DIAGRAMAS DE ESTABILIDAD MINERAL

Los diagramas de estabilidad mineral, o de fases, que nos interesan en el campo de la Mineralogía son aquellos en que todas las fases están en estado sólido.

En función del número de componentes podemos distinguir:

vin_bolv2.gif (169 bytes)    Diagramas de un componente

Los diagramas de un único componente representan los campos de estabilidad en función de P y T de las fases polimórficas de un determinado compuesto.

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En esta figura se han representado el sistema compuesto por C cuyas fases son diamante, grafito, carbono III y líquido. De los dos polimorfos de carbono comunes en la naturaleza, diamante y grafito, es el primero el que más amplio campo de estabilidad presenta, siendo la fase estable a altas presiones, mientras que el grafito únicamente es estable a bajas presiones aunque a temperaturas variables.

La estructura del diamante muestra un empaquetamiento mucho más compacto que la del grafito fruto de su estabilidad a más alta presión. El grafito es la fase estable a condiciones atmosféricas, pero la transformación del diamante a grafito es tan lenta que no es posible detectarla a escala humana.

Otro diagrama monocomponente muy utilizado es el de la sílice (SiO2):

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La tridimita y la cristobalita se forman a temperaturas relativamente bajas, típicas de materiales lávicos ricos en sílice; y, aunque el cuarzo bajo es la fase estable a condiciones atmosféricas, la transformación de aquéllas en éste es tan lenta que las podemos encontrar metaestable en lavas muy antiguas.

Sin embargo el paso del cuarzo bajo al cuazo alto es inmediato y no implica un cambio sustancial en la estructura. La coesita y la stishovita son las formas estables a presiones altas y muy altas, características de los cráteres de impactos meteoríticos.

 

vin_bolv2.gif (169 bytes)    Diagramas de dos componentes

En este tipo de diagramas se representa normalmente en el eje de abscisas la composición del sistema y en ordenadas la temperatura (presión constante).

Son útiles para mostrar las características de:

  1. Solución sólida completa entre dos miembros extremos: las fases minerales puras se denominan A y B  y presentan una temperaturas de fusión TA y TB respectivamente.

En el diagrama se puede rápidamente conocer a qué temperatura fundirá cualquier mineral de composición intermedia (xA, yB), en este caso a T1.

A partir de un fundido M que se encuentra a TB comenzarán a precipitar una serie de cristales cuando la temperatura alcance la curva liquidus del sistema (curva superior), esto es a T1. La composición de los cristales a esta temperatura  es la que indica la curva solidus (curva inferior), es decir xA, yB.

Las dos flechas en las curvas liquidus y solidus nos van indicar como varía la composición del liquido remanente y los cristales respectivamente conforme se enfría el sistema. Al principio el sólido es mucho más rico en componente B que el fundido original, lo que hace que al descender la temperatura este componente se vaya agotando del líquido. Dado que el sólido se encuentra en contacto contínuamente con el líquido, reacciona con ésta y se va enriqueciendo en componente A hasta alcanzar la composición original, lo que sucede a T2.

El resultado final son cristales de composición intermedia, similar a la del fundido original y no una gran variedad de cristales de composiciones entre xA, yB y AB como sucedería sino reaccionaran con el líquido.

 

2.- Solución sólida parcial con hueco de miscibilidad: en muchos casos la solución sólida no es completa a determinadas temperaturas existen huecos de miscibilidad como sucede en la serie de las plagioclasas.

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3.- Ausencia de solución sólida entre diversas especies minerales: las fases minerales A y B son sustancias puras y no hay entre ellas solución sólida.

Si se añade componente B a un fundido de A disminuye la temperatura del líquido que puede coexistir con A a lo largo de la curva entre TA y e (punto eutéctico o punto de temperatura mínima del liquidus). La temperatura más baja a la cual los cristales y el fundido están en equilibrio es TC y es también la temperatura a la que cristaliza la fase A cuya proporción frente a B vendrá dada por la composición original del fundido.

En otros sistemas sucede además del fenómeno eutéctico el denominado peritéctico.

El punto peritéctico es un punto de reacción que se observa por la inflexión de la curva liquidus. Si un fundido de composición M se enfría, la fase B empieza a cristalizar cuando alcanza la curva liquidus lo que sucede a T1. A partir de ese momento la composición del fundido se va desplazando conforme indica la flecha hacia A mientras cristaliza la fase B hasta alcanzar el punto p. En este punto la fase B reacciona con el fundido dando lugar a una tercera fase C que continuará hasta que uno de los reactantes se consuma.

Si se proyecta la composición del fundido M y cae sobre el campo formado por las fases C+ B se consume antes el fundido y si cae sobre el de las fases A+ C entonces lo hace antes la fase B. La fase C continuará cristalizando hasta el punto eutéctico donde cristaliza la fase A.

 

vin_bolv2.gif (169 bytes)    Diagramas de tres o más componentes

La mayoría de las rocas están formadas por más de dos componentes químicos lo que hace necesario utilizar otra serie de diagramas de estabilidad mineral.

Habitualmente se representan en diagramas triangulares en cuyos vértices se localiza el 100% de cada componente y cuyos lados muestran las mezclas binarias. El lado opuesto a un vértice representa el 0% de ese componente y las líneas paralelas a ese lado nos indican un porcentaje cada vez mayor hasta llegar al vértice.

En el apartado de los cálculos minerales a partir de análisis químicos elementales, se muestran los pasos a seguir para calcular las fórmulas de minerales para representar en diagramas triangulares. Los vértices no tienen porqué estar formados por óxidos sencillos sino que frecuentemente se representa la suma de varios óxidos que comparten muchas veces una misma posición en la estructura.

 Los diagramas de fase triangulares se usan normalmente en petrología ígnea para representar las relaciones de fusión así como la secuencia de cristalización de un fundido. Además se utilizan para representar las estabilidades de los minerales por debajo de las superficies liquidus y solidus (diagramas de fases subsolidus) y la variación de la composición entre los miembros de un grupo.

Otra importante aplicación de estos diagramas es que sirven para ilustrar la coexistencia común de pares de minerales posibles o de grupos de tres minerales que constituyen la paragénesis de una roca (diagramas de conjuntos de minerales).

Estos se determinan a partir de resultados experimentales o a partir de conjuntos naturales cuidadosamente analizados. Ejemplos de diagramas de conjuntos de minerales lo constituyen: el del sistema formado por cuarzo, feldespatos y feldespatoides y el de los carbonatos más comunes.

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 En el sistema CaCO3-MgCO3-FeCO3 existe una solución sólida muy pequeña para la calcita CaCO3, una serie extensiva entre la dolomita (CaMg(CO3)2 y la anquerita (CaFe(CO3)2 y una serie completa entre la magnesita MgCO3 y la siderita FeCO3.

Los minerales y las rocas, como cualquier sistema, tienden hacia el estado de mínima energía, que es el más estable para sus constituyentes.