Conceito Apostila Geologia

1GE-401-MINERALOGIA – CIÊNCIAS DA TERRA 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

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2

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

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).

Olivina3%

Argilas5%

Micas5%

Anfibólios5%

Óxidos, Sulfetos, Sulfatos e Carbonatos

8%

Piroxênios11%

Quartzo12%

Feldspatos51%

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

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.

s

s

s

s

Óxidos

s

NÃO SILICATOS

Aproximadamente 20 elementos são encontrados no
Elementos Nativo seu estado nativo. Au, Ag, Cu e Pt; As e Bi (raros); enxofre, diamante e grafita.
Inclui uma grande parte de minerais de minério. XmSn,
Sulfeto onde X= elemento metálico. Pirita (FeS2); calcopirita (CuFeS2); bornita (Cu2S); covelita (CuS); galena (PbS); esfalerita (ZnS); molibdenita (MoS2).
Contêm os elementos halogênios F, Cl, Br, and I como ânions dominantes. Combinam-se geralmente com
Haleto 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). XO2: Grupo do rutilo → rutilo (TiO2); pirolusita (MnO2); cassiterita (SnO2); uraninita (UO2). XY2O4: Grupo do espinélio → espinélio (MgAl2O4); magnetita (Fe3O4); cromita (FeCr2O4).

Hidróxido
Estes minerais contêm OH- como o ânion dominante. Brucita [Mg(OH)2]; Gibbisita [Al(OH)3]; bauxita (hidróxido de Al e Fe hidratado).
sulfo-sai
Metais ou semi-metais tomam o lugar do enxofre na estrutura. Enargita (Cu3AsS4); tetraedrita (Cu12Sb4S13); arsenopirita (FeAsS). Existem cerca de 100 sulfo-sais, mas apenas alguns são importantes.


5

Apresentam CO3

2- como o ânion dominante. Grupo da 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.

Carbonatos

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%.

CalcitaCaCO3

Dolomita CaMgCO3

Ankerita CaFeCO3

FeCO3SideritaMgCO3

Magnesita

Lançar no diagrama a análise química deste carbonato: FeO 12,6 % em pesoMnO 0,77 MgO 12,85 CaO 29,23 CO2 43,95 Tot. 100,07

FeO MgO CaO T 12,06 12,85 29,23 54,14 x y z 100 x= (12,06/54,14)x 100=22,29 Y= 23,73 Z= 53,98

53,98

23,73 22,29


6

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.

Ca2SiO4

Porcentagemmolecular

CaFeSiO4CaMgSiO4Monticelita Kirschenita

Série completa

MgSiO4 FeSiO4Forsterita Faialita

Olivina faialita - FeSiO4; forsterita - MgSiO4

SILICATOS

Fosfatos, vanadatos, etc ...

Os fosfatos apresentam o grupo aniônico PO43- como o

dominante. A apatita [Ca5(PO4)3(OH)], é o principal fosfato. Compostos do tipo arsenatos AsO4

3-, vanadatos VO4

3- e wolframatos WO43- são estruturalmente e

quimicamente similares. Wolframita ([(Fe,Mn)WO4; scheelita (CaWO4).

Contêm o SO42- como o ânion predominante. Barita

(BaSO4); gipsita (CaSO4. 2H2O). Sulfatos

Figura 4. Composição da olivina com base no diagrama CaO-MgO-FeO-SiO2 (Klein &

Hurlbut, 1993)


7

Mg3Al2Si3O12

Figura 5. Composição das granad

1993).

Piropo

P

Fe3Al2Si3O12 Almandina

Poucas Granadas Naturais

(Mg, Fe, Mn)3Al2Si3Piralspita

Ca3Al2Si3O12 Grossulária

Poucas Granadas Naturais

X3Y2(SiO4)3, X= Ca, Mg, Fe2+ ou Mn2+, Y= Al3+, Fe3+ e

Cr3+

almandina - Fe3Al2Si3O12; espessartita – Mn3Al2Si3O12;

Piropo – Mg3Al2Si3O12; grossulária – Ca3Al2Si3O12;

andradita - Ca3Fe2Si3O12

Granada

as e as possibilidades de solução sólida. (Klein & Hurlbut,

Mn3Al2Si3O12

orcentagemmolecular

Espessartita

O12

Ca3Fe2Si3O12Andradita


8

O Quadrilátero dos Piroxênios

CaSiO3 Wollastonita

Clinopiroxênios CaMgSi2O6 CaFeSi2O6Diopsídio HedembergitaAugita

Pigeonita

Mg2Si2O6 Fe2Si2O6

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

Enstatita Ferrosilita Ortopiroxênios

Figura 6. Composição dos piroxênios com base no diagrama CaSiO3 – MgSiO3 – FeSiO3

(Klein & Hurlbut, 1993).


9

Figura 7. Composição dos an

5

60

70

8

90

Ca2Mg5Si8O22(OH)2

Tremolita

Antofilita Mg7Si8O22(OH)2

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+

Anfibólios

fibólios em diagrama ternário (Klein & Hurlbut, 1993).

0

“Ca7Si8O22(OH)2”

Porcentagem Molecular

Ca2Fe5Si8O22

Ferroactinolita

Cumingtonita-grunerita Grunerita Fe7Si8O22(OH)2

Muscovita - KAl2(AlSi3O10)(OH)2; biotita –

K(Fe,Mg)3(AlSi3O10)(OH)2

Micas

2
Caolinita - Al2Si2O5(OH)4; talco - Mg3Si4O10(OH) Argilo-minerais


10

igura 8. Composição dos feldspatos com base no diagrama Ortoclásio – Albita- Anortita

KAlSi

Feldspatos

Albita – NaAlSi3O8; anortita – CaAl2Si3O8; Ortoclásio -

KAlSi3O8

3O8

NaAlSi3O

Or

F

(Klein & Hurlbut, 1993).

8 CaAl2SiO8

Sanidina

Anortoclásio

ita abradorita AnortitaAb An

Porcentagem

gi o

molecular Or-Ab-An

Alb Oligoclásio Andesina L

Plá oclási sBitownita

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Feldspatos Alcalinos


11

substituir outro na estrutura cristalina dos minerais. A substituição iônica na estrutura

cristalina dos minerais é função dos seguintes fatores:

Nefelina – NaAlSiO4; leucita – KAlSi2O6Feldspatóide

SiO2

Porcentagem Molecular

KAlSi3O8 NaAlSi3O8 K-feldspato Albita

KAlSi2O6

Leucita CaAlSi2O8

Anortita

Figura 9. Composição dos feldspatóides, comparada com a dos feldspatos, no sistema SiO2

(quartzo) – NaAlSiO4 (nefelina) – KAlSiO4 – (CaAl2O4). (Klein & Hurlbut, 1993).

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

KAlSiO2

Kalsilita

CaAl2O4

Quartzo – SiO2, tridimita e cristobalita; opala (SiO2.nH2O)

NaAlSiO4

Nefelina

Quartzo


12

sses íons na estrutura cristalina dos

abela 1. Substituições iônicas mais comuns (Frey, 1974).

Número de Raio Iônico

1. Tamanho dos íons. Se a diferença entre os raios iônicos de um ou mais íons for <

15% pode ocorrer substituição iônica total entre e

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).

T

Íon Número de Raio Iônico (Å) Íon Coordenação Coordenação

Mg VI 0,80 Fe2+ 0,86 VI

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

Mn4+ VI 0,62 Fe3+ VI 0,73

Mn2+ VI 0,91 Fe2+ VI 0,86

La-Lu 1,05 VIII 1,26 – 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

1 B3+ + 1 C+:

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+ =


13

Exe

fira (Al,Fe,Ti)O3 ⇒ Ti4+ = 2Al3+ → Fe2+ + Ti4+

rie albita (NaAlSi3O8) – anortita (CaAl2Si2O8) ⇒ Na+Si4+ = Ca2+Al3+

Si4+ é substituído por

3. peratura

os sólidos se

Outros tipos de substituição iônica que resultam em solução sólida incluem:

. Substituição por omissão: A estrutura cristalina pode apresentar sítios atômicos vagos

est

bstitui dois íons K+, mas ocupa apenas uma posição na

s

4. Rrye, K. (1974) Modern Mineralogy, Prentice-Hall, 325 p.

emicals Fundamentals of Geology. Unwin Hyman, 292p.

ed., John Wiley & Sons.

mplos incluem:

Coríndon (Al2O3) e sa

Plagioclásios da sé

(para cada Ca2+ que substitui Na+ na estrutura do plagioclásio, um

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+

Temperatura e pressão: sólidos tendem a expandir-se com o aumento da tem

favorecendo a entrada de íons de grande raio iônico. De forma similar,

contraem com o aumento da pressão favorecendo a substituição de íons de pequeno raio

iônico.

1

que podem ser parcial ou totalmente ocupados.

Exemplo: anfibólio tremolita Ca2Mg5Si8O22 (OH)2, onde está normalmente vago na

rutura ⇒ + Si4+ ⇔ Na+ + Al3+.

A substituição ocorre somente em uma posição na estrutura, permanecendo as outras vagas

→ K+ + K+ = Pb2+ + (O Pb2+ su

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 íon

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).

eferências F

Gill, R., 1989, Ch

Klein Jr., C.; Hurlbut, S., 1993, Manual of Mineralogy. 21st

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