¿Cómo crecen los cristales en la naturaleza?

Presentación del tema: "¿Cómo crecen los cristales en la naturaleza?"— Transcripción de la presentación:

1 ¿Cómo crecen los cristales en la naturaleza?

2 GÉNESIS Y PARAGÉNESIS DE LOS MINERALES
La formación de los minerales se debe a: sedimentación, metamorfismo, acumulación y transformación de compuestos químicos, solidificación o sublimación. Estos procesos están relacionados con diversos fenómenos geológicos, lo cual explica la importancia del metamorfismo geológico que somete los minerales a la acción de altas temperaturas y presiones, a transformaciones por contacto con magmas eruptivos o a los efectos de emanaciones gaseosas magmáticas.

3 En función del origen y del estado en que se encuentren en la naturaleza, los minerales pueden clasificarse en: Magmáticos, es decir, mezclados unos con otros desde la consolidación del magma eruptivo inicial, Sedimentarios, si se han acumulado por depósito bajo la acción del viento o por evaporación del agua en que estaban disueltos, Filonianos, si rellenan grietas y son de origen sedimentario, neumatolítico (procedentes de magmas eruptivos) o hidrotermal (disueltos en aguas cálidas), Metamórficos, si resultan de la transformación de los filonianos

4 RECONOCIMIENTO Y ESTUDIO DE LOS MINERALES
formas externas, que son reflejo de las simetrías de cristalización y propiedades físicas, que dependen simultáneamente de la composición química y del tipo de cristalización

5 FILOGENIA MINERAL MINERALOGENESIS ONTOGENIA MINERAL  La Filogenia Mineral estudia las especies Minerales y su paragénesis, mientras la Ontogenia Mineral estudia el proceso de formación de los individuos de la especie.

6 Clasificación de las rocas ígneas
La clasificación de las rocas ígneas se basa en la composición mineralógica y en las texturas; éstas últimas nos permiten establecer si nos encontramos con rocas plutónicas, volcánicas y filonianas.

7 GRADO DE CRISTALINIDAD
HOLOHIALINAS. Compuestas por más del 90% en volumen de vidrio. Característico de las rocas volcánicas lávicas (p.ej. una pumita o una obsidiana). HIALOCRISTALINAS. Compuestas en parte por vidrio y en parte por cristales, sin que ninguno de estos dos componentes supere el 90% del volumen total. Característico de las rocas  volcánicas lávicas y de las rocas hipoabisales o filonianas (p.ej. un pórfido granítico). HOLOCRISTALINAS. Compuestas por más del 90% en volumen de cristales. Característico de las rocas plutónicas (p.ej. un granito).

8 TAMAÑO DE LOS CRISTALES
FANERÍTICA, del griego phaneros (visible). Los cristales pueden reconocerse a simple vista. Típica de rocas intrusivas (plutónicas). Se pueden distinguir varios tamaños de grano dentro de este grupo: grano muy grueso, cuando los granos tienen un tamaño mayor de 30 mm grano grueso, cuando los granos tienen tamaños entre 30 y 5 mm grano medio, cuando los granos tienen tamaños entre 5 y 2 mm grano fino , cuando los granos tienen un tamaño menor de 2mm, pero son visibles

9 TAMAÑO DE LOS CRISTALES
AFANÍTICA, el prefijo a- indica negación, a phaneros (no visible). Los cristales no pueden reconocerse a simple vista y es necesario una lupa o un microscopio. Indica que el proceso de enfriamiento se produjo de forma más o menos rápida. Típica de rocas volcánicas y subvolcánicas. Se pueden distinguir dos clases dentro de este grupo: microcristalinas, cuando los cristales son reconocibles con el microscopio vítreas o criptocristalinas, cuando los cristales no son reconocibles con el microscopio

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11 Series de Bowen En este esquema evolutivo se pueden distinguir tres grupos de minerales: Los ferromagnesianos: alto contenido en hierro y magnesio (olivino, piroxenos, anfíboles, biotita). Son minerales de colores más oscuros. Forman una serie de cristalización discontinua y cristalizan en un rango de temperaturas altas. Las plagioclasas. Forman una serie de cristalización continua entre la anortita y la albita. Cristalizan también en un intervalo de temperaturas altas - medias . Silicatos no ferromagnesianos (cuarzo, moscovita y ortosa). Son los minerales que cristalizan a menor temperatura. Estos minerales contienen una mayor proporción de aluminio (Al), potasio (K), calcio (Ca) y sodio (Na), que de hierro y magnesio.     A las rocas con un alto contenido en minerales ferromagnesianos se les denomina máficas (máficos, del latín magnesium y ferrum). A las rocas con alto contenido en minerales no ferromagnesianos (cuarzo, moscovita, feldespato K, plagioclasa y feldespatoides) se les denomina félsicas (félsico, proviniente de feldespato y sílice).

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13 Crecimiento cristalino. Distintos modelos.
Crecimiento sólido-sólido o recristalización, el sólido inicial y final tienen la misma estructura cristalina y la misma composición química. Solo se produce un incremento de tamaño de grano a través de movimientos de borde de grano. Esto ocurre cuando se activa la energía que encierra todo borde de grano mediante estimulación térmica. No hay líquido alguno en el borde de grano sino reajustes de dislocaciones. Se produce una distribución equidimensional de los granos. Ejemplos en la naturaleza lo serian el Mármol creciendo a partir de la Caliza, o la Cuarcita a partir de las Areniscas. Pero salvo estos casos, su uso es muy restringido en la naturaleza.

14 Cristalización líquido-sólido: en este tipo de cristalización existe una reorganización de las estructuras, una abrupta transición de fase, de una fase desordenada o con orden a corta distancia, propia de un líquido, pasamos a otra ordenada, a un Cristal. El tipo de proceso y la fuerza impulsora que genera la cristalización dependerá del todo de la fase liquida. De este modo podemos tener: a) Crecimiento a partir de solución La fase fluida es diluida y los átomos que van a formar el Cristal están dispersos en el liquido, es fundamental, por tanto, el transporte de masa para que nuclee y crezca el Cristal. El crecimiento de Cristales en medio hidrotermal y en solución acuosa a baja temperatura, en medio superficial o sedimentario, son ejemplos de crecimiento cristalino a partir de solución en que el agua es el componente solvente mayoritario.

15 b) Crecimiento a partir de un fundido
La fase liquida está muy condensada lo que impide un transporte eficiente de la materia en su seno. Por otra parte, en este caso, el fundido y el Cristal que crece tienen casi la misma densidad y similar distancia interatómica con lo que tampoco es necesario un gran transporte de materia. En estas condiciones es la transferencia de calor quien juega un papel importante en el proceso de cristalización. Este tipo de crecimiento está ausente en cualquier proceso geológico. El crecimiento de Minerales en magmas, no es un crecimiento a partir de fase fundida ya que los magmas son sistemas multicomponentes y se requiere la transferencia de masa lo que le sitúa en un contexto de crecimiento de cristales a partir de solución de alta temperatura.

16 c) Crecimiento a partir de vapor
Tiene lugar en al naturaleza: pensemos en la formación de Minerales pegmatíticos, fumarolas o drusas. Pero al cristalizar a temperaturas supercríticas siempre hay una interacción sólido-liquido, más débil que en agua y que en soluciones a alta temperatura pero suficiente como para contemplar este crecimiento como un intermedio entre el crecimiento en solución acuosa y el crecimiento puro a partir de vapor.

17 Resumiendo: En la cristalización natural el proceso más extendido e importante es el crecimiento cristalino en solución. El crecimiento por un fundido no existe y el crecimiento sólido-sólido está muy restringido. El crecimiento a partir de vapor tiene un carácter cercano al crecimiento en solución. Por todo esto el modelo experimental y teórico idóneo para la interpretación genética de los Minerales es el proporcionado por el crecimiento cristalino a partir de solución.

18 Nucleación y crecimiento
Para que la nucleación del Cristal tenga lugar se debe vencer una barrera energética, por lo que debe tener un cierto valor determinado a partir del cual la nucleación puede producirse. A)    Nucleación homogénea : se produce en el seno de la solución, por la interacción entre las moléculas, átomos o iones que formaran el Cristal. Normalmente se necesita un valor muy alto. Este tipo de nucleación es característico de muchas venas y yacimientos minerales como Calcita, Pirita. B)     Nucleación heterogénea: la nucleación se produce sobre un sustrato presente en el medio de cristalización, lo que reduce la sobresaturación crítica necesaria para la nucleación. Se producirá una nucleación bidimensional o heterogénea. Es el tipo de nucleación mas frecuente en la naturaleza. En un caso extremo si hay algún tipo de similitud entre la estructura de la superficie y la del cristal que nuclea, será todavía menor y se produce una epitaxia.

19 Crecimiento cristalino
Fig. 1: Paisaje atómico de una cara cristalina de una cara cristalina con posiciones atómicas más o menos favorables en el crecimiento. En una solución sobresaturada la incorporación de una unidad de crecimiento cristalina (átomo o molécula) a cualquier posición de la superficie implica una transición energética que depende del balance entre el número de enlaces que se establecen en la unión y los que quedan sin saturar. . Este modelo de crecimiento cristalino fue propuesto por Volmer, Kossel y Stranski y se denomina como mecanismo V.K.S.

20 Es el mecanismo de crecimiento cristalino B.C.F.
¿Qué sucederá si la solución, aun estando sobresaturada, no alcanza ese nivel de sobresaturación? Ante esta contradicción, Burton, Cabrera y Frank establecieron un nuevo modelo de crecimiento que genera rincones o escalones de una forma continua aun a muy bajas sobresaturaciones: propusieron la existencia de dislocaciones helicoidales sobre las caras del cristal que son una fuente permanente de rincones puesto que estos no desaparecen en el curso del crecimiento. Es el mecanismo de crecimiento cristalino B.C.F.

21 El tratamiento que hemos hecho de la interfase Cristal-Solución, es decir la cara cristalina, puede resumirse diciendo que esta se transforma de lisa a rugosa al aumentar la sobresaturación y que el tipo de crecimiento dependerá de la rugosidad que presente la cara. En caras relativamente lisas el crecimiento se producirá o bien mediante el consecutivo crecimiento de capas cuyos escalones o rincones se renuevan mediante nucleación bidimensional (V.K.S), o bien mediante el crecimiento en espiral (B.K.F.) que genera escalones en el propio proceso de crecimiento.

22 A un determinado nivel de sobresaturación la rugosidad de la cara es tal que se producirá un crecimiento rápido y aleatorio en cualquier lugar de la cara cristalina: es el crecimiento adhesivo o rugoso. Evaluación de la rugosidad superficial Para evaluar la rugosidad superficial, se aplica el concepto de factor postulado por Jackson en 1958: Donde L es el calor latente de evaporación, K la constante de Boltzmann, la temperatura de fusión y un factor que depende de la orientación.

23 Jackson demostró que sustancias con < 2 crecen con superficies rugosas y con > 3 crecen con superficies lisas. Este factor de Jackson es una propiedad característica de cada compuesto y predice si esa sustancia tendrá una superficie rugosa o lisa. Un mismo cristal creciendo con diferentes sobresaturaciones distribuidas en diferentes caras cristalográficas.

24 Una primera consecuencia de este fenómeno es que el desarrollo de las caras del mismo cristal se produce a diferente velocidad de crecimiento, entendiendo por velocidad de crecimiento el espesor adquirido por las caras en unidad de tiempo. Esta diferencia en el crecimiento de las caras hace que las más lentas se mantengan e incluso se hagan más grandes frente a las caras de desarrollo mas rápido que se hacen más pequeñas y pueden desaparecer. Cambio morfológico en un cristal debido a la desaparición de caras. A su vez, dicha desaparición de caras es provocada por la diferente velocidad de crecimiento de cada una de ellas. 

25 Rugosidad de superficie y morfología cristalina
Relaciones entre sobresaturación, rugosidad superficial, mecanismo de crecimiento, y morfologías tipo.