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CRECIMIENTO DE CRISTALES EN LA NATURALEZA: MORFOLOGIAS DE
CRECIMIENTO E IMPLICACIONES GENETICAS Por Cristóbal Viedma
Superposición de morfologías de crecimiento en cuarzo ¿Por qué interesa el crecimiento cristalino a un estudiante
de mineralogía? Este
documento constituye el núcleo teórico de una lección del programa de
Mineralogía y pretende aportar una
visión de conjunto de la relación entre los procesos cinéticos del Crecimiento Cristalino y la
morfología cristalina como indicador genético. Que la
morfología expresa la simetría de la estructura es algo que el alumno tiene
asumido. Pero el Cristal es un ser histórico y esta historia no es siempre la
misma para individuos de la misma especie mineral, por lo que la morfología
de diferentes individuos puede presentar características singulares que son
una rica fuente de información genética. El
conocimiento de los Mecanismos de Crecimiento y el relativamente moderno
concepto de Rugosidad Superficial son imprescindibles para descifrar esta
información codificada en la morfología. Los Cristales reales, los Minerales,
presentan características propias que
responden a la cuantificación de la rugosidad, la sobresaturación o al
mecanismo de crecimiento. La relación entre estos parámetros son la base para
la comprensión de lo que mas tarde en el desarrollo del programa, se llamará
"Conducta Mineral". En esta lección se esbozan los fundamentos
teóricos que se ampliaran en sucesivas clases, para dar una visión global de los procesos que
enmarcan la relación morfología-condiciones de crecimiento. Comenzamos
describiendo los diferentes sistemas a partir de los cuales un Cristal puede
crecer y establecemos cuál es el más corriente en la Naturaleza. De este modo
nos centramos en un modelo de crecimiento concreto cuya extrapolación a
medios naturales es inmediata. Seguidamente recordamos los mecanismos de
crecimiento, ya estudiados, para relacionarlos con la rugosidad de superficie
y su repercusión en la morfología
cristalina. Por
ultimo establecemos que la
"historia cristalina" no es siempre lineal sino que puede
ser fluctuante y cada episodio
histórico tiene su reflejo morfológico que se expresa en una superposición de morfologías ,
"morfologías internas", cuya lectura es el relato pormenorizado de
las vicisitudes soportadas por el cristal que están íntimamente imbricadas en
la historia geológica regional. Introducción Tradicionalmente
los manuales de Mineralogía tratan el origen de los minerales con una descripción
de los eventos geológicos que intervienen en la formación de los yacimientos
y con la caracterización termodinámica y la físico-química de los sistemas
naturales para los cuales los minerales son fases de este sistema. Pero
cualquier individuo mineral no solo tienen
las características propias de su especie, sino que como individuos
presentan singularidades (defectos, impurezas, morfologías…) que les
confieren una identidad exclusiva como tales individuos. Por eso
la Mineralogénesis podemos clasificarla en :
FILOGENIA MINERAL MINERALOGENESIS
ONTOGENIA MINERAL La
Filogenia Mineral estudia las especies Minerales y su paragénesis, mientras
la Ontogenia Mineral estudia el proceso de formación de los individuos de la
especie. El
estudio de la Ontogenia Mineral implica, entre otros temas, el estudio de la
Morfología y sus implicaciones genéticas. En efecto, la gran variedad
morfológica que un Cristal puede presentar no puede ser justificada
atendiendo únicamente a su estructura. Un Cristal-Mineral crece a partir de
un núcleo microscópico hasta alcanzar la morfología que macroscópicamente
presenta. El proceso de crecimiento se realiza en las caras del Cristal, es decir en la frontera
o interfase entre el cristal que crece y el medio que le rodea y a partir del
cual se “nutre”. Las características de esta frontera y las condiciones de
crecimiento (sobresaturación, temperatura, composición del medio etc.)
influyen poderosamente en la morfología que el Cristal adquiere y son
factores a tener en cuenta, junto a la estructura, para explicar las
diferentes morfologías que una misma especie mineral puede presentar. Es
decir, que podemos hacer una primera aproximación teórica y prever la
morfología de un Cristal en base solamente a criterios estructurales: seria
la morfología de equilibrio que en realidad
solo se puede observar en experimentos muy precisos que anulen la influencia
de otros muchos factores. Si
junto a los criterios estructurales se tienen en cuenta la influencia de las
condiciones de crecimiento, la morfología resultante seria la morfología de crecimiento. Por
último, si el Cristal a lo largo de su historia sufre un proceso de
disolución parcial, generalmente selectiva, este evento quedará reflejado en
lo que se llama morfología de disolución. Por
tanto, las morfologías de crecimiento y de disolución encierran una valiosa
información genética que cuenta la historia y vicisitudes por las que el
cristal ha pasado, siendo posible dilucidar, a partir de ellas, parámetros
tan interesantes como el mecanismo de crecimiento o las condiciones
físico-químicas presentes en el proceso de su formación. La
Cristalografía mediante la Teoría del Crecimiento Cristalino nos da las
claves que permiten relacionar la presencia de defectos y morfologías en los
Minerales con las causas termodinámicas y cinéticas que los generan. Para
ello se hacen experimentos de cristalización bajo condiciones de crecimiento
controladas, en los que se generan variaciones morfológicas, defectos
cristalinos etc. que son fácilmente extrapolables a sistemas semejantes que
se producen en procesos naturales. ¿Cómo crecen los cristales en la naturaleza? El
proceso de cristalización puede presentarse a partir de sistemas diferentes
que comportan mecanismos distintos y que están perfectamente modelizados. Veamos
cuales son estos modelos y cuál de ellos se ajusta mejor a los procesos que
ocurren en la naturaleza, o dicho de otro modo, cómo crecen los cristales en
la naturaleza. El
crecimiento cristalino podemos dividirlo en los siguientes modelos: Crecimiento sólido-sólido o recristalización, el sólido
inicial y final tienen la misma estructura cristalina y la misma composición
química. Solo se produce un incremento de tamaño de grano a través de
movimientos de borde de grano. Esto ocurre cuando se activa la energía que
encierra todo borde de grano mediante estimulación térmica. No hay líquido
alguno en el borde de grano sino reajustes de dislocaciones. Se produce una
distribución equidimensional de los granos. Ejemplos en la naturaleza lo
serian el Mármol creciendo a partir de la Caliza, o la Cuarcita a partir de
las Areniscas. Pero salvo estos casos, su uso es muy restringido en la
naturaleza. Los
cristales que crecen en medios metamórficos o metasomáticos no pueden ser
tratados como un caso de cristalización sólido-sólido ya que los materiales
iniciales y finales son diferentes. En estos procesos los componentes
solventes, como elementos volátiles, pueden jugar un papel importante en el
crecimiento cristalino y los procesos son similares a los tipificados en el
crecimiento en solución. Cristalización líquido-sólido: en este tipo de cristalización
existe una reorganización de las estructuras, una abrupta transición de fase,
de una fase desordenada o con orden a corta distancia, propia de un líquido,
pasamos a otra ordenada, a un Cristal. El tipo de proceso y la fuerza
impulsora que genera la cristalización dependerá del todo de la fase liquida.
De este modo podemos tener: a) Crecimiento a partir de solución La fase
fluida es diluida y los átomos que van
a formar el Cristal están dispersos en el liquido, es fundamental, por tanto,
el transporte de masa para que nuclee y crezca el Cristal. El
crecimiento de Cristales en medio hidrotermal y en solución acuosa a baja
temperatura, en medio superficial o sedimentario, son ejemplos de crecimiento
cristalino a partir de solución en que el agua es el componente solvente
mayoritario. b) Crecimiento a partir de un fundido La fase
liquida está muy condensada lo que impide un transporte eficiente de la
materia en su seno. Por otra parte, en este caso, el fundido y el Cristal que
crece tienen casi la misma densidad y similar distancia interatómica con lo
que tampoco es necesario un gran transporte de materia. En estas condiciones
es la transferencia de calor quien juega un papel importante en el proceso de
cristalización. Este
tipo de crecimiento está ausente en cualquier proceso geológico. El
crecimiento de Minerales en magmas, no es un crecimiento a partir de fase
fundida ya que los magmas son sistemas multicomponentes y se requiere la
transferencia de masa lo que le sitúa en un contexto de crecimiento de
cristales a partir de solución de alta temperatura. Aunque
el transporte de masa y calor se combina en cualquier tipo de crecimiento cristalino,
podemos decir que la transferencia de calor es esencial en el crecimiento en
fundido, mientras que la transferencia de masa es esencial en solución. c) Crecimiento a partir de vapor Tiene lugar
en al naturaleza: pensemos en la formación de Minerales pegmatíticos,
fumarolas o drusas. Pero al cristalizar a temperaturas supercríticas siempre
hay una interacción sólido-liquido, mas débil que en agua y que en soluciones
a alta temperatura pero suficiente como para contemplar este crecimiento como
un intermedio entre el crecimiento en solución acuosa y el crecimiento puro a
partir de vapor. Resumiendo: En la cristalización natural el proceso más
extendido e importante es el crecimiento cristalino
en solución. El crecimiento por un fundido
no existe y el crecimiento sólido-sólido está
muy restringido. El crecimiento a partir de vapor
tiene un carácter cercano al crecimiento en solución. Por
todo esto el modelo experimental y teórico idóneo para la interpretación
genética de los Minerales es el proporcionado por el crecimiento
cristalino a partir de solución y a él nos remitimos. Nucleación y crecimiento Si la
Morfología de Crecimiento o Disolución que presenta un Cristal es el
resultado de la historia del mismo, su comprensión tiene también que venir
ligada a la comprensión de esa historia. Es decir debemos recomponer cómo se
produjeron los procesos de nucleación
y crecimiento cristalino. Un
cristal se genera a partir de una solución que está sobresaturada.
Sobresaturada significa que la solución contiene en su seno una concentración
de soluto (sustancia a cristalizar) C mayor que las concentración Co que seria la
concentración de equilibrio para la misma temperatura. Es decir: En esta
ecuación Para
que la nucleación del Cristal tenga lugar se debe vencer una barrera
energética, por lo que A)
Nucleación homogénea: se
produce en el seno de la solución y se genera por la interacción entre las
moléculas, átomos o iones que formaran el Cristal. Normalmente se necesita un
valor B)
Nucleación heterogénea: la
nucleación de la fase sólida se produce sobre un sustrato presente en el
medio de cristalización, lo que reduce la sobresaturación crítica Crecimiento cristalino La
superficie de un cristal presenta un paisaje atómico que podemos modelizar
(figura 1) con las posiciones atómicas 1, 2, 3, 4 y 5 que presenta la cara
(100) de una red cúbica primitiva.
Fig. 1: Paisaje atómico de una cara cristalina de una cara
cristalina con posiciones atómicas más o menos favorables en el crecimiento. En una
solución sobresaturada la incorporación de una unidad de crecimiento
cristalina (átomo o molécula) a cualquier posición de la superficie implica
una transición energética que depende del balance entre el número de enlaces
que se establecen en la unión y los
que quedan sin saturar. De este modo, en nuestro modelo, las posiciones mas
rentables energéticamente serán la 5 y 4 ya que saturan mas enlaces de los
que crean (5 y 4 frente a 1 y 2 respectivamente). Sin embargo estas
posiciones carecen de importancia en el crecimiento cristalino al agotarse en
sí mismas. Las posiciones 1 y 2 son muy inestables y energéticamente no
viables al saturar menos enlaces de los que generan. La posición 3, llamada
de rincón, es la de mayor importancia para el crecimiento puesto que al
tiempo que energéticamente es viable
al no crear mas enlaces de los que satura, tiene la particularidad de repetir
la configuración preexistente. Esto permite que continúe el proceso de
crecimiento hasta completar la capa de esta cara cristalina. Pero… ¿Qué
sucederá cuando se complete la capa y por tanto se agoten los rincones? Es
necesario que sobre la superficie del cristal, ahora lisa, se generen nuevos rincones o escalones para que
continúe el crecimiento. Esto se consigue mediante una nueva nucleación
bidimensional o heterogénea sobre la superficie de la cara cristalina para
volver a repetirse el proceso de incorporación de átomos o moléculas descrito. Este modelo de crecimiento cristalino fue propuesto por
Volmer, Kossel y Stranski y se denomina como mecanismo V.K.S. Pero
para que se genere la nucleación bidimensional heterogénea sobre la cara del
cristal que crece, es necesario, un cierto valor de sobresaturación
Fig. 2: Dislocación helicoidal. El
tratamiento que hemos hecho de la interfase Cristal-Solución, es decir la
cara cristalina, puede resumirse diciendo que esta se transforma de lisa a rugosa
al aumentar la sobresaturación y que el tipo de crecimiento dependerá de la
rugosidad que presente la cara. En caras relativamente lisas el crecimiento
se producirá o bien mediante el consecutivo crecimiento de capas cuyos
escalones o rincones se renuevan mediante nucleación bidimensional (V.K.S), o
bien mediante el crecimiento en espiral (B.K.F.) que genera escalones en el
propio proceso de crecimiento. A un determinado nivel de sobresaturación
Fig. 3: Cara cristalina totalmente rugosa. El crecimiento se
produce en toda ella al mismo tiempo. Por tanto
es una tarea importante cuantificar la rugosidad de la superficie de un
cristal para prever los mecanismos de
crecimiento que van a actuar y predecir, a partir de estos datos, las morfologías cristalinas que pueden generarse. Evaluación de la rugosidad superficial Para
evaluar la rugosidad superficial, se aplica el concepto de factor
Donde L es el calor latente de evaporación, K la
constante de Boltzmann, Esta
ecuación generalizada para sistemas reales de crecimiento en solución se
expresa: Donde Jackson
demostró que sustancias con El
término
Fig. 4: Un mismo cristal creciendo con diferentes
sobresaturaciones distribuidas en diferentes caras cristalográficas. Esto quiere
decir que todos los tipos de crecimiento que hemos descrito pueden estar
operando, a un mismo tiempo, sobre un mismo Cristal y bajo las mismas
condiciones. Una primera consecuencia de este fenómeno es que el desarrollo
de las caras del mismo cristal se produce a diferente velocidad de
crecimiento, entendiendo por velocidad de crecimiento el espesor adquirido
por las caras en unidad de tiempo. Esta
diferencia en el crecimiento de las caras hace que las más lentas se
mantengan e incluso se hagan más grandes frente a las caras de desarrollo mas rápido que se hacen más
pequeñas y pueden desaparecer (figura 5).
Fig. 5: Cambio morfológico en un cristal debido a la desaparición
de caras. A su vez, dicha desaparición de caras es provocada por la diferente
velocidad de crecimiento de cada una de ellas. De este
modo se pueden generar morfologías diferentes en el proceso de crecimiento
por la aparición y desaparición de caras cristalograficamente diferentes, o
bien por el desarrollo desigual de las mismas caras cristalográficas (figura
6).
Fig. 6: Cambio morfológico debido al desarrollo anisótropo de
caras equivalentes. Vemos
pues que la anisótropa distribución de la rugosidad en las caras cristalinas
conlleva a morfologías que pueden cambiar cuando el cristal sufre una
modificación en sus variables ambientales que provocan una nueva distribución
de la anisotropía rugosa y las sobresaturaciones críticas y por tanto a una
variación en al relativa velocidad de las caras. Esta es una de las causas de
que un mismo mineral presente morfologías diferentes en medios distintos. Otro
fenómeno típico de esta anisótropa distribución de la rugosidad y
sobresaturación entre caras cristalograficamente diferentes, en caso mas
extremos, es la aparición de Estructuras Sectoriales. Las
Estructuras Sectoriales aparecen por la anisótropa distribución de las
impurezas que el Cristal atrapa en el curso del crecimiento. El atrapamiento
de las impurezas tiene compromisos
termodinámicos y cinéticos. Desde el punto de vista cinético las impurezas
tienen más posibilidades de quedar atrapadas en caras con mayor rugosidad
donde encuentran más “rincones” o “huecos” para ser englobadas. La anisótropa
distribución de la rugosidad en las caras de un Cristal quedará reflejada en
al distribución de las impurezas, presentando aspectos como el de la figura
7.
Fig. 7: Modelo de estructura sectorial. Este
tipo de morfologías aparece frecuentemente en el Yeso al incluir arcilla en
el proceso de su crecimiento o en al Quiastolita al englobar impurezas como
el Grafito. El anómalo pleocroismo del cuarzo ahumado es visto como un
reflejo de la anisótropa distribución de las impurezas en caras con velocidad
de crecimiento diferente, es decir con rugosidad distinta. El efecto Berg: anisotropía de la sobresaturación en una
cara cristalina El
efecto Berg hace referencia a la observación experimental realizada por
métodos interferometricos por varios autores, en que se pone de manifiesto
que la sobresaturación que existe
sobre una misma cara cristalina es irregular: los bordes de la cara
presentan una sobresaturación mas alta que el centro de la misma, y entre
ambos puntos existe un gradiente de sobresaturación. Del
mismo modo que la anisótropa distribución de la rugosidad entre las
diferentes caras del mismo cristal genera cambios morfológicos importantes,
la anisótropa distribución de la sobresaturación sobre una misma cara
cristalina produce efectos morfológicos también relevantes. En
estas condiciones cabe preguntarse cómo un Cristal poliédrico puede crecer de
un modo estable y uniforme si sobre la cara no existe una distribución
uniforme de la sobresaturación, y hay lugares, los bordes, que con una
sobresaturación mas alta favorecen el crecimiento. Chernov
sugiere que la densidad de los escalones de crecimiento es también irregular,
siendo más numerosos en el centro que en los bordes de la cara. De este modo
se compensa la diferencia de sobresaturación sobre la cara: a mas
sobresaturación menos escalones con lo que el grado de crecimiento (o
coeficiente cinético) R para toda la cara se mantiene uniforme. Chernov
define el coeficiente cinético como:
Donde Existe,
sin embargo, un valor crítico para el coeficiente cinético a partir del cual
se pierde su capacidad reguladora y se produce una perdida catastrófica de la
estabilidad en el crecimiento de cara del cristal. Rugosidad de superficie y morfología cristalina La
figura 8 refleja la relación que existe entre los niveles críticos de
sobresaturación, la rugosidad superficial, el mecanismo de crecimiento y
algunas morfologías tipo.
Fig. 8: Relaciones entre sobresaturación, rugosidad superficial,
mecanismo de crecimiento, y morfologías tipo. Cuando
un Cristal crece por debajo de En la
región comprendida entre Por
encima de Un
nuevo aumento de la sobresaturación, hace que el coeficiente cinético R
sobrepase su valor máximo y pierde el carácter regulador que ejerce sobre la
diferencia de sobresaturación entre extremos y centro de la cara del cristal
y no es posible ya el crecimiento de la cara como un todo. Las morfologías
que obtendremos son características de muy altas sobresaturaciones. Aparecen
cristales radiales que se generan a partir de un centro que sirve como punto
de nucleación formándose un agregado de cristalitos en forma de aguja:
morfología esferulitica. Otras morfologías características de alta
sobresaturación son las Dendritas, máximo exponente del efecto Berg, y el
crecimiento cuarteado o "Split
Growth". El
"Split Growth" hace referencia
al desarrollo de los bloques que constituyen al Cristal mosaico como
individuos cristalinos. Este fenómeno normalmente se inicia en los extremos
del Cristal formándose inicialmente un agregado que va tomando forma de
gavilla o haz para terminar como un esferulito (figura 9).
Fig. 9: Formación de esferulitos a partir de la nucleación sobre
un centro (a,b) y a partir del proceso de “split growth” (c). Es muy
común en los Minerales formados en rocas volcánicas de rápido enfriamiento.
El "Split Growth" es el
mecanismo principal por el cual algunos Minerales forman agregados reniformes
como la Malaquita, la Gohetita o la Calcedonia. Resumiendo
y tal como refleja la figura 8, al crecer el valor de Fluctuaciones de las condiciones de crecimiento y
superposición morfológica Cuando
un cristal crece en un sistema abierto sometido a cambios continuos en sus
condiciones, estos cambios vendrán reflejados en las morfologías internas. En la
naturaleza se producen frecuentemente drásticos cambios en las condiciones de
crecimiento a través de procesos como la emersión de magmas, la descarga de
componentes volátiles de un magma por erupciones fumarolicas, mezclas de un
magma con otro o contaminaciones con fragmentos de roca del entorno. Otros
sistemas también abiertos como las soluciones salinas, presentan grandes
variaciones físico-químicas con la alternancia día-noche o cambios
estaciónales. Estas fluctuaciones dejan huella en la morfología interna de
los cristales que crecen constituyendo un autentico registro de la evolución
ambiental durante el proceso de crecimiento. En un
sistema cerrado el crecimiento de los cristales provoca la descarga de la
solución y por tanto la sobresaturación disminuye. Durante el proceso de
crecimiento un cristal pasa por diferentes niveles de sobresaturación lo que
implica diferentes mecanismos de crecimiento y por tanto una variación
morfológica (Fig. 10).
Fig. 10: Fluctuaciones ambientales y repercusión morfológica. Un
Cristal que nuclea por encima de Un
Cristal que crece en condiciones por debajo de Si las
condiciones del sistema vuelven a cambiar, y este mismo cristal que crece con
gran rugosidad, es vuelto a poner en condiciones por debajo de
Fig. 11: Estructuras sectoriales que indican una variación en la
velocidad relativa de crecimiento de las caras. Fluctuaciones
de este tipo, y en ambos sentidos, del sistema, producen cristales con morfologías
bandeadas y con inclusiones en los planos que separan las bandas de
diferentes condiciones de crecimiento. Las
Estructuras Bandeadas o "Zonado" se produce en los cristales por
varios mecanismos. O bien por una variación química del centro al perímetro
del Cristal, que es el típico Zonado en terminología Petrológica, y que
indica cambios en la temperatura y las condiciones de presión así como una
evolución química del Liquido Madre. O bien por cambios en la densidad de
defectos, densidad de inclusiones, propiedades ópticas, color etc. que pueden
o no estar asociados a cambios químicos. Todo esto está asociado a cambios
alternativos en el grado de crecimiento y representan la forma externa de los
Cristales en estadios sucesivos durante su historia que está por tanto
influenciada por la cinética de crecimiento. Típicas Estructuras Zonadas la
presentan muchos Minerales, siendo muy común y llamativas en las Turmalinas o
en el Apatito. Cuando
el Cristal pasa por un estadio de subsaturación, se disuelve parcialmente y
adopta una morfología redondeada. Otras veces esa disolución es muy débil y
ataca solo la emergencia de dislocaciones en las caras del Cristal
presentándose figuras de "corrosión" que refleja a menudo la
simetría cristalina. Un ejemplo típico son los triángulos de disolución que
suelen presentar algunos Diamantes al sufrir un débil proceso de disolución
en la emersión de su roca encajante. Ante un
nuevo crecimiento, las caras redondeadas se vuelven a transformar en
superficies planas y lisas, quedando una cicatriz, testigo del proceso que a
menudo contiene inclusiones. Referencias CHERNOV, A. A.; (1984). "Modern Crystallography
III. Cristal Growth". Springer-Verlag.. Berlin. GRIGORIEV, D. P. (1965). "Ontogeny of
minerals". Israel Program for Scientific traslations. Jerusalen. SUNAGAWA, I. (edit). (1984). "Materials Science
of the Earth's". Terra Scientific Publishing Company. Tokyo. SUNAGAWA, I. (edit). (1987). "Morfology of
Crystals". Terra Scientific Publishing Company. Tokyo. VIEDMA MOLERO
C. (1989). "Transferencia de masa y criterios onto-morfogenéticos en
sistemas difusivos finitos. Aplicación a la síntesis de yeso en gel de sílice
y agar-agar". Tesis Doctoral Universidad Complutense. Madrid. |
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