Introducció als Minerals i Roques: Formació, Classificació i Jaciments

Introducció als Minerals i a les Roques

Materials que Constitueixen la Litosfera

La litosfera està formada per elements químics que es combinen per formar minerals, els quals s'agreguen per formar roques. Alguns d'aquests materials constitueixen recursos geològics, mentre que altres no. La majoria de la matèria primera per a la indústria prové de materials geològics. Per exemple, metalls com el ferro (Fe), el plom (Pb), l'alumini (Al), el zinc (Zn) i el coure (Cu) són la base de la indústria. Les reserves d'aquests recursos són limitades, per la qual cosa es requereix un control dels recursos geològics.

Composició Química de l'Escorça

L'escorça continental conté 118 elements químics, dels quals 8 representen més de l'1% de la seva composició:

• Oxigen (O): 46.6%
• Silici (Si): 27.7%
• Alumini (Al): 8.1%
• Ferro (Fe): 5%
• Calci (Ca): 3.6%
• Sodi (Na): 2.8%
• Potassi (K): 2.6%
• Magnesi (Mg): 2.1%

Aquests elements es combinen per formar més de 3500 espècies minerals conegudes.

Concepte de Mineral

Un mineral és una substància sòlida, inorgànica i natural, amb les següents característiques:

• Composició química determinada: Cada espècie mineral té una combinació iònica específica i un enllaç característic.
• Estructura cristal·lina: Els àtoms s'empaqueten de manera ordenada i regular, formant geometries i lleis de simetria particulars. La matèria amorfa (per exemple, el diamant sintètic o l'òpal) no forma minerals.

Concepte de Roca

Una roca és un agregat sòlid, natural i inanimat que constitueix l'escorça terrestre. Generalment, està formada per agregats minerals (mono- o polimineràlics), però també pot contenir restes orgàniques sòlides (com el carbó).

Minerals Formadors de Roques

Els minerals formadors de roques són els pocs minerals realment abundants a l'escorça terrestre. La majoria no tenen valor comercial. Els minerals d'interès econòmic solen ser més rars.

Tipus Composicionals de Minerals

En funció de la seva composició, els minerals es classifiquen en diferents grups:

1. Silicats: Contenen silici (Si), oxigen (O) i metalls. Exemples: quars, feldspats, miques, olivina.
2. Carbonats: Contenen el ió carbonat (CO₃^2-). Exemples: calcita, dolomita.
3. Altres grups: Clorurs, sulfats, sulfurs, etc.

1. Silicats

El silici és un component essencial de les roques. Es combina amb l'oxigen per formar l'anió silicat (SiO₄)^4-, que té una estructura tetraèdrica amb un enllaç covalent fort (d'aquí la gran duresa dels silicats).

Els silicats es classifiquen en grups en funció de com s'uneixen els tetraedres de silicat:

• Nesosilicats: Tetraedres aïllats. Exemples: olivina, granat.
• Sorosilicats: Parelles de tetraedres. Exemple: epidota.
• Ciclosilicats: Tetraedres en anells. Exemples: cordierita, beril, turmalina.
• Inosilicats: Tetraedres en cadenes. Exemples: hornblenda (dobles), augita (simples).
• Filosilicats: Tetraedres en làmines o capes. Exemples: miques (moscovita, biotita), argiles (caolinita).
• Tectosilicats: Tetraedres en xarxes tridimensionals. Exemples: quars (SiO₂), feldspats (l'alumini substitueix el silici en els tetraedres).

Els feldspats es divideixen en:

• Ortosa: KAlSi₃O₈
• Plagiòclasi: NaAlSi₃O₈ - CaAl₂Si₂O₈

El quars i els feldspats constitueixen el 75% de l'escorça continental.

Els silicats també es classifiquen en funció dels cations que incorporen a la seva estructura:

• Silicats ferromagnesians (màfics): Contenen ferro (Fe) i magnesi (Mg). Són de color fosc, tenen un elevat pes específic i una baixa proporció de SiO₂. Exemples: olivina, piroxens, amfíbols, mica negra (biotita), granat.
• Silicats fèlsics: Contenen alumini (Al), potassi (K), calci (Ca) i sodi (Na). Són de color clar, tenen un pes específic més baix i una elevada proporció de SiO₂. Exemples: quars, feldspat, mica blanca (moscovita).

• Minerals de l'argila: Són un grup de silicats filosilicats amb enllaços molt febles. Admeten molta aigua i ions OH^- entre les làmines, cosa que els permet expandir-se (com la caolinita). A altes temperatures (700 °C), es reorganitzen i s'utilitzen per a la ceràmica.

2. Minerals No Silicats Importants

Es classifiquen segons els anions que contenen. Alguns tenen valor econòmic.

• Carbonats: Contenen el ió carbonat (CO₃^2-). Són d'origen sedimentari, sovint orgànic. Exemples: calcita (CaCO₃), aragonita (polimorf de la calcita), dolomita (CaMg(CO₃)₂), siderita (FeCO₃), malaquita (CuCO₃(hidratat)), atzurita. Formen roques com la calcària, la dolomia i el marbre.
• Clorurs: Es formen per evaporació d'aigües salines. Exemples: halita (NaCl), silvinita (KCl).
• Fluorurs: Exemple: fluorita (CaF₂).
• Sulfats: Es formen per evaporació d'aigües salines. Exemples: guix (CaSO₄·2H₂O), anhidrita (CaSO₄), baritina (BaSO₄).
• Òxids: Exemples: hematites (Fe₂O₃), magnetita (Fe₃O₄). El coltan és un mineral compost per columbita ((Fe,Mn)Nb₂O₆) i tantalita ((Fe,Mn)Ta₂O₆), utilitzat en telecomunicacions i indústria aeronàutica.
• Sulfurs: Són menes metàl·liques. Es formen a partir de fluids aquosos calents i profunds. Exemples: galena (PbS), esfalerita (ZnS), pirita (FeS₂), calcopirita (CuFeS₂), cinabri (HgS).
• Hidròxids: Són minerals d'alteració. Exemples: bauxita (AlO(OH)₃), goethita (FeO(OH)·nH₂O).
• Fosfats: Contenen el ió fosfat (PO₄)^3-. Els més comuns són els de calci, com l'apatita.
• Elements nadius: Es troben en estat pur a la natura. Exemples: or (Au), plata (Ag), platí (Pt), coure (Cu), sofre (S).

Mètodes de Reconeixement i Estudi de Minerals

Per identificar els minerals, es poden utilitzar diferents mètodes:

• Reconeixement a visu: Es basen en les propietats físiques del mineral, com el color, la pàtina, la ratlla, la lluïssor, el sistema cristal·lí, l'hàbit, la macla, la duresa, l'exfoliació i la fractura. Per determinar la duresa, s'utilitza l'escala de Mohs.
• Tècniques analítiques: Permeten determinar la composició química i l'estructura del mineral. Exemples: microscopi petrogràfic, microsonda electrònica, difracció de raigs X.

Jaciments Minerals

Un jaciment mineral és una concentració anòmala d'un o més elements o minerals a l'escorça terrestre. Aquesta concentració ha de ser suficient per a que l'extracció sigui econòmicament rendible.

Origen dels Jaciments Minerals

Els jaciments minerals es poden formar per processos endògens (a l'interior de la Terra) o exògens (a la superfície de la Terra):

1. Processos Endògens

• Processos ignis o magmàtics: Es produeixen per la cristal·lització del magma. Poden generar jaciments de minerals metàl·lics i industrials, com els que es troben a la intrusió de Munni Munni (Austràlia).
• Processos hidrotermals: Es produeixen per la circulació de fluids aquosos calents a través de les roques. Poden generar jaciments de minerals metàl·lics molt variats i d'alguns minerals d'interès industrial.
• Processos metamòrfics: Es produeixen per la transformació de les roques existents a causa de la pressió i la temperatura. Poden generar minerals d'aplicació industrial, com el granat o el talc, i minerals metàl·lics, com l'esfalerita, la galena i la calcopirita.

2. Processos Exògens

• Meteorització: És la descomposició de les roques a la superfície de la Terra. Pot generar jaciments de minerals com la bauxita, una mena d'alumini que es forma per la meteorització de roques granítiques en climes tropicals.
• Sedimentació: És el procés de deposició de sediments. Pot generar jaciments de minerals, com els placers, que són dipòsits de minerals pesants (com l'or, la cassiterita i les gemmes) concentrats per l'acció de l'aigua o el vent.
• Sedimentació orgànica: És la deposició de restes d'organismes. Pot generar roques i minerals energètics, com el carbó, el petroli i el gas natural.
• Sedimentació química: És la precipitació de minerals a partir de solucions aquoses. Pot generar minerals industrials, com el guix i les sals.

Factors Econòmics dels Jaciments Minerals

Per a que un jaciment mineral sigui econòmicament explotable, s'han de tenir en compte diversos factors:

• Valor econòmic del mineral o minerals extrets
• Concentració o llei del mineral
• Volum de les reserves
• Proximitat als punts de consum
• Evolució previsible del mercat

A més, el material ha de ser tècnica-, econòmica- i legalment extraïble en el moment que es considera com a reserva.

Conceptes Importants

• Mena: És el mineral, generalment metàl·lic, que presenta interès miner. Per a poder ser aprofitada, la mena requereix d'un tractament.
• Ganga: Són els minerals que acompanyen a la mena, però que no presenten interès miner. Mena i ganga són termes relatius.
• Subproductes (o by-products): Són minerals d'interès econòmic que no són l'objecte principal de l'explotació, però que augmenten el valor econòmic de la producció. Per exemple, el mercuri (Hg) present en jaciments de sulfurs, o el manganès (Mn) en els pòrfirs cuprífers.
• Proporció mitjana o Clarke: És la proporció mitjana d'un element a l'escorça terrestre.
• Llei mitjana: És la concentració que presenta l'element químic d'interès miner en el jaciment.
• Llei mínima o cut-off: És la concentració mínima que ha de tenir un element en un jaciment per a que sigui explotable, és a dir, la concentració que fa possible pagar les despeses d'extracció, tractament i comercialització.
• Factor d'enriquiment (FE) o Clarke de concentració: És el grau d'enriquiment que ha de presentar un element respecte a la seva concentració normal per a que resulti explotable. Es calcula com a FE = llei mínima / proporció mitjana o Clarke.
• Reserves: És la quantitat (massa o volum) de mineral susceptible de ser explotat. Depèn d'un gran nombre de factors, com la llei mitjana, la llei mínima, les condicions tècniques, mediambientals i de mercat.