Acondritas y Afinidades Geológicas
Hace aproximadamente 4.560 millones de años, el Sol se había formado y encendido, mientras miles de planetesimales competían por el espacio en el joven sistema solar. Como veremos en esta entrada, tres procesos (Calentamiento que produjo metamorfismo térmico y fusión, interacciones fluido-roca que produjeron alteraciones acuosas e impactos) diversificaron la mineralogía del sistema solar. La clasificación de Victor Goldschmidt de los elementos químicos ayuda a explicar por qué algunos elementos son raros o no formaron minerales separados en esta etapa temprana.
Fuentes de Innovación Mineralógica
A medida que la gravedad agrupaba las primeras condritas, y cuando la presión aplastante, la temperatura de escaldadura, el agua corrosiva y los impactos violentos reelaboraron los planetesimales en crecimiento, surgieron más y más minerales nuevos. En total, se han encontrado más de 250 minerales diferentes en todas las variedades de meteoritos, un aumento de 20 veces sobre la docena de minerales-ur pre-solares. Estos sólidos variados se convirtieron en el punto de partida para la Tierra y todos los demás planetas.
A medida que los planetesimales atraían gravitacionalmente más y más masa y crecían más y más en el proceso, tres mecanismos primarios alteraron los aproximadamente 60 minerales condríticos: Calor, agua e impactos. Juntos, estos tres agentes de cambio marcaron el comienzo de la segunda etapa de la evolución mineral.
Tres fuentes de calor transformaron la nebulosa solar en evolución. El primero fue el Sol, con vientos solares como un alto horno que horneó las regiones más internas, eliminó gases y otros volátiles de la zona extendida dentro de la órbita de Júpiter, y proporcionó el primer episodio significativo de destilación en el sistema solar.
El Sol causó el dramático contraste entre los planetas rocosos internos y los planetas exteriores gigantes gaseosos. El Sol también fue probablemente el culpable de la producción de las extrañas condritas enstatitas pobres en oxígeno. Los aproximadamente 60 minerales de la etapa 1, todos contenidos en meteoritos primarios de condrita, surgieron como consecuencia del poder de refinación del Sol.
A medida que el Sol se estableció en una fase más estable de combustión de hidrógeno, dos fuentes adicionales de energía térmica se hicieron cargo. El primero fue la gravedad, o más específicamente, la transformación de la energía potencial gravitacional en calor a medida que los planetesimales se hicieron más grandes. Cada nueva colisión agregaba más calor; cuanto más grande es el planetesimal, más amplificado es ese efecto. Por último, la acumulación de masa también atrapó grandes cantidades de isótopos altamente radiactivos que se descompusieron y, por lo tanto, liberaron más energía térmica.
El agua representa la segunda fuente poderosa de innovación mineralógica en planetesimales. El agua no tiene paralelo como agente de cambio porque es químicamente reactivo y móvil. El agua salada del océano habla de la capacidad del agua para descomponer y disolver minerales. Cuando el agua salada se evapora, se forman pequeños cristales de mineral halita. El cloruro de sodio, la sal de mesa común, se produce por la capacidad del agua de disolverse primero y luego transportar otros químicos.
Como resultado, los meteoritos de acondrita contienen una variedad de minerales de evaporita similares. La halita forma algunos hermosos cristales morados: El color proviene de la edad extrema de los cristales que han sufrido miles de millones de años de daño por radiación. Y hay otros minerales depositados en agua, incluyendo la apariencia del importante yeso mineral de sulfato y de los carbonatos, minerales que hoy forman arrecifes de coral y conchas.
La tercera fuente poderosa de innovación mineralógica son los efectos dramáticos y formadores de minerales de los impactos. Cuando un asteroide más pequeño golpea un planetesimal en crecimiento, se produce un breve período de temperaturas y presiones extremadamente altas. Los efectos de este choque incluyen la producción de una variedad de minerales que solo se pueden producir en condiciones muy extremas, que generalmente se encuentran en el interior de los planetas.
Etapa 2 de la Evolución Mineral
La segunda etapa de la evolución mineral incluyó las primeras arcillas de grano fino, mica en forma de lámina y circón semiprecioso, todo lo cual se convirtió en bloques de construcción de planetas. Pero esa no es toda la historia de la etapa 2 de la evolución mineral. También es importante considerar qué minerales no se formaron y por qué.
Es fácil concentrarse en los aproximadamente 250 minerales que habían aparecido en el momento de las acondritas: es un aumento de aproximadamente 1 por ciento a aproximadamente 5 por ciento del inventario de minerales futuros de la Tierra. Pero quizás igualmente importantes son la miríada de minerales, casi el 95 por ciento de todas las especies conocidas, que no se habían formado hace 4.500 millones de años.
Incluso en los meteoritos de acondrita más procesados, la mayoría de los elementos (incluidos Uranio, boro, berilio y docenas de otros) no formaron sus propios minerales, o si lo hicieron, son tan raros y los cristales son tan pequeños que no encontrado aún.
Una consulta importante sin respuesta es dónde residen esos elementos raros, y hay una serie de ideas en competencia. Algunos elementos podrían distribuirse aleatoriamente como átomos extraños en otros minerales. Con una solución sólida, un elemento sustituye a otro elemento de tamaño y carácter de unión similares.
Un ejemplo común es la sustitución de hierro por magnesio en olivina. Y el elemento hafnio siempre sustituye al circonio, más comúnmente en el mineral circón. El hafnio está justo debajo del circonio en la tabla periódica. Es probable que otros elementos raros sustituyan de la misma manera los elementos más comunes del mismo grupo en la tabla periódica: Galio para aluminio, litio para sodio o selenio para azufre, por ejemplo.
Otra hipótesis es que pequeñas cantidades de elementos raros se concentran en los límites de los granos, tal vez en pequeños volúmenes que no tienen estructuras cristalinas regulares. O tal vez algunos de los elementos están presentes en las nanofases, pero todavía no los hemos encontrado.
La Clasificación Goldschmidt
Al final de la etapa 2, solo habían aparecido unos 250 minerales de los más de 4.700 conocidos hoy. Una forma de entender todos esos minerales que faltan es observar la clasificación geoquímica de los elementos, introducida por primera vez en la década de 1920 por el mineralogista y geoquímico suizo Victor Goldschmidt.
Goldschmidt hizo muchas contribuciones a la mineralogía, incluidos reveladores estudios de campo donde se dio cuenta de que se forman nuevos minerales en entornos donde los elementos clave se han concentrado por diversos medios, como el agua y el calor.
Sus observaciones condujeron a sus publicaciones más famosas e influyentes. El título de estas contribuciones duraderas puede traducirse aproximadamente del alemán original como «Las leyes geoquímicas de la distribución de los elementos». Hoy, son mejor conocidos como la clasificación Goldschmidt de los elementos químicos.
La elegante idea de Goldschmidt es que diferentes elementos químicos tienen diferentes afinidades geoquímicas, es decir, se pueden separar y concentrar en unos pocos tipos de ambientes naturales, de la misma manera que la nebulosa solar temprana separó gases como el hidrógeno y el helio de las rocas ricas en silicato.
El esquema de clasificación original se centró en los 86 elementos más comunes que se encuentran en la Tierra y dividió la tabla periódica en cuatro grupos principales: Elementos litófilos, siderófilos, calcófilos y atófilos. Los elementos dentro de cada uno de estos grupos comparten características químicas que conducen a mineralogías distintivas.
- Los elementos litófilos (“Amantes de las rocas”) se concentran en rocas corticales.
- Los elementos siderófilos (“Amantes del hierro”) se concentran en el núcleo metálico.
- Los elementos calcófilos (“Amantes de los minerales”) se unen al azufre.
- Los elementos atófilos (“Amantes de la atmósfera”) tienden a permanecer en un estado gaseoso.
La clasificación Goldschmidt tiene muchas sutilezas que enriquecen el campo de la geoquímica. Por un lado, bastantes elementos tienen un carácter mixto. Por lo tanto, el hierro, que es el elemento definitorio de siderófilo, también ocurre comúnmente con azufre, por ejemplo, en la lustrosa pirita mineral dorada o el oro de los tontos. El hierro también es uno de los elementos más comunes en la corteza en óxidos y silicatos, por ejemplo, en la importante magnetita mineral magnética, un óxido de hierro que es uno de los principales minerales de hierro.
De hecho, la mayoría de los elementos siderófilos, incluidos el manganeso, el níquel y el cobalto, pueden adquirir características litófilas si hay mucho oxígeno alrededor, mientras que muchos de los elementos litófilos pueden adherirse al azufre y convertirse en calcófilos en condiciones de bajo contenido de oxígeno. Los inusuales meteoritos de condrita enstatita incorporan sulfuros de calcio y magnesio, que normalmente son elementos litófilos.
La temperatura y la presión también juegan papeles importantes. Como han demostrado muchos experimentos de laboratorio, resulta que prácticamente todos los elementos químicos adquieren propiedades metálicas a una presión lo suficientemente alta. A medida que los átomos se fuerzan cada vez más, algunos electrones inevitablemente se vuelven demasiado confinados y se liberan para moverse libremente por la sustancia. Esa es la definición de un metal. Los experimentos a alta presión han demostrado la metalización a alta presión de todo tipo de elementos, desde yodo hasta azufre y oxígeno.
Uno de los grandes desafíos en la ciencia de los materiales experimentales es lograr la presión extremadamente alta necesaria para convertir el gas de hidrógeno en un metal. Algunos investigadores se han acercado. El hidrógeno cristaliza en un sólido incoloro a aproximadamente 50,000 atmósferas, lo cual es fácil de lograr. Los cristales consisten en filas regulares de pequeñas moléculas de H2, como pesas. A esas presiones más bajas, las pesas giran en todas direcciones.
Luego, a medida que llega a presiones más altas, a medida que el volumen disminuye y el espacio se estrecha, las pesas se bloquean en una orientación, no tienen espacio para rotar libremente. Por encima de 1 millón de atmósferas, las pequeñas moléculas de H2 comienzan a separarse: Los dos átomos de hidrógeno dentro de una molécula en realidad se separan más, mientras que los espacios entre las moléculas se acortan mucho más.
Luego, a una presión realmente alta, tal vez 5 millones de atmósferas, los átomos deberían espaciarse uniformemente y formar un metal. Ese es un gran desafío experimental, pero los cálculos teóricos hacen que sea bastante seguro que el hidrógeno metálico será la fase estable y que el estado metálico del hidrógeno debe ocurrir dentro de los planetas gigantes gaseosos.
De hecho, algunos astrofísicos sugieren que el hidrógeno metálico dentro de los grandes planetas es el mineral por volumen más común en el universo. En cualquier caso, la historia del hidrógeno revela los matices y la flexibilidad de la clasificación de elementos Goldschmidt.
Naturalmente, a medida que han pasado las décadas y el esquema de clasificación Goldschmidt ha sido adoptado por más y más especialistas, han surgido nuevas subclasificaciones. Uno de los más interesantes es la categoría de elementos pegmatófilos (“Amantes de la pegmatita”), que son rocas ígneas extremadamente ricas en agua que tienden a concentrar algunos de los elementos litófilos más raros.
La clasificación geoquímica de Goldschmidt de los elementos es solo otra forma de catalogar elementos, pero no son solo listas. El esquema de clasificación y sus elaboraciones posteriores nos ayudan a comprender las muchas formas en que los elementos pueden seleccionarse, concentrarse, transportarse y cristalizarse en el rico patrimonio mineralógico de la Tierra.
Los siderófilos son más densos y tienen más probabilidades de encontrarse hacia el núcleo; los calcófilos no son tan densos; los litófilos son incluso menos densos; y los atófilos son los menos densos de todos, comunes en la atmósfera o perdidos en el espacio.
Referencias
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2010 Mineralogical Evolution of Meteorites
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1999 Encyclopedia of Geochemistry
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