NOŢIUNI GENERALE DE MINERALOGIE

Generalităţi

Mineralele sunt substanţe chimice naturale, bine individualizate din punct de vedere fizico-

chimic, care intră în compoziţia rocilor şi minereurilor din scoarţa terestră.

Geneza mineralelor

Mediul în care se formează mineralele este foarte variat, putând fi: topitură magmatică,

reziduuri magmatice, soluţiile apoase, materia vâscoasă şi solidă din ariile geosinclinale, unele resturi

ale vieţuitoarelor şi scoarţa de alterare.

Mineralele se formează în urma unor reacţii ca de exemplu: reacţii între două gaze diferite,

dintre un gaz şi un corp solid, dintre două soluţii, dintre soluţii şi corpuri solide, recristalizări în ariile

de metamorfism, cristalizări din stare amorfă, depuneri şi cristalizări din stare coloidală, precipitaţii din

soluţii apoase cristaloide.

Clasificarea mineralelor în funcţie de modul de formare

În funcţie de locul şi de energia care le-a condiţionat formarea mineralele se clasifică astfel:

- Mineralele endogene s-au format în interiorul scoarţei terestre în condiţii de presiuni şi

temperaturi ridicate (din consolidarea magmelor, a lavelor şi din materialul supus

metamorfismului regional).

- Mineralele exogene s-au format la suprafaţa scoarţei terestre, respectiv în zona de influenţă

a hidrosferei, atmosferei, biosferei. Mineralele exogene se formează îndeosebi din soluţiile

apoase, pe continent şi în mediul marin, unde au loc procese de precipitaţie chimică şi

biochimică, în spaţiile poroase ale scoarţei, la gura izvoarelor, în lacuri şi mai ales în

lagunele de concentrare în care se produce cea mai intensă sedimentare prin precipitaţie.

Factorii principali care condiţionează precipitaţia chimică sunt: potenţialul ionic, pH-ul,

salinitatea, solubilitatea, caracteristicile structurale ale elementelor, temperatura, presiunea

şi în unele cazuri influenţa vieţuitoarelor.

Structura internă a mineralelor

Majoritatea mineralelor care interesează domeniul inginero-geologic se prezintă în stare solidă,

cristalizată sau amorfă.

Mineralele amorfe denumite recent „mineraloide” se prezintă sub forma unor corpuri limitate

de suprafeţe neregulate sau curbe. Elementele lor componente (ioni, atomi, molecule) se caracterizează

printr-o aşezare neordonată în spaţiu, sunt în general instabile din punct de vedere fizico-chimic şi au

tendinţa să cristalizeze.

Mineralele cristalizate se prezintă în natură sub forma unor corpuri geometrice (cuburi,

prisme, etc.) limitate de suprafeţe plane, muchii şi colţuri. Particulele constitutive ale cristalelor (ioni,

atomi, molecule) sunt dispuse în mod ordonat şi periodic, alcătuind o reţea cristalină tridimensională.

În afara elementelor geometrice, cristalele au şi elemente de simetrie: axe, planuri şi centru de

simetrie.

Planul de simetrie împarte cristalul în două părţi simetrice şi faţă de acesta, toate elementele

cristalografice se dispun ca un obiect faţă de imaginea lui în oglindă. În funcţie de sistemul de

cristalizare, un cristal poate avea mai multe planuri de simetrie.

Axa de simetrie este o direcţie în cristal, în jurul căreia rotind cristalul cu 360o , acesta revine

de n ori în poziţia identică cu cea iniţială (n reprezintă ordinul de simetrie şi poate avea valori de 2, 3, 4

şi 6).

Poziţia în spaţiu a feţelor cristalelor este determinată în raport cu anumite sisteme de axe de

coordonate care în cristalografie poartă denumirea de cruci axiale. Axele sistemelor formează între ele

unghiuri specifice modului de cristalizare a cristalului respectiv (Figura 1).

Figura 1. Cruce axială.

Pe baza acestor sisteme de axe de coordonate cristalele se încadrează în şapte sisteme

cristalografice ale căror caracteristici principale sunt prezentate în Tabelul 1.

Tabelul 1. Sisteme cristalografice.

Nr.

crt.

Denumirea

sistemului

Axe de

coordonate

Unghiurile

dintre axe

Elemente de

simetrie

Forma fundamentală Exemple de minerale

1 CUBIC a=b=c α=β=γ=90o 1 centru, 13

axe, 9 plane de

simetrie

Cubul Blendă, pirită, sare

gemă, silvină,

fluorină2 PĂTRATIC

(TETRAGONAL)

a=b ≠ c α=β=γ=90o 1 centru, 3 axe,

5 plane de

simetrie

Prisma dreaptă

cu baza pătrată

Calcopirită, zirconiu,

rutil, vezuvian,

casiterit3 HEXAGONAL a1=a2=a3 ≠ c α=β= 90o;

γ=120o

1 centru, 7 axe,

7 axe de

simetrie

Prisma dreaptă

cu baza

hexagonală

Cuarţ, beril, apatit

(575oC-875oC)

4 ROMBOEDRIC

(TRIGONAL)

a1=a2 ≠ a3 ≠c

α=β= 90o;

γ=120o

1 centru, 4 axe,

3 plane de

simetrie

Romboedrul Calcit, corindon,

dolomit, magnetit,

cuarţ (sub 575oC)5 ROMBIC a ≠ b ≠ c α=β=γ=90o 1 centru, 3 axe,

3 plane de

simetrie

Prisma dreaptă

cu baza rombică

Anhidrit, aragonit,

baritină, olivină

6 MONOCLINIC a ≠ b ≠ c α=90o; β ≠90o; γ=90o

1 centru, 1 axă,

1 plan de

simetrie

Prisma oblică

cu baza

dreptunghiulară

Gips, ortoză, biotit,

muscovit, piroxeni,

augit, amfiboli7 TRICLINIC a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ 1 centru de

simetrie

Prisma oblică

cu baza paralelogram

Feldspaţi plagioclazi,

disten, albit

Proprietăţile fizice şi mecanice ale mineralelor oferă posibilităţi largi pentru recunoaşterea lor.

Proprietăţile pot fi independente de o anumită direcţie în spaţiu (proprietăţi scalare) şi

dependente de această direcţie (proprietăţi vectoriale).

Dintre proprietăţile care servesc în mod curent la recunoaşterea mineralelor deosebim

următoarele:

1. Proprietăţi cu caracteristici morfologice

Habitusul este precizat de modul în care se dezvoltă cristalul în structura sa rezultat din modul

de dezvoltare a feţelor sau din predominarea unei forme cristalografice simple asupra celorlalte forme.

Habitusul poate fi izometric (pirita, blenda, granaţi), prismatic (amfiboli, cuarţ, turmalina),

acicular (stibina, bismutina), filiform (azbest, malachit), tabular (baritina, mica, grafit, talc), dendritic

(aur, argint).

Materia cristalină apare rar sub formă de cristale izolate, de obicei se prezintă sub formă de

aglomerări de cristale mici, aceste forme fiind denumite agregate sau forme de agregare. Se cunosc

următoarele forme de agregare sferice, compacte şi prismatice.

Mineralele amorfe se prezintă în general sub formă de aglomerări numite forme concreţionale

care sunt forme stalactitice (limonit, malachit) şi forme sferice (calcit).

2. Densitate specifică

Densitatea specifică este raportul dintre greutatea mineralului şi un volum egal de apă la

temperatura de 4o C, este o constantă importantă şi un bun mijloc de identificare a mineralelor opace în

stare pură. Se poate determina cu balanţa hidrostatică, picnometrul, cu lichide grele cu greutăţi

specifice determinate. Unitatea de măsură este g/cm3.

Exemple de densităţi specifice: Silvină: 1,97-1,99 Sulf: 2,05-2,09 Cuarţ: 2,50-2,80

Dolomit: 2,85-2,95 Pirită: 4,90-5,20 Hematit: 5,20 Fier: 7,30-7,80 Cupru: 8,80

Aur: 15,60-19,40 Iridiu: 21,60-22,50 g/cm3.

Mineralele organice sunt cele mai uşoare. Exemple: Petrol: 0,60-0,90 Ozocherit: 0,85-0,98

Asfalt: 1,10-1,20 Cărbune: 1,10-1,70 g/cm3.

Determinarea densităţii prin metoda cu picnometrul

Din proba uscată şi mojarată se ia o cantitate de 100 g şi se lasă să treacă prin sita de 0,2 mm.

Principiul metodei constă în determinarea masei particulelor solide, ms prin cântărire şi determinarea

volumului Vs cu ajutorul picnometrului.

s

ss V

m=ρ [g/cm3]

gss ⋅= ργ [kN/m3]

ms – masa particulelor solide;

Vs – volumul particulelor solide;

g – acceleraţia gravitaţională.

tLLs mmm

m ρψρ ⋅⋅−+

=321

1

Lψ - factor de corecţie pentru dilatarea lichidului la temperatura de to C;

tLρ - densitate lichid de referinţă la temperatura de to C.

Proprietăţi în legătură cu coeziunea

Duritatea este rezistenţa pe care o opune suprafaţa netedă a unui mineral la pătrunderea unui

vârf ascuţit prin lovire sau zgâriere. Scara Mohs: 1 – talc, 2 – gips, 3 – calcit, 4 – fluorină, 5 – apatit, 6

– ortoză, 7 – cuarţ, 8 – topaz, 9 – corindon, 10 – diamant.

Clivajul este o proprietate a mineralelor de a se desface în urma lovirii sau a unei presiuni

exercitate asupra lor în plăci sau foi cu suprafeţe plane sau paralele. După calităţile sale clivajul se

clasifică în perfect (feţe plane, luciu sidefos, mică, gips), foarte bun (feţe plane, luciu sticlos, baritină,

calcit), imperfect (feţe mai puţin plane, luciu gras, o suprafaţă în trepte, ceruzit) şi cu totul imperfect

( structură accentuată a suprafeţelor neregulate, bournovit).

Spărtura este proprietatea mineralelor de a se desface când sunt lovite după suprafeţe diferite

ca formă de suprafeţele plane. După aspectul feţelor de spargere se deosebesc următoarele tipuri de

spărturi: concoidală (formă de scoică, cuarţ, apatit, baritină), aşchioasă (prin lovire rezultă aşchii, talc,

silex), colţuroasă (suprafeţe colţuroase, aur argint, cupru), fibroasă (gips fibros), neregulată

(caracteristică mineralelor metalifere, calcopirita).

Deformaţia mineralelor se referă la schimbarea de formă şi volum a acestora sub acţiunea unor

forţe exterioare. După natura, intensitatea şi direcţia acestor forţe, în funcţie şi de structura

cristalochimică a mineralului deformaţiile pot fi elastice, plastice şi rupturale.

Funcţie de comportarea mineralelor la solicitări mecanice, în cadrul deformaţiilor amintite,

acestea se prezintă sub următoarele forme: elastică, flexibilă, maleabilă, moale, ductilă, casantă.

Proprietăţi optice macroscopice

Aceste proprietăţi pot fi constatate cu ochiul liber. Dintre aceste proprietăţi, la caracterizarea şi

identificarea mineralelor sunt folosite mai frecvent următoarele:

Transparenţa: funcţie de modul de transmitere a luminii se deosebesc următoarele categorii de

minerale: transparente (cuarţ), translucide (mică olivină), opace (pirită, magnetit).

Obs: Transparenţa depinde şi de puritatea mineralului, de diversele incluziuni gazoase sau

lichide sau de pigmenţi străini.

Culoarea mineralelor: mineralele pot fi incolore şi colorate. Mineralele colorate au culoare

proprie generată de compoziţia chimică sau culoarea se datorează diverselor incluziuni. Pentru

aprecierea culorii se foloseşte scara cromatică a mineralelor (cinabru-roşu, realgar-portocaliu,

auripigment-galben, malachit-verde, azurit-albastru, covelină-indigo, ametist-violet). O altă

scară este scara acromatică alcătuită din minerale cu culori neutre: alb şi negru.

Urma mineralelor: este culoarea pulberii mineralelor care se poate observa în urma pe

care o lasă pe o placă de porţelan, aspră şi dură, prin trasarea unei linii pe aceasta. Această

culoare poate fi identică sau nu cu culoarea eşantioanelor (hematit – urmă roşie de cireaşă,

calcopirita – galben-verzuie, limonit – brun-gălbuie, malachit – verde-deschis, magnetit –

neagră).

Luciul mineralelor: este determinat de puterea de reflexie a luminii pe suprafaţa cristalului, de

netezimea suprafeţei, de indicele de refracţie şi de indicele de absorbţie. Luciul poate fi: metalic

(aur, argint), semimetalic (blendă), diamantin (diamant), sticlos (cuarţ, calcit), gras (aragonit),

sidefos (caolinit, talc), mătăsos (azbest).

Proprietăţi magnetice

Aceste proprietăţi caracterizează comportarea mineralelor într-un câmp magnetic. Funcţie de

această comportare mineralele pot fi: minerale foarte magnetice (magnetit), minerale potrivit magnetice

(cromit), minerale slab magnetice (turmalină), minerale nemagnetice (cuarţ, săruri, sulfaţi).

Proprietăţi electrice

Conductibilitatea electrică permite gruparea mineralelor în: bune conducătoare de electricitate

(aur, argint, magnetit), slab conducătoare de electricitate (amfiboli (silicaţi feromagnezieni)), rău

conducătoare de electricitate (cuarţ, calcit, talc).

Proprietăţi chimice

În grupa acestor proprietăţi se menţionează: solubilitatea în apă (sare, gips, calciu), coloraţia

soluţiei în apă, solubilitatea în acizi şi fenomenele care le însoţesc, sensibilitatea la acţiunea

coloranţilor, comportarea la ardere cu sau fără adausuri de substanţe chimice, alterabilitatea.

Ale proprietăţi speciale (cu efecte în practica inginerească)

Radioactivitatea este proprietatea unor elemente chimice de a se dezintegra spontan, emiţând

radiaţii α, β, γ. Acest proces este însoţit de degajarea unei mari cantităţi de căldură.

Conductibilitatea sonică este proprietatea unor minerale de a permite propagarea undelor

sonice şi seismice. Valoarea de propagare a undelor este în directă legătură cu sistemele de cristalizare

şi direcţiile de propagare în cadrul reţelei cristaline şi a feţelor de cristale. Cunoscând vitezele de

propagare a undelor pe grupe de minerale şi cantitatea acestora în compoziţia rocilor se poate

determina indicele de alterare a rocilor pe baza raportului dintre valoarea de propagare a undelor în

mineralele nealterate şi valoarea vitezelor măsurate pe carotele extrase din rocă.

Principalele categorii de minerale

Numărul mineralelor descoperite în natură este foarte mare, iar gruparea lor pe specii diferă

funcţie de clasificarea adoptată; totuşi, în momentul de faţă se poate aprecia că numărul lor este de cca.

2500 de minerale, număr ce creşte continuu cu cca. 40 minerale anual. Din punctul de vedere al

inginerului constructor însă nu interesează în principal numărul mineralelor identificabile, ci contribuţia

lor la compoziţia scoarţei terestre şi implicit a rocilor sedimentare. Astfel, se consideră că gradul de

participare al diferitelor clase de minerale în compoziţia scoarţei terestre este următoarea:

• silicaţi 81 % din care 55 % feldspaţi şi 11 % silice;

• oxizi-hidroxizi (oxizi şi hidroxizi de fier, aluminiu, mangan, titan etc.) 14 %;

• carbonaţi (carbonatul de calciu, dolomit etc.) 0,7 %;

• fosfaţi (brushit, farmacolit etc.) 0,7 %;

• halogenuri (sarea gemă, fluorină, clorocalcit etc.) 0,5 %;

• sulfuri şi sulfaţi (baritină, mercalit etc.) 0,3-0,4 %;

• elemente native (hidrogen, oxigen, fier, aur argint, cupru, plumb, platină, diamant, arsen,

sulf etc.) cca. 0,1 %.

Pe baza studiilor efectuate, compoziţia chimico-mineralogică a particulelor solide din pământ ar

fi:

• particule alcătuite predominant din cuarţ caracterizate prin forme rotunjite şi dimensiuni

între 0,2-2 mm şi care constituie fracţiunea nisip;

• particule constituite din asocierea naturală a mineralelor de tipul feldspaţilor, micelor şi

carbonaţilor cu dimensiuni cuprinse între 0,002 mm şi 0,2 mm şi care alcătuiesc

fracţiunea praf;

• particule constituite din minerale secundare rezultate prin alterarea chimică a

mineralelor primare, în special a silicaţilor, caracterizate prin forme plate şi aciculare şi

dimensiuni mai mici de 0,002 mm şi care se regăsesc în fracţiunea argilă.

Din cele prezentate rezultă că majoritatea mineralelor constituente a particulelor care alcătuiesc

rocile sedimentare fac parte din clasa silicaţilor. Analizându-se cu ajutorul razelor X structura silicaţilor

s-a constatat că la baza structurii lor stă grupa tetraedrică [SiO4]4- în care ionul de siliciu [Si4+] este

înconjurat de patru ioni de oxigen [O2-] situaţi în colţurile unui tetraedru şi grupa octaedrică cu ioni de

aluminiu, magneziu, fier etc. situaţi în centrul unui octaedru şi înconjuraţi de şase ioni de hidroxil.

În funcţie de modalităţile de asociere a tetraedrelor şi octaedrelor şi de numărul lor în unitatea

de bază, prin valenţele disponibile rezultă o mare varietate de silicaţi grupaţi în:

nezosilicaţi, silicaţi cu grupări tetraedrice izolate de SiO4;

sorosilicaţi, silicaţi cu grupări de două tetraedre de SiO4;

ciclosilicaţi, silicaţi cu grupări inelare de 3, 4 şi 6 tetraedre;

ionosilicaţi, silicaţi formaţi din lanţuri infinite simple sau duble de tetraedre, legaţi

prin ioni comuni de oxigen;

filosilicaţi, silicaţi cu structuri infinite de tetraedre de SiO4 legaţi prin intermediul a

trei ioni de oxigen cuplaţi sau nu cu octaedre;

tectosilicaţi, silicaţi cu reţele tridimensionale continui de tetraedre (Al, SiO4) prin

intermediul a patru ioni comuni de oxigen.

Din toate aceste grupe de minerale interesează în primul rând filosilicaţii şi tectosilicaţii cu

reţele cristaline ce se regăsesc în majoritatea particulelor rocilor sedimentare.

Filosilicaţii frecvent întâlniţi în structura argilelor sunt:

Caolinitul ((OH)8∙Al4Si4O10∙4∙H2O) s-a format prin alterarea rocilor eruptive bogate în

aluminosilicaţi prin acţiunea apei încărcată cu CO2. În unele cazuri acesta a fost erodat şi

redepus departe de locul de formare, în lacuri şi mări determinând depozitele de sedimente

argiloase. Ca structură, caolinitul este format din pachete suprapuse din tetraedre de siliciu şi

octaedre de aluminiu, având un potenţial de umflare-contracţie redus, iar introdus în apă nu

dispersează în particulele componente.

Montmorillonitul ((OH)4∙Al4∙Si8∙O20∙n∙H2O) s-a format prin alterarea rocilor eruptive bazaltice

într-un mediu alcalin, el putând fi întâlnit şi în alcătuirea unor varietăţi de soluri din ţara noastră

(Slănic, Câmpia Turzii, Simeria, Valea Chiuarului etc.). Este un mineral cu reţea cristalină

extensibilă ce prezintă variaţii mari de volum la variaţiile de umiditate şi poate dezvolta presiuni

de umflare importante. Introdus în apă se dispersează relativ uşor rezultând particule fine cu

formă plată, solzoasă sau aciculară. Montmorillonitul este un component principal al unor

argile. Argila care conţine peste 75 % montmorillonit se numeşte bentonită şi este utilizată la

susţinerea pereţilor săpăturilor şi forajelor.

Illitul ((OH)4∙Ky∙(Al4Fe4Mg4)∙(Si8-yAly)∙O20) s-a format ca rezultat al alterării rocilor eruptive

într-un mediu bogat în apă. Ca răspândire, illitul se întâlneşte în rocile sedimentare argiloase şi

în bentonită alături de montmorillonit şi caolinit. Proprietăţile sale fizico-mecanice precum şi

comportamentul în raport cu apa îl situează între montmorillonit şi caolinit.

Tectosilicaţii sunt silicaţi cu o structură tridimensională rezultată prin conectarea în spaţiu a

tetraedrelor de siliciu şi aluminiu rezultând structuri hexagonale. Din această categorie,

mineralele cu largă răspândire în structura rocilor sedimentare (cca. 10 %) sunt feldspaţii şi

mineralele cuarţoase.

Feldspaţii, minerale componente ale fracţiunilor de praf şi argilă sunt silicaţi cu o structură

spaţială de tetraedre de siliciu şi aluminiu în care cca. ½ până la ¼ din atomii de siliciu au fost

substituiţi cu atomi de aluminiu rezultând inele de câte 4 tetraedre de siliciu [SiO4]4- şi aluminiu

[AlO4]5- interconectate prin oxigenii din noduri. Structura felspaţilor se diferenţiază în funcţie de

natura ionilor (Na+, Ca2+, K+ etc.) ce ocupă golurile din reţea rezultând feldspaţi sodici,

calcosodici, potasici, plagioclazi etc. Cercetările efectuate au arătat că printr-un intens proces de

alterare prin hidratare, odată cu pătrunderea apei în reţea şi hidroliză (în prezenţa soluţiilor

bogate în O2 şi CO2) are loc trecerea feldspaţilor în unii filosilicaţi (minerale argiloase).

Cuarţul (dioxidul de siliciu) constituie mineralul predominant al fracţiunii de nisip, fiind un

tectosilicat cu reţea spaţială hexagonală de tetraedre legaţi între ei prin vârfuri, punţi de oxigen.

Are o structură cu toate valenţele satisfăcute, stabilă chimic, fără clivaj, dură şi rezistentă la

compresiune. Diferenţele de simetrie ce apar în reţeaua cristalină determină existenţa a două

tipuri de cuarţ numite α-cuarţ şi β-cuarţ. Structura spaţială poroasă şi neutră electric face ca

densitatea cuarţului să fie de 2,65 g/cm3, mai mică decât a mineralelor argiloase. Ca răspândire,

cuarţul se găseşte în majoritatea rocilor din ţara noastră ca şisturile cristaline, granite, gresii şi în

rocile sedimentare (nisipul de Kliva din Carpaţii Orientali, nisipul de la Aghireş şi de la Glodna

Română etc.).