sob temperatura ambiente na Terra. O petróleo e o carvão, comumente referidos como minerais energéticos, são excluídos da definição, pois não apresentam composição química definida ou estrutura atômica ordenada.
  3. 3. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 3 Alfonso Schrank No entanto, camadas de carvão podem, sob condições de altas temperaturas durante o metamorfismo, sofrer intensa devolatilização e formar a grafita, um mineral. Em resumo, um sólido de ocorrência natural para ser considerado um mineral deve apresentar composição e estrutura cristalina únicas. 2. Classificação e abundância dos minerais da crosta terrestre Figura 2. Abundância relativa, em % volumétrica, dos principais minerais na crosta da Terra (Klein & Hurlbut, 1993). Argilas Olivina 5% 3% Micas 5% Anfibólios 5% Óxidos, Sulfetos, Sulfatos e Carbonatos 8% Feldspatos 51% Piroxênios 11% Quartzo 12% A Importância dos minerais na nossa sociedade será enfatizada durante o curso, destacando-se, particularmente, os silicatos que formam 90% da crosta terrestre (Fig. 2).
  4. 4. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 4 Alfonso Schrank Os minerais podem ser divididos em classes com base na composição química, particularmente no ânion ou grupo aniônico dominante. De forma simplificada dividiremos os minerais em não silicatos e silicatos. NÃO SILICATOS Elementos Nativos Aproximadamente 20 elementos são encontrados no seu estado nativo. Au, Ag, Cu e Pt; As e Bi (raros); enxofre, diamante e grafita. Sulfetos Inclui uma grande parte de minerais de minério. XmSn, onde X= elemento metálico. Pirita (FeS2); calcopirita (CuFeS2); bornita (Cu2S); covelita (CuS); galena (PbS); esfalerita (ZnS); molibdenita (MoS2). Metais ou semi-metais tomam o lugar do enxofre na estrutura. Enargita (Cu3AsS4); tetraedrita (Cu12Sb4S13); sulfo-sais arsenopirita (FeAsS). Existem cerca de 100 sulfo-sais, mas apenas alguns são importantes. Contêm os elementos halogênios F, Cl, Br, and I como ânions dominantes. Combinam-se geralmente com Haletos cátions de elementos alcalinos e alcalinos terrosos (Na, K, and Ca). Halita (NaCl) (sal de cozinha) and fluorita (CaF2). X2O: cuprita – Cu2O. X2O3: Grupo da hematita → coríndon (Al2O3); hematita (Fe2O3); ilmenita (FeTiO3). Óxidos XO2: Grupo do rutilo → rutilo (TiO2); pirolusita (MnO2); cassiterita (SnO2); uraninita (UO2). XY2O4: Grupo do espinélio → espinélio (MgAl2O4); magnetita (Fe3O4); cromita (FeCr2O4). Estes minerais contêm OH- como o ânion dominante. Hidróxidos Brucita [Mg(OH)2]; Gibbisita [Al(OH)3]; bauxita (hidróxido de Al e Fe hidratado).
  5. 5. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 5 Alfonso Schrank Apresentam CO32- como o ânion dominante. Grupo da Carbonatos calcita → calcita (CaCO3); magnesita (MgCO3); siderita (FeCO3); rodocrosita (MnCO3); Grupo da aragonita → aragonita (CaCO3); cerussita (PbCO3); Grupo da dolomita → dolomita [CaMg(CO3)2]; ankerita [CaFe(CO3)2]; Carbonatos hidratados → malaquita [Cu2CO3(OH)2]; azurita [Cu3(CO3)2(OH)2. Lançar no diagrama FeO MgO CaO T a análise química 12,06 12,85 29,23 54,14 deste carbonato: Calcita x y z 100 FeO 12,6 % em peso CaCO3 x= (12,06/54,14)x 100=22,29 MnO 0,77 Y= 23,73 MgO 12,85 Z= 53,98 CaO 29,23 CO2 43,95 Tot. 100,07 53,98 Dolomita Ankerita CaMgCO3 CaFeCO3 MgCO3 22,29 23,73 FeCO3 Siderita Magnesita Figura 3. Possibilidades de solução sólida em minerais do grupo dos carbonatos (Klein & Hurlbut, 1993). Exercício: Lançar no diagrama: Feo: 0,22% MgO 21,12% CaO 31,27% CO2 47,22%.
  6. 6. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 6 Alfonso Schrank Contêm o SO42- como o ânion predominante. Barita Sulfatos (BaSO4); gipsita (CaSO4. 2H2O). Os fosfatos apresentam o grupo aniônico PO43- como o dominante. A apatita [Ca5(PO4)3(OH)], é o principal Fosfatos, fosfato. Compostos do tipo arsenatos AsO43-, vanadatos vanadatos, VO43- e wolframatos WO43- são estruturalmente e etc ... quimicamente similares. Wolframita ([(Fe,Mn)WO4; scheelita (CaWO4). SILICATOS Os silicatos podem ser sub-divididos de acordo com a estrutura cristalina e composição química e apenas alguns dos principais silicatos formadores de rocha encontram-se listados abaixo. Olivina faialita - FeSiO4; forsterita - MgSiO4 Ca2SiO4 Porcentagem molecular CaMgSiO4 CaFeSiO4 Monticelita Kirschenita Série completa MgSiO4 FeSiO4 Forsterita Faialita Figura 4. Composição da olivina com base no diagrama CaO-MgO-FeO-SiO2 (Klein & Hurlbut, 1993)
  7. 7. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 7 Alfonso Schrank Granada X3Y2(SiO4)3, X= Ca, Mg, Fe2+ ou Mn2+, Y= Al3+, Fe3+ e Cr3+ almandina - Fe3Al2Si3O12; espessartita – Mn3Al2Si3O12; Piropo – Mg3Al2Si3O12; grossulária – Ca3Al2Si3O12; andradita - Ca3Fe2Si3O12 Mg3Al2Si3O12 Piropo Porcentagem molecular Poucas Granadas Naturais Fe3Al2Si3O12 Mn3Al2Si3O12 Almandina Espessartita (Mg, Fe, Mn)3Al2Si3O12 Piralspita Poucas Granadas Naturais Ca3Al2Si3O12 Ca3Fe2Si3O12 Grossulária Andradita Figura 5. Composição das granadas e as possibilidades de solução sólida. (Klein & Hurlbut, 1993).
  8. 8. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 8 Alfonso Schrank Piroxênios XYZ2O6, onde X= Na+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Mg2+, e Li; Y= Mn2+, Fe2+, Mg2+, Fe+3, Al3+, Cr3+ e Ti4+; Z= Si4+ e Al+3 O Quadrilátero dos Piroxênios CaSiO3 Wollastonita Clinopiroxênios CaMgSi2O6 CaFeSi2O6 Diopsídio Augita Hedembergita Pigeonita Mg2Si2O6 Fe2Si2O6 Enstatita Ortopiroxênios Ferrosilita Figura 6. Composição dos piroxênios com base no diagrama CaSiO3 – MgSiO3 – FeSiO3 (Klein & Hurlbut, 1993).
  9. 9. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 9 Alfonso Schrank Anfibólios W0-1X2Y5Z8O22(OH,F)2, onde W= Na+, K+; X= Ca2+,Na+,Mn2+,Fe2+, Mg2+, e Li; Y= Mn2+, Fe2+, Al3+, Ti4+; Z= Si4+, Al3+ “Ca7Si8O22(OH)2” 50 Porcentagem Molecular 60 Ca2Mg5Si8O22(OH)2 70 Ca2Fe5Si8O22 Tremolita Ferroactinolita 8 90 Antofilita Cumingtonita-grunerita Grunerita Mg7Si8O22(OH)2 Fe7Si8O22(OH)2 Figura 7. Composição dos anfibólios em diagrama ternário (Klein & Hurlbut, 1993). Micas Muscovita - KAl2(AlSi3O10)(OH)2; biotita – K(Fe,Mg)3(AlSi3O10)(OH)2 Argilo-minerais Caolinita - Al2Si2O5(OH)4; talco - Mg3Si4O10(OH)2
  10. 10. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 10 Alfonso Schrank Feldspatos Albita – NaAlSi3O8; anortita – CaAl2Si3O8; Ortoclásio - KAlSi3O8 KAlSi3O8 Or Sanidina Porcentagem molecular Or-Ab-An Feldspatos Alcalinos Anortoclásio Ab 1 2 3 4 5 6 7 8 9 An NaAlSi3O8 Albita Oligoclásio Andesina Labradorita Bitownita Anortita CaAl2SiO8 Plágioclásios Figura 8. Composição dos feldspatos com base no diagrama Ortoclásio – Albita- Anortita (Klein & Hurlbut, 1993).
  11. 11. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 11 Alfonso Schrank Feldspatóide Nefelina – NaAlSiO4; leucita – KAlSi2O6 SiO2 Porcentagem Molecular KAlSi3O8 NaAlSi3O8 K-feldspato Albita KAlSi2O6 Leucita CaAlSi2O8 Anortita NaAlSiO4 KAlSiO2 Nefelina Kalsilita CaAl2O4 Figura 9. Composição dos feldspatóides, comparada com a dos feldspatos, no sistema SiO2 (quartzo) – NaAlSiO4 (nefelina) – KAlSiO4 – (CaAl2O4). (Klein & Hurlbut, 1993). Quartzo Quartzo – SiO2, tridimita e cristobalita; opala (SiO2.nH2O) 3. Substituição iônica na estrutura cristalina Grande parte dos minerais que pertencem a uma mesma classe mostram variações na sua composição química e, raramente, são substâncias puras. Estas variações na composição ocorrem em função da substituição iônica, ou seja, a possibilidade de um íon ou grupo iônico substituir outro na estrutura cristalina dos minerais. A substituição iônica na estrutura cristalina dos minerais é função dos seguintes fatores:
  12. 12. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 12 Alfonso Schrank 1. Tamanho dos íons. Se a diferença entre os raios iônicos de um ou mais íons for < 15% pode ocorrer substituição iônica total entre esses íons na estrutura cristalina dos minerais; se a diferença estiver entre >15% e <30%, a substituição iônica será restrita ou rara; se a diferença for >30% a substituição iônica será improvável (Tabela 1). A substituição iônica é do tipo simples: A+X- → B+X-, quando A+ pode ser parcial ou totalmente substituído por B+; não havendo mudança de valência. Exemplos: (1) Fe2+ = Mg+2 → Fe e Mg têm raios iônicos similares, 0,72 e 0,78 Å, respectivamente, e a mesma valência, podendo ocorrer substituição completa de um pelo outro na estrutura dos minerais i.e. grupo das olivinas - (Fe,Mg)2SiO4; (Mn,Fe)CO3 que forma a série MnCO3 (rodocrosita) e FeCO3 (siderita). Tabela 1. Substituições iônicas mais comuns (Frey, 1974). Íon Número de Raio Iônico (Å) Íon Número de Raio Iônico Coordenação Coordenação 2+ Mg VI 0,80 Fe VI 0,86 Al IV 0,47 Si IV 0,34 F VI 1,25 O VI 1,32 Ba IX 1,55 K IX 1,63 Ge IV 0,48 Si IV 0,34 Ga VI 0,70 Al VI 0,61 Hf VIII 0,91 Zr VIII 0,92 4+ 3+ Mn VI 0,62 Fe VI 0,73 2+ 2+ Mn VI 0,91 Fe VI 0,86 La-Lu VIII 1,26 – 1,05 Ca VIII 1,20 Na VIII 1,24 Ca VIII 1,20 2. A valência (carga) dos íons envolvidos na substituição. Se as cargas são idênticas, a estrutura cristalina permanecerá eletricamente neutra; se as cargas são diferentes deve ocorrer substituição iônica adicional na estrutura para que a neutralidade eletrostática seja mantida. Neste último caso a solução sólida ocorre por substituição acoplada (coupled substitution): A2+X2-, se B3+ substituir parte de A2+, a neutralidade eletrostática será mantida se a mesma quantidade de A2+ substituída for compensada por C+ → 2A2+ = 1 B3+ + 1 C+:
  13. 13. GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 13 Alfonso Schrank Exemplos incluem: Coríndon (Al2O3) e safira (Al,Fe,Ti)O3 ⇒ Ti4+ = 2Al3+ → Fe2+ + Ti4+ Plagioclásios da série albita (NaAlSi3O8) – anortita (CaAl2Si2O8) ⇒ Na+Si4+ = Ca2+Al3+ (para cada Ca2+ que substitui Na+ na estrutura do plagioclásio, um Si4+ é substituído por um Al3+, mantendo assim o balanço de cargas na estrutura cristalina do mineral. Minerais do grupo dos espinélios (Mg,Fe)(Al,Ti)204 ⇒ Mg2+Al3+ = Fe2+Ti4+ 3. Temperatura e pressão: sólidos tendem a expandir-se com o aumento da temperatura favorecendo a entrada de íons de grande raio iônico. De forma similar, os sólidos se contraem com o aumento da pressão favorecendo a substituição de íons de pequeno raio iônico. Outros tipos de substituição iônica que resultam em solução sólida incluem: 1. Substituição por omissão: A estrutura cristalina pode apresentar sítios atômicos vagos que podem ser parcial ou totalmente ocupados. Exemplo: anfibólio tremolita Ca2Mg5Si8O22 (OH)2, onde está normalmente vago na estrutura ⇒ + Si4+ ⇔ Na+ + Al3+. A substituição ocorre somente em uma posição na estrutura, permanecendo as outras vagas → K+ + K+ = Pb2+ + (O Pb2+ substitui dois íons K+, mas ocupa apenas uma posição na estrutura, deixando a outra vaga); o sulfeto de ferro pirrotita, devido à omissão periódica de Fe2+ na estrutura (imperfeição), tem formula expressa por Fe1-xS (x= 0,0 – 0,2), e não FeS. 2. Substituição intersticial: Entre átomos, íons ou grupos iônicos na estrutura cristalina existem interstícios que são considerados como vazios estruturais. Quando íons localizam-se nesses espaços estruturais ocorre a substituição intersticial. Esses vazios geralmente acomodam íons ou moléculas grandes, tais como K+, Rb+, Cs+, H2O e CO2 que podem acomodar-se, por exemplo, nos interstícios (cavidades tubulares) do berilo (Be3Al2Si6O18). 4. Referências Frye, K. (1974) Modern Mineralogy, Prentice-Hall, 325 p. Gill, R., 1989, Chemicals Fundamentals of Geology. Unwin Hyman, 292p. Klein Jr., C.; Hurlbut, S., 1993, Manual of Mineralogy. 21st ed., John Wiley & Sons.

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