La Tierra, Un Laboratorio Cristaloquimico

7/23/2019 La Tierra, Un Laboratorio Cristaloquimico

1/40

LaTierra:

un

laboratorio

cristaloqumico

ManuelPrieto

Rubio

[email protected]

DepartamentodeGeologa

Universidadde

Oviedo


2/40

Lamineralogapresentista

Imagendealtaresolucin(TEM)de

uncristaldecordierita(Mg2Al4Si5O18)

Al

Si

Al

Mg

Si

SiSi

[SiO4]

Sistema: Rmbico,2/m2/m2/m

Grupoespacial:

Cccm

http://www.irocks.com

A.Putnis (1992)MineralSciences.CambridgeU.Press.


3/40

Losmineralesylagranhistoria

BigHistoryisaframeworkforall

knowledge.FromtheBigBangto

themodernday andtowhat

maylie

ahead

Mineralogaenlacuartadimensin:

delpolvo

de

estrellas

ala

huella

humana


4/40

Losprimerosminerales

HHe

Li

15minutos

290istopos

84elementos

10Ga

ImagenderayosX

deuna

supernova

Azul(SiyS)

Verde(Mg)

Naranja(O)

Minerales

presolares

>4.6Ga

Grafito

pre

nebular

Diamante,grafito,carburos

nitruros,olivino,corindn,

rutilo,espinela,etc.

12

http://chandra.harvard.edu

1m

http://news.wustl.edu/news/


5/40

Mineralescondrticos

Microfotografadeuncondrito.Elolivinoes

elmineralbirrefringentemsabundante.

Olivino(ricoenMg) (Mg,Fe)2SiO4Piroxeno (ricoenMg) (Mg,Fe)SiO3Kamacita (metal) (Fe,Ni)

Taenita (metal) (Fe,Ni)

Troilita (sulfuro) FeS

.

Corindn Al2O3Espinela MgAl2O4Perovskita CaTiO3Hibonita CaAl

12O

19Anortita CaAl2Si2O8Capiroxenos (dipsido) CaMgSi2O6.

Olivino (Mg,Fe)2SiO4Piroxeno (Mg,Fe)SiO3Augita Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6Anortita CaAl2Si2O8.

Grafito C

Kamacita (metal) (Fe,Ni)

Taenita (metal) (Fe,Ni)

Troilita (sulfuro) FeS

.

Cndrulos

Inclusione

sricasen

Cay

Al

M

atriz

(silicatos)

Matriz

(opacos)

Hazen etal.(2008)MineralEvolution.

Am.Mineral.

93,

1693

1720.

http://www.unimuenster.de/Planetology

H2O Horneados(


6/40

Meteoritometlico.Intercremiento de

kamacita ytaenita.

AcondritasyplanetesimalesFusin

parcial

(>

950oC)

http://www.meteorlab.com

NuevosmineralesCuarzo,feldespatopotsico,titanita,

zircn,sulfurosdemetalesde

transicin,etc.Meteoritoacondrtico

http://www.psrd.hawaii.edu

250


7/40

Losdiezestadio

sdelaevoluci

n

m

ineralenlaTie

rra

ERA/Estadio Edad(Ga) NEspecies

MineralesPrenebulares >4.6 12

Eradelaacrecinplanetaria

1.Mineralescondrticos primarios >4.56 60

2.Acondritas

yplanetesimales >

4.56

4.55 250

Era delretrabajo delmantoylacorteza

3. Evolucindelasrocasgneas 4.55 4.0 350 500

4. Formacindegranitosypegmatitas 4.0 3.5 1000

5.Tectnica

de

placas >

3.0 1500

Era delamineralogamediatizadabiolgicamente

6.Elmundobiolgicoanxico 3.9 2.5 1500

7.Lagranoxidacin 2.5 1.9 >4000

8. Elocanoaburrido 1.9 1.0 >4000

9.La Tierraboladenieve 1.0 0.542 >4000

10.Laerafanerozoica 0.542Presente 4400 +

R.M.Hazen &J.M.Ferry(2010)MineralEvolution.Elements 6,912.


8/40

La

mineraloga

de

los

aos

70

90Cmosecomportanlos

mineralesante

los

cambios

detemperaturaypresin?


9/40

SEM-EDS y Microsonda

electrnica (EMPA)

Mapa de elementos mostrando la zonacin de Ca yNa en cristales de plagioclasa

Putnis A., FernndezDaz L. & Prieto M. (1992)

Experimentally produced oscillatory zoning in the

(Ba,Sr)SO4solid solution. NATURE 358, 743745.


10/40

Diagrama de difraccinde electrones

Imagen de microscopa electrnica dealta resolucin de un cristal de

cordierita Mg2Al4Si5O18.

Microscopaelectrnicadetransmisin

JEM3200FSTransmission Electron

Microscope

Desmezcla augitapigeonita

Busec etal.

(1980)

Subsolidus

phenomena inpyroxenes.Rev.Min.7.


11/40

Cristobalita

Tridimita

Cuarzo

Cuarzo

Polimorfos

delaslice

Coesita

Presin

SiO2

Tridimita

Cristobalita


12/40

500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

stishovita fundido

-cristobalita

-tridimita

cuarzo cuarzo

coesita

Presi

n

(kbar)

Temperatura (C)

Polimorfos

de

la

slice:

diagrama

de

fases


13/40

DiagramasTemperaturaTransformacinTiempo

Teq

Th

Tm

Tem

peratura

Log(tiempo)

Modulacionesdecomposicin

Nucleacinhomognea

Nucleacinhetereognea

A

B

C

D


14/40

Microynanoestructurasde

enfriamiento

0.25m 0.5

m

100nm 0.25m

100nm

10nm

A.Putnis (1992)MineralSciences.CambridgeU.Press.

Desmezcla en feldespatos alcalinos (Na,K)AlSi3O8 y maclado en las regiones ricas en sodio


15/40

Transformacionescristalinasenelmanto

terrestreyla

dinmica

global

Elmantoinaccesible

Dequestconstituido?

Cmosecomporta?

Qufuerzasyprocesosoperanenl?

Fuentesdeinformacin

Observacionesindirectas(geofsica,geoqumica,geologa,

astronoma,astrofsica,...)

Experimentacin(mineraloga

petrologa

experimental,

reologa experimental,...)

Simulacin(simulacionesmoleculares,reologa y

transporte)http://www.geophysik.uni muenchen.de/research/geodynamics/research

http://crack.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/class/plate/velocity.html


16/40

Unmaterialdepartidaparala

experimentacin

Existeampliaevidenciadequelosmagmasbaslticosderivan

dela

fusin

parcial

del

manto

superior.

Lacuestines...qumaterialesfuentepodranfundirse

parcialmente

para

producir

basalto?

Dequ

est

constituidoelmanto

terrestre?

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pillow_basalt_crop_l.jpg


17/40

Lafusinparcialdelmanto

terrestre(i)

Manto

Litosfera

LL+C

Profundida

d(Km) P

resin(Gpa)

Temperatura(C)

400

300

200

100

0

1

3

6

10

13.5

500 1000 1500 2000

Curva

geotrmica

Green&Falloon (1998)Pyrolite:aRingwood conceptandits

current expression.In:The Earth Mantle:Composition

Structure andEvolution (ed.I.Jackson)CambridgeU.Press.


18/40

Lafusinparcialdelmanto

terrestre(ii)

Pr

ofundidad(K

m)

Temperatura(C)

400

300

200

100

0500 1000 1500 2000

Mantofrtil

Basaltos

ocenicos

Residuo

olivnico

Fusinparcial

S LL+S

Prieto (2004).Transformacionescristalinasenelmanto

terrestre.:de

los

procesos

anano

escala

ala

dinmica

global.

Macla1,2936.


19/40

Composicin

mineraldel

manto

Olivino 62.6%(vol.)

Ortopiroxeno 25.0%

Clinopiroxeno

2.0%Granate 10.0%

Clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6

b

c M1

M2 M2

M2M2

M2 M2

M2M2

M1 M1M1

M1

M1M1M1

M1

Olivino (Mg,Fe)2SiO4

Ortopiroxeno (Mg,Fe)SiO3

Pir

olita

Granate (Ca,Mg,Fe)3Al2Si3O12


20/40

400 600500 700

Profundidad(Km)

V

elocidaddelasondasssmicas

Discontinuidad

a

410Km.

Discontinuidad

a

660Km.

Qutransformacionessufrenlos

mineralesdelascapasaltasdel

mantoal

incrementarse

la

presin

ylatemperaturaconlaprofundidad?

Olivino 62.6%(vol.)

Ortopiroxeno 25.0%

Clinopiroxeno .0%

Granate 10.0%

P,

T

?

Lazonadetransicindel

mantosuperior


21/40

Unaventanaabiertahaciael

interiorde

la

Tierra

RayosX,

infrarrojo,

visible,etc.

Junta

Diamante

Fuerza

Muestra

Prieto (2004).Transformacionescristalinasenelmanto

terrestre.:de

los

procesos

anano

escala

ala

dinmica

global.

Macla1,2936.


22/40

Cristaloqumicadelas

zonasde

transicin

(i)

(Mg,Fe)2VISiIVO4

HCP

Olivino

(Mg,Fe)2VISiIVO4

CCP

silicatoespinela

7.7%

SiIV OHCP

(Mg,Fe)VI

a

b

a bc

HCP

CCP

silicatoespinela


23/40

Cristaloqumicadelaszonas

detransicin

(ii)

(Mg,Fe)2VISiIVO4HCP

(Mg,Fe)2VISiIVO4

CCP

(Mg,Fe)XIISiVIO3+(Mg,Fe)VIOCCP

Olivino

Espinela

Perovskita perovskita olivino 23%

410Kma1600C

660Kma1700C

SiVI (Mg,Fe)XIIO

(Mg,Fe)2VISiIVO4

CCP

520Km

Espinela

Ferropericlasa


24/40

Cristaloqumicadelaszonas

detransicin

(iii)

(Mg,Fe)2VISi2

IVO6

(Mg,Fe)3VIII[(Mg,Fe)Si]VISi3

IVO12

Ortopiroxeno2

(Ca,Mg,Fe)3VIII[Al2]

VISi3IVO12

Majorita Granate

4 (Mg,Fe)XIISiVIO3Perovskita

400Km

660Km

CaVIII(Mg,Fe)VISi2IVO6

3 (Mg,Fe)XIISiVIO3Perovskita

+ Al2VIO3

Corindn

660Km

Clinopiroxeno

(Mg,Fe)XIISiVIO3CaXIISiVIO3 +

660Km

(Mg,Fe)PerovskitaCa

Perovskita

Solucinslida


25/40

Constitucinvolumtricadelmanto

Olivino

Espinela

Espinela

Ortop

iroxeno

Gra

nate

Majorita

Perovskita

Cpx

(Mg,Fe)O Al2O3

100

300

500

700

0.25 0.5 0.75

Fraccinde

volumen

Km

>6.5%

12%

Mantosuperior

Zonadetransicin

Mantoinferior


26/40

Cruzalaconveccinladiscontinuidad

delos

410

Km?

Olivino

Espinela

Olivino

Espinela

T

P

410 Km

370 Km

1600 C1000 C

Efectodelatransicinexotrmica

olivinoespinelaenlasubduccin

deunaplaca:Incrementodela

velocidaddel

descenso


27/40

Cruzalaconveccinla

discontinuidadde

los

660Km?

Tomografa

ssmicaVS

Tomografa

ssmicaVp

Tomografa

ssmicaVS

2700Km

2700Km

660Km

660Km

http://www.whoi.edu/oceanus/viewImage.do?aid=2438&id=5301

Schubert,Turcotte &Olson (2001)Mantle Convection

inthe Earth and

Planets.

Cambridge

U.

Press.


28/40

-Espinela

Perovskita

T

P

1700 C1200 C

Perovskita

-Espinela

660 Km

690 Km

Avalanchas

en

el

manto?Efectodelatransicinendotrmica

espinelaperovskita enlasubduccin:

retardo,acumulacin

yavalancha


29/40

Unoodosniveles

separadosde

conveccin?

Modelosrealizados

considerando

la

transicindelos660Km

Rojo=caliente Azul=fro

http://www.earthhistory.org.uk/keyconcepts/platetectonics1

Schubert,Turcotte &

Olson (2001)

Mantle Convection in

the Earth and

Planets.

Cambridge

U.

Press.


30/40

DescubrimientodelaPostPerovskita ynueva

visin

de

la

transicin

Manto

Ncleo

PerovskitaPerovskita

PostPerovskitaPostPerovskitaHirose &Lay(2008)Discovery ofPostPerovskite andNewViews

on the CoreMantle Boundary Region.Elements 4,183189.http://www.public.asu.edu/~sshim5/images/mantle_minerals.html


31/40

Chimeneas,avalanchasylareginD

Hirose &Lay

(2008)

Discovery of

Post

Perovskite and

New

views

on the CoreMantle Boundary Region.Elements 4,183189.


32/40

Elcuaternario

ylos

impactos

antrpicos

desde

la

Gran

Explosin

hasta

el

presenteyloqueestporvenir


33/40

Lamineraloga

de

los

2000

(i)


34/40

Lamineraloga

de

los

2000

(ii)

Medioambiente

y

demandas

sociales


35/40

Nano-mineraloga

0.495958300039deci

mili

micro

nano

pico

10-9

1 nm = 10

Angstrom () distancias interatmicas

Micra (m) resolucin de la microsonda electrnica

100 nm = 0.1 m Nano-escala

Imagen TEM de coloides de FeOx

Estructura de un nano-diamante (1.2 nm)

Estructura de una nano-partcula de ZnS (3 nm)

Nano-partculas amorfas de ZnS


36/40

1 m

C

1 m

B

50 m

D

A

Atrapamiento decadmio mediante cristalizacin

de(Cd,Ca)CO3 (aragonito versus

calcita)

Prieto,Astilleros

&

Fernndez

Daz

(2013)

Environmental remediation by crystallization of

solid

solutions.

Elments 9,

195

201.


37/40

Materialesnaturales?

Minerales del cemento:

Cristales de etringita(CaO)3(Al2O3)(CaSO4)332 H2O

Incrustaciones de calcita:CaCO3

La Gran Historia y el concepto de mineral

Alita

Belita

Minerales del cemento:

Al ita: 3CaOSiO2Belita: 2CaOSiO2C3A: 3CaOAl2O3C4AF: 4CaOAl2O3Fe2O3C3A3S: 3CaO3Al2O3SO3etc.

Incrustaciones de estruvita:MgNH4PO46H2O


38/40

Vertederos incontrolados:Reactores minerales?

Escombros decemento y hormign

S h E (2008) A id Mi D i i


39/40

Precipitacinmineralduranteeldrenajecidodeminas:sulfatosyoxihidroxisulfatos

dehierro

yaluminio.

Formacindemineralesporinteraccindesuelos,

acuferosetc.

con

aguas

contaminadas

por

residuos

industriales

Efectos

antropognicos

SnchezEspaa(2008)Acid MineDrainage in

the Iberian Pyrite Belt.Macla10,3443.


40/40

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