Exercícios: O mineral: conceito e classificação

Enumera os critérios que um sólido deve cumprir para ser considerado mineral e aplica esses critérios para decidir se o gelo de um glaciar e o âmbar fóssil o são.

Qual é a diferença entre mineral e rocha? Dá um exemplo de uma rocha constituída por um único mineral e outro de uma rocha formada por vários minerais distintos.

Os silicatos são o grupo de minerais mais abundante da crosta terrestre. Observa o esquema: à esquerda surge a sua unidade básica e, à direita, duas unidades ligadas entre si. Explica o que é o tetraedro de $\text{SiO}_4^{4-}$, o que representa cada esfera e por que razão a capacidade dos tetraedros partilharem oxigénios dá origem a tantos silicatos diferentes.

O que é a estrutura cristalina de um mineral e como se manifesta no exterior no hábito ou na forma dos seus cristais?

Distingue entre um cristal isolado e um agregado ou massa cristalina. Porque é que muitas amostras de quartzo não apresentam faces perfeitas?

Mica, feldspato, anfíbola, piroxena, olivina e quartzo são todos silicatos. Indica o que têm em comum e refere pelo menos dois subgrupos de silicatos de acordo com a disposição dos seus tetraedros.

Que diferença existe entre os minerais essenciais e os minerais acessórios de uma rocha? Dá um exemplo de cada um num granito.

Indica um mineral representativo de cada um destes grupos químicos: carbonatos, sulfatos, sulfuretos, óxidos e halogenetos.

Classifica os seguintes minerais de acordo com o seu grupo químico e indica o anião característico de cada grupo: quartzo ($\text{SiO}_2$), calcite ($\text{CaCO}_3$), pirite ($\text{FeS}_2$) e gesso ($\text{CaSO}_4 \cdot 2\ \text{H}_2\text{O}$).

A grafite e o diamante são formados exclusivamente por carbono e, no entanto, as suas propriedades são opostas. Explica, a partir da estrutura cristalina, como é que isso é possível (polimorfismo).

O que é uma série isomórfica? Explica, com base na substituição de iões na rede cristalina, por que razão a olivina pode variar a sua composição entre forsterite ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4$) e faialite ($\text{Fe}_2\text{SiO}_4$).

As micas clivam em lâminas finíssimas. Relaciona essa propriedade com a sua estrutura de filossilicatos, na qual os tetraedros formam planos, e explica por que motivo se esfoliam com a unha.

As piroxenas e as anfíbolas são inossilicatos de cadeias simples e duplas, respetivamente. Explica como é que essa diferença estrutural se traduz em ângulos de clivagem distintos ($90°$ face a $60°$ e $120°$).

O quartzo, um tectossilicato, não apresenta clivagem e quebra com fratura concoidal. Explica por que razão a sua rede tridimensional de tetraedros o torna tão resistente e compara-o com a calcite.

A cor da olivina varia do verde-claro ao castanho-escuro de acordo com o seu teor de ferro. Relaciona essa variação com o isomorfismo da série forsterite-faialite e explica por que motivo a cor não é um critério de diagnóstico absoluto.

Granada, estaurolite e andaluzite são minerais típicos das rochas metamórficas. Explica por que razão são denominados «minerais-índice» e que informação fornece a sua presença num xisto.

Durante uma análise com microssonda eletrónica num cristal zonado de plagioclase pertencente a um andesito, obténs os seguintes dados catiónicos entre o núcleo e o bordo: no núcleo, a razão molar $\text{Ca}/(\text{Ca}+\text{Na}) = 0,72$; no bordo mais externo, essa razão desce até $0,28$.

1. a) Justifica que mecanismo de substituição iónica acoplada ocorreu à medida que o cristal crescia e explica por que razão seria eletrostaticamente inviável substituir unicamente $\text{Ca}^{2+}$ por $\text{Na}^+$ sem modificar a proporção de $\text{Si}^{4+}$ e $\text{Al}^{3+}$ na rede tetraédrica.
2. b) Um colega sustenta que a razão atómica $\text{Si}/\text{Al}$ deve ser maior no núcleo do que no bordo do cristal. Demonstra por que razão a sua afirmação é errónea a partir das fórmulas estequiométricas da anortite ($\text{CaAl}_2\text{Si}_2\text{O}_8$) e da albite ($\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$), e deduz que tendência térmica a câmara magmática experimentou durante a cristalização.

Num laboratório de petrologia analisam-se duas amostras de rocha ricas em sílica ($\text{SiO}_2$):

• Amostra A: Provém de uma cavidade numa escoada riolítica emitida a mais de $950\text{ }^\circ\text{C}$; contém microcristais de tridimite e cristobalite que coexistem à temperatura ambiente.

• Amostra B: Provém de um arenito quartzítico submetido a metamorfismo de ultra-alta pressão numa zona de subducção profunda; contém coesite parcialmente englobada em granadas.

1. a) A partir do conceito de polimorfismo e dos campos de estabilidade no diagrama de fases da sílica, fundamenta por que razão minerais com idêntica fórmula química fornecem informações geodinâmicas tão distintas sobre a pressão ($P$) e a temperatura ($T$) a que se formaram.
2. b) Raciocina por que razão fases de alta temperatura ou alta pressão como a cristobalite e a coesite podem persistir à temperatura e pressão ambientes sem se transformarem de imediato em quartzo $\alpha$, que é a fase termodinamicamente estável à superfície. Que fator cinético intervém nessa persistência metaestável?

Numa aula de campo num afloramento basáltico recolhes uma rocha máfica com abundantes fenocristais idiomórficos de cor verde-azeitona, brilho vítreo e fratura concoidal (sem clivagem observável), que riscam o vidro comum (dureza em torno de $6,5-7$). Uma colega coloca a hipótese de se tratar de uma variedade de quartzo verde (prásio) ou de piroxena verde.

1. a) Delineia uma argumentação petrológica e cristaloquímica para descartar por completo a presença de quartzo primário em equilíbrio com essa rocha máfica, baseando-te na saturação em sílica e na reação que relaciona a olivina com o quartzo ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4 + \text{SiO}_2 \rightleftharpoons 2\text{MgSiO}_3$).
2. b) Justifica que propriedade física de diagnóstico permite discriminar inequivocamente se esses cristais verdes correspondem a olivina (nesossilicato) ou a uma clinopiroxena (inossilicato), explicando de que forma essa propriedade reflete a arquitetura interna dos seus tetraedros de silício.

A fórmula geral das granadas é $X_3Y_2(\text{SiO}_4)_3$. Distinguem-se duas séries principais de solução sólida:

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

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

Dispões dos seguintes raios iónicos em coordenação 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 as regras cristaloquímicas de substituição isomórfica (diferença percentual de raio iónico e carga) para justificar por que razão existe solução sólida completa entre piropo ($\text{Mg}$), almandina ($\text{Fe}$) e espessartina ($\text{Mn}$), enquanto entre estes e a grossulária ($\text{Ca}$) existe uma marcada lacuna de imiscibilidade a temperaturas moderadas.
2. b) Numa metapelite analisa-se um cristal de granada com zonação concêntrica: o núcleo apresenta $22\,\%$ molar de espessartina ($\text{Mn}$) e $4\,\%$ de piropo ($\text{Mg}$), enquanto o bordo mostra $2\,\%$ de espessartina e $26\,\%$ de piropo. Sabendo que o $\text{Mn}$ entra preferencialmente a baixa temperatura e o $\text{Mg}$ requer temperaturas elevadas, deduz a evolução térmica sofrida pela rocha durante o crescimento do cristal e justifica por que razão a granada é idónea para registar esta história metamórfica.

Numa sondagem em sedimentos marinhos do Cretácico extraem-se fósseis de amonites cujas conchas originais eram de aragonite (densidade $2,93\text{ g/cm}^3$, sistema ortorrómbico). A análise petrográfica revela que a morfologia externa e as linhas de sutura estão perfeitamente conservadas, mas a massa mineral é constituída integralmente por um mosaico de calcite espática (densidade $2,71\text{ g/cm}^3$, sistema trigonal).

1. a) Interpreta o processo mineralógico ocorrido (pseudomorfose por inversão polimórfica) e justifica, a partir da relação entre densidade, volume molar e pressão, por que razão a aragonite é a fase estável a altas pressões, enquanto em condições superficiais é metaestável e tende a transformar-se em calcite.
2. b) Se numa rocha metamórfica da fácies dos xistos azuis encontrares aragonite primária preservada sem se transformar em calcite, deduz que tipo de trajetória de exumação (arrefecimento rápido vs. descompressão lenta ou descompressão isotérmica quente) a rocha deve ter experimentado para evitar que a aragonite revertesse a calcite durante a sua ascensão à superfície.

No laboratório analisam-se três minerais silicatados desconhecidos (M1, M2 e M3). Obtêm-se os seguintes resultados:

• M1: Relação catiónica $\text{Si}:\text{O} = 1:4$; carece de planos de clivagem (apresenta fratura concoidal); massa volúmica alta ($3,3\text{ g/cm}^3$).

• M2: Relação catiónica $\text{Si}:\text{O} = 2:5$; clivagem perfeita e fácil em lâminas delgadas e flexíveis; massa volúmica média ($2,8\text{ g/cm}^3$).

• M3: Relação catiónica $\text{Si}:\text{O} = 1:2$; carece de clivagem; dureza 7 na escala de Mohs e massa volúmica baixa ($2,65\text{ g/cm}^3$).

1. a) Deduz fundamentadamente a que subgrupo estrutural de silicatos pertence cada mineral em função do número de oxigénios partilhados por cada tetraedro $[\text{SiO}_4]^{4-}$, e propõe um exemplo mineral representativo para cada um.
2. b) Justifica por que razão a presença de ligações químicas anisotrópicas (fortes em duas direções e muito fracas na terceira) explica a clivagem laminar de M2, enquanto a disposição tridimensional isotrópica de M3 impede a formação de planos preferenciais de rutura.

Estuda-se a fração arenosa de duas bacias sedimentares distintas originadas pela erosão de um mesmo batólito granítico composto por quartzo, feldspato potássico, plagioclase e biotite:

• Bacia 1: A areia contém $50\,\%$ de quartzo anguloso, $35\,\%$ de plagioclase e feldspato potássico pouco alterados e $15\,\%$ de biotite fresca.

• Bacia 2: A areia contém $97\,\%$ de quartzo bem arredondado e apenas $3\,\%$ de feldspato potássico residual, sem presença detetável de plagioclase nem biotite.

1. a) Justifica o desaparecimento diferencial dos minerais na Bacia 2 aplicando a série de Goldich e relaciona-a com as condições termodinâmicas de cristalização na série de Bowen: por que razão os minerais formados a maior temperatura no magma são os mais vulneráveis à alteração meteórica superficial?
2. b) Deduz as condições ambientais de cada bacia (clima árido/frio em oposição a húmido/quente, relevo e comprimento do transporte sedimentar) a partir do conceito de maturidade mineralógica e textural.

Numa auréola de metamorfismo de contacto sobre ardósias pelíticas, o estudo petrográfico mostra que, ao aproximar-se do plutão ígneo, a moscovite desaparece progressivamente ao reagir com o quartzo segundo a reação:

Nessa mesma zona da auréola, a biotite ($\text{K}(\text{Mg},\text{Fe})_3(\text{AlSi}_3\text{O}_{10})(\text{OH})_2$) permanece estável em equilíbrio com o quartzo.

1. a) Explica a nível cristaloquímico por que razão a biotite apresenta uma coloração escura e um marcado pleocroísmo ao microscópio petrográfico, enquanto a moscovite é incolor/clara, indicando em que posições octaédricas da folha se situam os catiões responsáveis por essa diferença.
2. b) Um aluno argumenta que, sendo ambas micas filossilicatadas com a mesma relação $\text{Si}:\text{O}$, deveriam decompor-se à mesma temperatura. Rebate a sua postura justificando a diferença de estabilidade térmica a partir da distinção entre micas dioctaédricas (moscovite) e trioctaédricas (biotite), e interpreta que mudança de fase aluminossilicatada ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$) esperarias encontrar neste contexto de baixa pressão.