Exercicis: El mineral: concepte i classificació

Enumera les condicions que ha de complir un sòlid per ser considerat mineral i aplica aquest criteri per decidir si ho són el gel d'una glacera i l'ambre fòssil.

Quina diferència hi ha entre mineral i roca? Posa un exemple de roca formada per un sol mineral i un altre de roca formada per diversos minerals diferents.

Els silicats són el grup de minerals més abundant de l'escorça terrestre. Observa l'esquema: a l'esquerra apareix la seva unitat bàsica i, a la dreta, dues unitats enllaçades. Explica què és el tetraedre de $\text{SiO}_4^{4-}$, què representa cada esfera i per què la capacitat dels tetraedres de compartir oxígens dona lloc a tants silicats diferents.

Què és l'estructura cristal·lina d'un mineral i com es manifesta a l'exterior en l'hàbit o forma dels seus cristalls?

Distingeix entre un cristall aïllat i un agregat o massa cristal·lina. Per què moltes mostres de quars no mostren cares perfectes?

La mica, el feldspat, l'amfíbol, el piroxè, l'olivina i el quars són tots silicats. Indica què tenen en comú i anomena almenys dos subgrups de silicats segons la disposició dels seus tetràedres.

Quina diferència hi ha entre els minerals essencials i els minerals accessoris d'una roca? Posa un exemple de cadascun en un granit.

Anomena un mineral representatiu de cadascun d'aquests grups químics: carbonats, sulfats, sulfurs, òxids i halurs.

Classifica els minerals següents segons el seu grup químic i indica l'anió característic de cada grup: quars ($\text{SiO}_2$), calcita ($\text{CaCO}_3$), pirita ($\text{FeS}_2$) i guix ($\text{CaSO}_4 \cdot 2\ \text{H}_2\text{O}$).

El grafit i el diamant estan formats exclusivament per carboni i, tanmateix, les seves propietats són oposades. Explica, a partir de l'estructura cristal·lina, com és possible (polimorfisme).

Què és una sèrie isomorfa? Explica, amb la substitució d'ions a la xarxa cristal·lina, per què l'olivina pot variar la seva composició entre la forsterita ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4$) i la faialita ($\text{Fe}_2\text{SiO}_4$).

Les miques s'exfolien en làmines finíssimes. Relaciona aquesta propietat amb la seva estructura de fil·losilicats, en la qual els tetràedres formen plans, i explica per què es desfullen amb l'ungla.

Els piroxens i els amfíbols són inosilicats de cadenes simples i dobles, respectivament. Explica com aquesta diferència estructural es tradueix en angles d'exfoliació diferents ($90°$ enfront de $60°$ i $120°$).

El quars, un tectosilicat, no té exfoliació i es trenca amb fractura concoïdal. Explica per què la seva xarxa tridimensional de tetràedres el fa tan resistent i compara'l amb la calcita.

El color de l'olivina varia del verd pàl·lid al marró fosc segons el seu contingut en ferro. Relaciona aquesta variació amb l'isomorfisme de la sèrie forsterita-faialita i explica per què el color no és un criteri diagnòstic absolut.

El granat, l'estaurolita i l'andalusita són minerals típics de les roques metamòrfiques. Explica per què s'anomenen «minerals índex» i quina informació aporta la seva presència en un esquist.

Durant una anàlisi amb microsonda electrònica en un cristall zonat de plagioclasa pertanyent a una andesita, obtens les següents dades catiòniques entre el nucli i la vora: al nucli, la relació molar $\text{Ca}/(\text{Ca}+\text{Na}) = 0,72$; a la vora més externa, aquesta relació descendeix fins a $0,28$.

1. a) Justifica quin mecanisme de substitució iònica acoblada ha tingut lloc a mesura que creixia el cristall i explica per què resultaria electrostàticament inviable substituir únicament $\text{Ca}^{2+}$ per $\text{Na}^+$ sense modificar la proporció de $\text{Si}^{4+}$ i $\text{Al}^{3+}$ a la xarxa tetraèdrica.
2. b) Un company sosté que la relació atòmica $\text{Si}/\text{Al}$ ha de ser més gran al nucli que a la vora del cristall. Demostra per què la seva afirmació és errònia a partir de les fórmules estequiomètriques de l'anortita ($\text{CaAl}_2\text{Si}_2\text{O}_8$) i l'albita ($\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$), i dedueix quina tendència tèrmica va experimentar la cambra magmàtica durant la cristal·lització.

En un laboratori de petrologia s'analitzen dues mostres de roca riques en sílice ($\text{SiO}_2$):

• Mostra A: Procedeix d'una cavitat en una colada riolítica emesa a més de $950\text{ }^\circ\text{C}$; conté microcristalls de tridimita i cristobalita que coexisteixen a temperatura ambient.

• Mostra B: Procedeix d'una gres quarsítica sotmesa a metamorfisme d'ultraalta pressió en una zona de subducció profunda; conté coesita parcialment englobada en granats.

1. a) A partir del concepte de polimorfisme i dels camps d'estabilitat en el diagrama de fases de la sílice, justifica per què minerals amb idèntica fórmula química aporten informació geodinàmica tan diferent sobre la pressió ($P$) i la temperatura ($T$) a les quals es van formar.
2. b) Raona per què fases d'alta temperatura o alta pressió com la cristobalita i la coesita poden persistir a temperatura i pressió ambient sense transformar-se immediatament en quars $\alpha$, que és la fase termodinàmicament estable en superfície. Quin factor cinètic intervé en aquesta persistència metaestable?

En una pràctica de camp en un aflorament basàltic reculls una roca màfica amb abundants fenocristalls idiomorfs de color verd oliva, lluentor vítria i fractura concoidal (sense exfoliació observable), que ratllen el vidre comú (duresa al voltant de $6,5-7$). Una companya planteja la hipòtesi que es tracta d'una varietat de quars verd (prasi) o bé de piroxè verd.

1. a) Dissenya una argumentació petrològica i cristal·loquímica per descartar completament la presència de quars primari en equilibri amb aquesta roca màfica, basant-te en la saturació en sílice i en la reacció que relaciona l'olivina amb el quars ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4 + \text{SiO}_2 \rightleftharpoons 2\text{MgSiO}_3$).
2. b) Justifica quina propietat física diagnòstica permet discriminar inequívocament si aquests cristalls verds corresponen a olivina (nesosilicat) o a un clinopiroxè (inosilicat), explicant com reflecteix aquesta propietat l'arquitectura interna dels seus tetràedres de silici.

La fórmula general dels granats és $X_3Y_2(\text{SiO}_4)_3$. Es distingeixen dues sèries principals de solució sòlida:

• Piralpites ($Y = \text{Al}^{3+}$; $X = \text{Mg}^{2+}, \text{Fe}^{2+}, \text{Mn}^{2+}$).

• Ugrandites ($X = \text{Ca}^{2+}$; $Y = \text{Al}^{3+}, \text{Fe}^{3+}, \text{Cr}^{3+}$).

Disposes dels radis iònics següents en coordinació VIII: $\text{Mg}^{2+} = 0,89\text{ Å}$; $\text{Fe}^{2+} = 0,92\text{ Å}$; $\text{Mn}^{2+} = 0,96\text{ Å}$; $\text{Ca}^{2+} = 1,12\text{ Å}$.

1. a) Aplica les regles cristal·loquímiques de substitució isomòrfica (diferència percentual de radi iònic i càrrega) per justificar per què hi ha solució sòlida completa entre pirop ($\text{Mg}$), almandina ($\text{Fe}$) i espessartina ($\text{Mn}$), mentre que entre aquests i la grossulària ($\text{Ca}$) hi ha una marcada llacuna d'immiscibilitat a temperatures moderades.
2. b) En una metapel·lita s'analitza un cristall de granat amb zonació concèntrica: el nucli presenta un $22\,\%$ molar d'espessartina ($\text{Mn}$) i un $4\,\%$ de pirop ($\text{Mg}$), mentre que la vora mostra un $2\,\%$ d'espessartina i un $26\,\%$ de pirop. Sabent que el $\text{Mn}$ entra preferentment a baixa temperatura i el $\text{Mg}$ requereix temperatures elevades, dedueix l'evolució tèrmica soferta per la roca durant el creixement del cristall i justifica per què el granat és idoni per registrar aquesta història metamòrfica.

En un sondeig en sediments marins del Cretaci s'extreuen fòssils d'ammonits les closques originals dels quals eren d'aragonita (densitat $2,93\text{ g/cm}^3$, sistema ortoròmbic). L'anàlisi petrogràfica revela que la morfologia externa i les línies de sutura estan perfectament conservades, però la massa mineral està constituïda íntegrament per un mosaic de calcita espàtica (densitat $2,71\text{ g/cm}^3$, sistema trigonal).

1. a) Interpreta el procés mineralògic que ha tingut lloc (pseudomorfosi per inversió polimòrfica) i justifica, a partir de la relació entre densitat, volum molar i pressió, per què l'aragonita és la fase estable a altes pressions mentre que en condicions superficials és metaestable i tendeix a transformar-se en calcita.
2. b) Si en una roca metamòrfica de la fàcies d'esquistos blaus trobes aragonita primària preservada sense transformar en calcita, dedueix quin tipus de trajectòria d'exhumació (refredament ràpid vs. descompressió lenta o descompressió isotèrmica calenta) va haver d'experimentar la roca per evitar que l'aragonita revertís a calcita durant el seu ascens a la superfície.

Al laboratori s'analitzen tres minerals silicatats desconeguts (M1, M2 i M3). S'obtenen els resultats següents:

• M1: Relació catiònica $\text{Si}:\text{O} = 1:4$; no presenta plans d'exfoliació (mostra fractura concoidal); densitat alta ($3,3\text{ g/cm}^3$).

• M2: Relació catiònica $\text{Si}:\text{O} = 2:5$; exfoliació perfecta i fàcil en làmines primes i flexibles; densitat mitjana ($2,8\text{ g/cm}^3$).

• M3: Relació catiònica $\text{Si}:\text{O} = 1:2$; no presenta exfoliació; duresa 7 a l'escala de Mohs i densitat baixa ($2,65\text{ g/cm}^3$).

1. a) Dedueix raonadament a quin subgrup estructural de silicats pertany cada mineral en funció del nombre d'oxígens compartits per cada tetraedre $[\text{SiO}_4]^{4-}$, i proposa un exemple mineral representatiu per a cadascun.
2. b) Justifica per què la presència d'enllaços químics anisòtrops (forts en dues direccions i molt febles en la tercera) explica l'exfoliació laminar de M2, mentre que la disposició tridimensional isòtropa de M3 impedeix la formació de plans preferents de trencament.

S'estudia la fracció sorrenca de dues conques sedimentàries diferents originades per l'erosió d'un mateix batòlit granític compost per quars, feldespat potàssic, plagiòclasi i biotita:

• Conca 1: La sorra conté un $50\,\%$ de quars angulós, un $35\,\%$ de plagiòclasi i feldespat potàssic poc alterats i un $15\,\%$ de biotita fresca.

• Conca 2: La sorra conté un $97\,\%$ de quars ben arrodonit i tot just un $3\,\%$ de feldespat potàssic residual, sense presència detectable de plagiòclasi ni biotita.

1. a) Justifica la desaparició diferencial dels minerals a la Conca 2 aplicant la sèrie de Goldich i relaciona-la amb les condicions termodinàmiques de cristal·lització a la sèrie de Bowen: per què els minerals formats a major temperatura en el magma són els més vulnerables a l'alteració meteòrica superficial?
2. b) Dedueix les condicions ambientals de cada conca (clima àrid/fred enfront d'humit/càlid, relleu i longitud del transport sedimentari) a partir del concepte de maduresa mineralògica i textural.

En una aurèola de metamorfisme de contacte sobre pissarres pel·lítiques, l'estudi petrogràfic mostra que en aproximar-se al plutó igni la muscovita desapareix progressivament en reaccionar amb el quars segons la reacció:

En aquesta mateixa zona de l'aurèola, la biotita ($\text{K}(\text{Mg},\text{Fe})_3(\text{AlSi}_3\text{O}_{10})(\text{OH})_2$) roman estable en equilibri amb el quars.

1. a) Explica a escala cristal·loquímica per què la biotita presenta una coloració fosca i un marcat pleocroisme al microscopi petrogràfic, mentre que la muscovita és incolora/clara, indicant en quines posicions octaèdriques de la làmina se situen els cations responsables d'aquesta diferència.
2. b) Un alumne argumenta que, com que ambdues són miques fil·losilicatades amb la mateixa relació $\text{Si}:\text{O}$, s'haurien de descompondre a la mateixa temperatura. Rebat la seva postura justificant la diferència d'estabilitat tèrmica a partir de la distinció entre miques dioctaèdriques (muscovita) i trioctaèdriques (biotita), i interpreta quin canvi de fase d'al·luminosilicat ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$) esperaries trobar en aquest context de baixa pressió.