UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

LABORATORIO AREA GEOTECNIA

GEOTECNIA I

Los minerales EN INGENIERIA

1 GEOLOGIA PARA INGENIEROS

Carreras de Ingeniería Civil e Ingeniería Ambiental Versión 4.0 – Marzo de 2016

INTRODUCCION

Los minerales son sustancias inorgánicas formadas por procesos naturales en la corteza terrestre, caracterizados por propiedades físicas constantes y composición química definida.

MINERALES: Cristales de Cuarzo

Existen cerca de 2000 especies minerales conocidas, pero sólo 100 de ellas son comunes y alrededor de 20 son muy abundantes. Entre unos pocos (menos de 10), constituyen nada menos que el 99 % de las rocas. Esta realidad se explica por la abundancia relativa de los elementos químicos en la corteza terrestre, donde el oxígeno es absolutamente Domi-nante tanto en peso como en volumen y el silicio y el aluminio son los únicos elementos electro-positivos presentes en proporciones mayores al 10 % en peso.

Más del 99% en peso de la porción sólida exterior de la Corteza terrestre está constituida por solo ocho elementos químicos. De esto se deduce que los minerales más comunes sean compuestos oxigenados de silicio, aluminio, hierro, magnesio, calcio, sodio y potasio.

1 Publicaciones Digitales de la Cátedra de acceso libre en plataformas públicas. Ciclo lectivo 2016. Abril, E.G. (2016). Los minerales en ingeniería. Geotecnia I: Geología para Ingenieros. Carreras de Ingeniería Civil e Ingeniería Ambiental. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. Córdoba, Argentina. Versión Digital V 4.0 (marzo de 2016).

La mayoría de los minerales son sólidos, a la temperatura y presión ordinarias, a excepción del mercurio que se solidifica a aproximadamente -40oC. El agua constituye también un mineral, dado que posee las características de la definición. Los constituyentes inorgánicos de los cuerpos cósmicos, meteoritos, etc. se designan como minerales extraterrestres, a pesar de que otras definiciones más amplias de minerales los incluyen directamente. Las sustancias cristalizadas obtenidas artificialmente en laboratorios o procesos industriales se denominan minerales artificiales. El origen de los minerales

Los minerales se originan de maneras diferentes, en función del sitio donde se generan y los procesos que se verifican en ellos:

a) por enfriamiento de sustancias fundidas, por ej.: la cristalización de los minerales que componen las rocas magmáticas al enfriarse el magma (cuarzo, feldespatos, micas).

b) por precipitación de sustancias en solución, ej.: la halita (ClNa) o sal

común, que precipita cuando las aguas cargadas de sales solubles son evaporadas.

c) por condensación de vapores: ciertos volcanes emanan gases y vapores

ricos en azufre que al enfriarse se condensan depositando cristales de ese elemento.

SISTEMAS CRISTALINOS ___________________________________________________________

NOMBRE DESCRIPCION ___________________________________________________________

Cúbico a = b = c α = β = γ = 90o

Hexagonal a = b = d ≠ c d y ε lados α = β = ε = 90o y ángulos

γ = 120 o adicionales

Tetragonal a = b ≠ c α = β = γ = 90 o

Rómbico a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90 o

Monoclínico a ≠ b ≠ c

β = γ = ▶= 90 o

Triclínico a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ___________________________________________________________

Los cristales minerales

El tamaño de los cristales varía desde microscópicos hasta de varios metros de longitud. Ellos crecen a partir de ciertos gérmenes, invisibles al microscopio, formados por dos o tres paralelepípedos elementales y ejerciéndose el crecimiento de nuevos paralelepípedos por adición. Raras veces se observan en la naturaleza cristales con su forma externa correspondiendo a su estructura atómica. Esto se debe a que para ello necesitan un espacio y condiciones de libertad que no se dan frecuentemente. Los que más comúnmente se presentan son los agregados cristalinos, que son reuniones de individuos con límites irregulares. Las formas de los agregados son muy variadas, por ejemplo: fibras, láminas, bastones, gránulos, etc. Estructuras minerales y propiedades

Los minerales están formados por componentes electropositivos y electronegativos, repetidos indefinidamente. Estos pueden ser átomos solitarios con carga eléctrica (iones) o grupos atómicos con carga eléctrica (radicales) combinados de una forma simétrica y regular. Se dice que una sustancia es cristalina cuando los átomos que la forman están dispuestos ordenadamente y separados por distancias interatómicas constantes. Por contraposición, una sustancia amorfa presenta un desorden en su disposición atómica, con distancias interatómicas variables. Los cristales son sustancias minerales en estado cristalino cuya forma exterior expresa el orden geométrico en que se hallan distribuidos sus átomos. Son cuerpos poliédricos regulares, formados por caras, aristas y vértices. Todo mineral se forma con átomos definidos y en proporciones definidas lo cual se expresa en su fórmula; a su vez, estos átomos se ordenan en el espacio de una manera única y definida.

CRISTALES: Cuarzo hialino (cristal de roca)

Todos los minerales responden a una composición química y a una estructura cristalina que les son característicos y se manifiestan en propiedades químicas, físicas y geométricas que permiten su identificación. Las propiedades se relacionan con el ordenamiento y el tipo de empaquetamiento de los átomos y la resistencia de los vínculos químicos entre átomos individuales.

El ordenamiento regular significa puntos imaginarios que caen en los vértices de celdas de paralelepípedos igualmente imaginarias. Girando estas celdas, se llenan todos los espacios y los vértices definen un sistema de coordenadas al cual los átomos de la estructura están relacionados en forma regular. Los cristales poseen caras, aristas y vértices simétricamente colocados con respecto a los ya citados planos, líneas o puntos situados idealmente en el interior del cristal.

Eje de simetría. Es la recta ubicada de tal manera que en un giro a su alrededor un cristal toma dos o más veces posiciones análogas.

Plano de simetría. Es el plano ubicado en el interior del cristal y que divide a éste en dos partes tales que una de ellas se comporta con respecto a la otra como un cuerpo y su imagen especular.

Centro de simetría. Es el punto interior de un cristal situado de tal manera que cualquier recta que pase por el, encuentra en sus extremos, a igual distancia, la superficie externa del cristal.

CRISTALES

ELEMENTOS DE SIMETRIA

EJES DE SIMETRIA

PLANO DE SIMETRIA

SISTEMAS CRISTALINOS MINERALES

CENTRO DE SIMETRIA

Sistemas cristalinos Estudiando los elementos de simetría de los cristales, estos se pueden

dividir en 6 sistemas, de acuerdo con la cantidad y disposición de caras, vértices y aristas: Cúbico o Isométrico, Tetragonal, Rómbico, Exagonal, Monoclínico, y Triclínico. SISTEMAS CRISTALINOS CUBICO TETRAGONAL ROMBICO

EXAGONAL MONOCLINICO TRICLINICO

ELEMENTOS DE SIMETRIA DE LOS CRISTALES

a b c a: -x +x b: -y +y c: -z +z α β γ

Ejes cristalográficos en la orientación convencional Direcciones en coordenadas ortogonales Angulos interaxiales

PROPIEDADES DE LOS MINERALES Propiedades físico-mecánicas de los minerales

Los minerales son cuerpos físicamente homogéneos, anisótropos y discontinuos por lo menos para una de sus propiedades. Un cuerpo se dice homogéneo cuando es igual y uniforme en todas sus partes, e isótropo, cuando todas sus propiedades físicas se manifiestan con la misma intensidad. Inversamente, un cuerpo es anisótropo cuando el valor o medida de alguna de sus propiedades físicas varía con la dirección. Finalmente, la discontinuidad de un

cuerpo se expresa mediante la presencia de superficies a través de las cuales las propiedades del mismo varían bruscamente. Las propiedades físicas de los minerales son muy importantes para la utilización de los mismos, permitiendo igualmente su identificación. Las principales características para la ingeniería son: dureza, fractura, peso específico, estabilidad (reacción con gases y/o líquidos de uso común o cambios térmicos). Otras propiedades son las magnéticas, térmicas, habito, densidad y transparencia. Una propiedad menos significativa y no diagnóstica es el color.

Dureza: es la resistencia de un mineral a la abrasión. Comúnmente, se mide en comparación con materiales de dureza conocida. La escala de Mohs presenta 10 minerales que pueden ser usados como referencia. En la tabla, se presenta esta escala, complementándola con otros materiales o elementos comunes para la determinación de su dureza. DUREZA DE LOS MINERALES

En la práctica, es corriente asignar a un mineral desconocido un límite inferior y uno superior de dureza, comparando con materiales conocidos, por ejemplo: la fluorita no es rayada por una moneda de cobre, pero sí por una hoja de cuchillo. Se debe tener cuidado con rayar sobre grietas o pátinas de cobertura del mineral, porque los resultados no serán válidos. Generalmente, se raya el mineral más blando con el más duro, efectuando una incisión de al menos 1mm de profundidad. Posteriormente, la experiencia debe ser repetida, rayando inversamente uno con otro dado que, si son de igual dureza, pueden rayarse ambos o ninguno.

Fractura: Los minerales se rompen en una forma característica. Algunas fracturas producen superficies irregulares o lisas y pulidas (ejemplo: la fractura concoidea del ópalo).

ESCALA DE DUREZA DE MOHS

La estructura interna de los minerales, es decir, el arreglo de los átomos en los mismos, suele ser tal que se producen superficies paralelas de baja cohesión a una periodicidad de unos pocos diámetros atómicos, generándose rupturas planares llamadas clivaje. El clivaje consiste en entonces en un plano de debilidad según el cual un cuerpo cristalino puede ser dividido en láminas o partículas según ciertas direcciones. La cohesión de un mineral se refiere a la resistencia que opone a ser dividido en partículas.

CLIVAJE En los minerales pueden presentarse uno, dos, tres o mas direcciones de clivaje, o bien ninguna. La presencia de estos planos de rotura fácil y la perfección y orientación de los mismos es extremadamente útil para la identificación del mineral.

CLIVAJE El clivaje puede ser muy perfecto, perfecto, o imperfecto, según sean más o menos lisas o irregulares las superficies que lo forman. Ejemplos: la mica tiene un clivaje muy perfecto, el de los feldespatos es perfecto y el de la turmalina es imperfecto.

Peso específico. Es la relación existente entre el peso del mineral y el peso de un volumen igual de agua, a 4 grados centígrados que desplaza al ser introducido en ella. Se lo puede obtener mediante la balanza hidrostática, pesando primero el mineral en el aire y luego sumergido en agua.

Se aplica la fórmula: P1 Peso específico = __________ (P1 - P2) Siendo:

P1 el peso del mineral en el aire P2 el peso del mismo en el agua

BALANZA HIDROSTATICA

El peso específico puede ser también determinado mediante el método del picnómetro. Esta propiedad es constante o, si varía, lo hace entre límites muy estrechos cuando el mineral tiene una composición química fija. Por ello, conocer el peso específico es muy importante en la determinación de las distintas clases de minerales. El peso específico de los minerales varía entre 1 y 21,46. En la mayoría de los casos, no obstante, tiene un valor entre 2 y 7. Físicamente, el peso específico representa la relación entre el peso de los sólidos secos del mineral y su volumen.

FORMAS DE FRAGMENTOS TIPICOS Y CLIVAJES

Direcciones de clivaje

Fragmento característico

Ejemplo

0

CUARZO

1

MUSCOVITA

2

AUGITA

2

ORTOCLASA

3

HORNBLENDA

3

HALITA

3

CALCITA

3

ANHIDRITA

4

FLUORITA

6

ESPALERITA

Propiedades ópticas Color. Es el efecto combinado de sus constituyentes y su ordenamiento, impurezas químicas e imperfecciones cristalinas. Como regla general, los minerales de color oscuro no sufren cambios debido a impurezas e imperfecciones, que si son muy importantes en los minerales claros. La cantidad de impurezas no necesita ser muy grande, a veces menos del 1% de hierro da un color muy acentuado. El color debe ser determinado siempre en superficies frescas sin alteraciones o pátinas que encubran el verdadero. Raya. Es el color del material en polvo y es mucho más constante que el color del volumen total. Se ensaya mediante un plato o pieza de porcelana blanca no vidriada sobre el cual se pulveriza una parte del mineral o bien rayando la misma con el mineral con la finalidad de obtener el polvillo.

Brillo. Cuando la luz se refleja sobre la superficie de un mineral, ésta puede tomar un aspecto brillante. Básicamente, el brillo puede ser de dos tipos: metálico y no metálico, correspondiendo el primero a un mineral de apariencia de metal. El brillo no metálico puede ser de varias clases:

Vítreo: cuando la superficie brilla de manera semejante a la del vidrio. Ej.: el cuarzo y muchos feldespatos.

Resinoso: cuando es semejante a la resina típica que presentan algunos árboles. Ej.: como en el oropimente, el azufre, etc.

Perlado o nacarado: frecuente en muchos minerales de clivaje perfecto es consecuencia de la reflexión total de la luz debido a la presencia de delgadas capitas de aire interpuestas entre las láminas paralelas del cristal. Ej.: la calcita, la mica, yeso, baritina.

Graso: aspecto del aceite, característico de los minerales con fractura concoidal. Ej.: el granate, ópalo, olivino, algunos cuarzos.

Adamantino: con la apariencia del diamante, con refulgencias y variaciones de intensidad según el ángulo de visión Ej.: cerusita, blenda.

Sedoso: con el aspecto de la seda; característico de los agregados cristalinos fibrosos. Ej.: talco, asbesto, yeso fibroso, zeolitas.

Sacaroide: propio de algunos agregados de grano fino. Ej.: los mármoles.

Transparencia. Un mineral es transparente cuando deja pasar los rayos luminosos, visualizándose los objetos a su través; el mineral es opaco si los refleja y es traslúcido si permite el paso de la luz sin poder distinguirse los objetos (semejante a un vidrio esmerilado) Hábito. Es la forma externa más comúnmente asumida por los agregados minerales. Recordemos que los agregados minerales responden al crecimiento cristalino cuando tiene limitaciones, que es el caso más frecuente (espacio y condiciones suficientes de libertad como para permitir el crecimiento de los cristales). El hábito no es una constante en los minerales porque está sujeto a algunas variables, pero como se puede asociar un hábito particular a cada especie mineral, la visualización de las formas que responden al hábito, y permite su identificación.

HABITOS MINERALES

CRISTALES MINERALES

ASPECTO AGREGADOS MINERALES

ASPECTO

ACICULAR

LAMINAR

TABULAR

FOLIADO

PLUMOSO

CUBICO

BLOQUE

COLUMNAR

PRISMAS

COLUMNAR

LAMINAR

FIBROSO

DENDRITICO

GRANULAR

MASIVO

ESTRELLADO RADIADO

GLOBULAR

BOTROIDAL

RETICULADO

PISOLITICO OOLITICO

BANDEADO

CONCENTRICO

Propiedades magnéticas y eléctricas de los minerales Los minerales que son atraídos por un imán son clasificados como magnéticos. La magnetita (Fe3 O4) y la pirrotina (SFe) son los minerales magnéticos más comunes.

Piroelectricidad. Algunos minerales tienen la propiedad de emitir cargas eléctricas positivas o negativas cuando son calentados, por ejemplo el cuarzo.

Piezoelectricidad. Un mineral es piezoeléctrico cuando se carga al ser presionado, propiedad también notable en el cuarzo. Estabilidad de los minerales Es la capacidad de permanecer sin cambios en presencia de solventes químicos o variaciones térmicas. La mayoría de los minerales son estables pero algunos reaccionan bajo condiciones que suelen presentarse en situaciones imperantes en obras de ingeniería.

Como ejemplos, pueden mencionarse la expansión de los minerales arcillosos en presencia de agua, la oxidación de los sulfuros como la pirita, la transformación de calcita en yeso cuando es expuesta a una atmósfera sulfurosa y la gran solubilidad de la halita y el yeso. La estabilidad en el corto plazo se determina exponiendo el mineral a condiciones predeterminadas por un tiempo apropiado. La reacción del mineral a varios agentes químicos o al calor, con o sin presencia de reactivos, son los ensayos más usados y están listados a continuación. ENSAYOS DE ESTABILIDAD EN EL CORTO PLAZO _______________________________________________________________________ Ensayo Mineral o elemento indicado _______________________________________________________________________ Efervescencia en ClH frío, diluido Carbonatos: calcita Efervescencia en ClH caliente, diluido Carbonatos: dolomita Gelatinización en ClH caliente Silicatos: olivino Magnético, sin calor Magnetita (fuerte)

Pirrotina e Ilmenita (débil) Magnético, después de calentar Hierro Calentamiento en tubo, condensación Agua _______________________________________________________________________ La resistencia de un mineral al intemperismo está ligada a la ley de estabilidad de los minerales que, a su vez, está relacionada con el orden de cristalización que se conoce como Series de Bowen (ver rocas ígneas). Estas series de estabilidad mineral dan un orden de prioridades de descomposición de los minerales. Ello se debe a que minerales formados y estables a altas temperaturas y alta presión cambian sus propiedades, y en parte su composición, cuando llegan a condiciones completamente distintas en la superficie. En estas nuevas condiciones, los minerales son estables en distinto grado y sufren alteraciones que producen minerales estables bajo un nuevo ambiente. El intemperismo o meteorización actúa con mayor intensidad sobre los primeros miembros de ambas series de Bowen, descendiendo dicha intensidad a medida que nos acercamos al cuarzo. Por ello, los minerales ferro-magnesianos prácticamente no se encuentran como material residual en las rocas sedi-mentarias, en cambio, el cuarzo es el elemento residual por excelencia. A continuación, se describe sucintamente la composición y la acción de los agentes atmosféricos sobre los componentes minerales de las rocas:

Cuarzo: Es uno de los minerales de mayor resistencia mecánica debido a su dureza, es asimismo resistente a la alteración por agua de lluvia. Es prácticamente inatacable por los ácidos comunes, pero sí por soluciones alcalinas de sodio.

Calcedonia y ópalo: Su componente es también sílice, pero con cierta ley variable en agua. Son ambos similares al cuarzo, pero son más atacables por soluciones alcalinas. La calcedonia es una variedad criptocristalina del cuarzo y con dureza 7. El ópalo es óxido de sílice amorfo, con dureza entre 5 y 6. Ambos no poseen clivaje.

Feldespatos: Es el grupo más grande de minerales constitutivos de rocas. Entre ellos, se pueden citar:

a) Plagioclasas básicas: (anortita, bitownita, labradorita y andesina). Son alumino-silicatos con mayor porcentaje de calcio que de sodio. Se alteran muy fácilmente por la acción del agua que, en solución, lleva anhídrido carbónico y/o carbonato de calcio ó sodio, dando como resultado minerales arcillosos. b) Plagioclasas ácidas: (oligoclasa y albita). Son aluminosilicatos con mayor porcentaje de sodio que de calcio. c) Feldespatos alcalinos: (ortoclasa, microclino y sanidina). Son alumino-silicatos de potasio. Las plagioclasas ácidas y los feldespatos alcalinos son menos atacables por los agentes atmosféricos que las plagioclasas básicas, pero más atacables por soluciones alcalinas. Por acción de la meteorización, se transforman en minerales arcillosos. En general, todos los feldespatos, al descomponerse en la superficie, producen minerales arcillosos tales como caolín, nacrita, halloysita, montmorillonita, illita, etc. Según el medio en el cual se produce la descomposición, será el tipo de mineral arcilloso formado.

Olivino: Silicato de Fe y Mg. Es atacable por ácidos y aguas con anhídrido carbónico. Se caoliniza y además se forma limonita (óxido de hierro).

Piroxenos: Silicatos de Ca, Mg, Fe y Al. Se transforman en los minerales calcita y limonita.

Anfíboles: Silicatos de Ca, Fe, Mg y Al. Similares en composición y resistencia a los piroxenos. Se transforman en clorita y limonita. Los piroxenos y anfíboles se alteran fácilmente, razón por la cual no se los encuentra en rocas residuales.

Micas: Comprende entre las principales a la muscovita (mica blanca y a la biotita (mica negra). La primera es un silicato hidratado de potasio y aluminio más resistente a la alteración que la biotita (silicato hidratado de K, Al, Fe y Mg). La biotita se altera por acción del agua produciendo clorita y limonita. Ambas se desintegran por la erosión, en hojas muy delgadas debido a sus notables planos de clivaje.

Calcita: Es un carbonato de calcio. Es soluble en agua, especialmente en agua carbonatada. El ataque es mayor en climas húmedos y cálidos.

Dolomita: Carbonato doble de calcio y magnesio. Es menos soluble que la calcita.

Vidrio volcánico: La devitrificación por alteración da lugar a la formación de minerales arcillosos.

Composición química de los minerales Los minerales se agrupan en clases, sobre la base de sus componentes electronegativos. CLASES DE MINERALES SEGÚN SUS COMPONENTES ELECTRONEGATIVOS _______________________________________________________________ CLASE COMP. ELECTRONEGATIVA FORMA DEL RADICAL _______________________________________________________________ Con Oxígeno Oxidos O2- Hidróxidos (OH)- Carbonatos (CO3)2- Triángulo equilátero Sulfatos (SO4)2- Tetraedro Fosfatos (PO4)3- Tetraedro Silicatos (SixOy)n- Tetraedros encadenados Sin oxígeno Sales halógenas Cl-, F-, etc. Sulfuros y sulfosales S2-, As2-, Sb2- _______________________________________________________________ Dado el factor común de haberse formado en presencia de oxígeno, los minerales más abundantes contienen O sólo o combinado con radicales. Unas pocas clases (halógenos, sulfuros, sulfosales) tienen componentes negativos sin oxígeno. Finalmente, un número limitado de elementos nativos tales como el oro, cobre, grafito, etc. se encuentran en la naturaleza sin combinar. Los minerales más comunes son los silicatos, donde un catión (ion con carga positiva) alterna con un radical cargado negativamente, sea silico-oxigenado o silico-alumino-oxigenado. Los ordenamientos posibles son varios y los minerales resultantes muy diferentes en apariencia y propiedades. No obstante, todos tienden a ser duros, mecánicamente resistentes, inertes y de peso específico bajo. La unidad de los silicatos es el tetraedro de O y Si, con carga negativa (SiO4)2-, es decir, un ión silicio empaquetado en el centro de un grupo de cuatro iones oxígeno. Cada ión oxígeno contribuye con una de sus dos cargas negativas a la neutralización de las cuatro cargas positivas del silicio y la carga resultante del grupo tetraédrico es entonces 4 - = Si4++ 4O2- = (SiO)4- Este radical alterna con cationes a fin de neutralizar su carga, por ejemplo el olivino Mg2(Si O4) = Mg2

2++ (Si O)-4 Otros silicatos presentan radicales mucho más complejos, como es el caso de las micas.

Los carbonatos son formados por un radical carbonato (CO3)2- y cationes como Ca2+, Mg2+, o Fe2+. Estos minerales son típicamente solubles, blandos y de bajo peso específico. Otra clase importante de minerales es aquella en la cual el ion O2- y un hidroxilo (OH)- (o ambos) se combinan con cationes, por ej.: la hematita (Fe2O3). Estos óxidos, hidróxidos y óxidos hidratados son a menudo color oscuro, resistentes mecánicamente y químicamente y de elevado peso específico. Minerales de las arcillas Las arcillas son los minerales de principal importancia desde el punto de vista ingenieril.

El término arcilla describe desde un grupo de minerales con tamaño de grano menor de dos micras hasta un conjunto de propiedades.

La importancia de las arcillas se basa en las propiedades de las mismas en presencia de agua, que pueden provocar condiciones riesgosas en las obras apoyadas sobre ellas. Pero también pueden ser usadas como lubricante en perforaciones, núcleos impermeables en presas y un importante recurso industrial. Los minerales de arcilla se construyen mediante unidades simples pero que pueden conformar diferentes estructuras e incorporar agua y adsorber iones positivos. Los principales minerales arcillosos son la caolinita (simple capa) y la montmorillonita, illita y vermiculita (doble capa).

Minerales formadores de rocas Los principales minerales formadores de rocas son relativamente muy pocos y son acompañados por aquellos que se designan como minerales accesorios.

MINERALES FORMADORES DE ROCAS ______________________________________________________________ Minerales Rocas ____________________________________________ Igneas Sedimentarias Metamórficas ______________________________________________________________

Feldespatos x + x Cuarzo + x x Olivino + Piroxenos (augita) + + Anfíboles (hornblenda) + + Mica + + Calcita x + Dolomita x + Oxidos de hierro + + + Arcilla x Yeso, anhidrita + Halita + Apatita + _______________________________________________________________ x: comunes y a veces dominantes +: comunes y localmente abundantes

Minerales perjudiciales para la ingeniería Un número pequeño de minerales agrupados en rocas, produce problemas especiales como contaminación, meteorización rápida, hinchamiento, ataque químico a las rocas adyacentes, comportamiento deleznable en hormigones y fricción muy baja. Algunos de estos minerales son muy difíciles de reconocer, pero el ingeniero debe estar atento a los nombres cuando se los cita en un informe geológico. Solubles:

Calcita, dolomita, yeso, anhidrita, halita, zeolitas

Inestables: Marcacita y pirrotina (SFe)

Potencialmente inestables: Nontronita (montmorillonita rica en Fe), nefelina, leucita, micas ferrosas

Que producen ácido sulfúrico al meteorizarse: Pirita, pirrotina, otros sulfuros

Con muy bajo coeficiente friccional: Arcillas, talco, serpentina, clorita, micas, grafito, molibdenita

Potencialmente expansivos: bentonita (montmorillonita) anhidrita, vermiculita

Que reaccionan o interfieren con el cemento: Opalo, vidrio volcánico, yeso, zeolitas, micas

Interés particular de la ingeniería en los minerales y las rocas 2 La labor del ingeniero civil se desarrolla en un ámbito natural o ya antropizados e involucra materiales que son extraídos del medio natural o son obtenidos a partir del procesamiento de elementos primarios existentes en la naturaleza.

Los minerales son la parte constitutiva elemental del medio en el cual interviene el ingeniero (suelos y rocas) y de los materiales que considera en sus proyectos y emplea en sus labores, desde las más simples hasta las más complejas. Forman parte del soporte de sus obras y de los materiales que las constituyen.

Las características de los minerales se trasmiten a las rocas que forman y a toda la masa rocosa o de suelo de la que forman parte. También determinan las Condiciones de los materiales de construcción que las incorporan.

De tal modo, inciden definitivamente en la calidad del soporte de las obras civiles y de sus partes constitutivas. El interés de la Ingeniería Civil en los minerales, las rocas y los macizos rocosos apunta obviamente a las particularidades mecánicas que cada uno de ellos posee. Sus características, en sus respectivas escalas, se tienen en cuenta en cada una de las diferentes fases de las labores comprendidas en las etapas de proyecto, ejecución y mantenimiento de las obras de ingeniería, considerándolas como parte del medio en el que son realizadas, como soporte de las construcciones y como materiales.

2 Tomado de: Abril, E.G., 2013. Minerales. Cátedra de Geotecnia I, Cuadernos Didácticos de Geotecnia. Laboratorio Area Geotecnia, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Córdoba, Argentina – Serie III - No1

Las obras civiles estarán en relación directa con el medio natural, los caminos se apoyan en los suelos en la llanura y en las rocas en la montaña, los túneles atravesarán cerros, los puentes apoyarán sus estribos en los márgenes de los ríos y las fundaciones de los edificios atravesarán el subsuelo que los soportará. Básicamente, las propiedades que más interesan en Geotecnia son las que están relacionadas con la resistencia (dureza, fragilidad, resistencia…) y la estabilidad de sus componentes del ámbito de las obras y de los materiales de construcción. INCIDENCIA GEOTECNICA DE LOS MINERALES Las cualidades de los minerales definen las propiedades geotécnicas de base: las de las rocas y de los macizos rocosa. Estas son las cualidades que pasarán a las rocas que conforman el medio en el cual se implanta o que de algún modo afecta la obra civil, lo hacen más o menos conveniente para ciertas aplicaciones en determinadas situaciones y dictarán las condiciones a las que habrá que adecuarlas, según las exigencias del caso.

Estratos de yeso en la masa rocosa. El yeso es un mineral plástico, deformable con el tiempo. Es soluble en presencia Persis-tente de agua, lo cual le con-fiere debilidad y cambia el comportamiento de la masa rocosa que lo aloja.

¿Qué cualidades de importancia en la ingeniería civil pueden reconocerse en los minerales? Se trata de aquellas de las que depende su comportamiento durante la vigencia de la obra civil, sean los minerales que participan de los materiales de construcción como del ámbito con el cual se relaciona la obra civil. COMPOSICIÓN QUÍMICA El mineral queda tipificado en su comportamiento en primera instancia desde su nombre, que ya marca una determinada composición química. Es la sustancia que compone al mineral. Puede tratarse de silicatos, fosfatos, óxidos,

hidróxidos… cada una de esas ramas composicionales ya define un perfil de comportamiento del mineral. La composición química determina también la posibilidad de reacción del mineral con los demás materiales de construcción con las que estará en relación (por ejemplo, en el hormigón armado) o las condiciones de servicio (en puentes y muelles, en contacto directo con el agua dulce o con el agua de mar). RESISTENCIA La resistencia tiene que ver directamente con las propiedades mecánicas del mineral. La dureza es la propiedad básica que define la resistencia del mineral, pero también debe considerarse su estructura cristalina, que puede introducir un factor de debilidad a partir de la presencia de planos de clivaje, los planos de ruptura preferencial (en la mica o el feldespato, por ejemplo). Considerando esta propiedad resulta abarcada la fragilidad del material que, más allá de su dureza, significa la facilidad con que este se rompe ante un golpe, y el coeficiente friccional, que describe la resistencia del mineral ante factores de desgaste por rozamiento o abrasión mecánica. PESO ESPECIFICO El peso específico se encuentra también definido por el tipo de mineral. Este determina severamente los usos, ya que hay requerimientos específicos de materiales para ciertas condiciones de uso o de servicio, como el balasto para las vías del ferrocarril o las camadas de aislante térmico en los techos.

ESTABILIDAD La estabilidad define la vulnerabilidad de las propiedades del mineral ante sustancias químicas o condiciones físicas, como determinada temperatura, la

presencia de humedad o de agua, condiciones de esfuerzo especiales, etc., que afectan su naturaleza o su estado. Los elementos del contexto pueden modificar las propiedades de los minerales y, en tal caso, hacerlo reaccionar con alguna sustancia. Es el caso de los agregados minerales que entran en contacto con el cemento portland en un mortero, con el hierro en el hormigón, o provocados por alguna característica especial del agua de la mezcla cementicia.

Pero también se pueden generar sustancias químicas nocivas para la integridad de las construcciones como cuando algunos minerales contribuyen al debilitamiento del mortero, cuando producen la corrosión de los hierros o cuando se degrada el árido que contiene el hormigón. Avance de la corrosión sobre los hierros de una columnna con la carbonatación en ambiente húmedo

ALTERACION Una roca puede haber perdido gran parte de su resistencia si los minerales o los granos que la componen han sido afectados por la intemperización o la acción de sustancias químicas de origen geológico (vulcanismo) u orgánico (vegetación). Pero los que entra en relación con las obras civiles son el macizo rocoso o el suelo. Se funda o se construye sobre suelos y rocas. El caso de los suelos se verá específicamente. Importan en general, tanto de los suelos como de los macizos rocosos. El grado de alteración al que pudiere haber llegado el mineral con el transcurso del tiempo, como consecuencia de la intemperización (exposición a las variaciones del clima), es variado. A veces es sustancial y propiedades mecánicas como la resistencia son las que más interesan en geotecnia. La oxidación es uno de los fenómenos que provoca una alteración profunda de los minerales y se traduce en una disminución importante de su resistencia. Los minerales de las rocas son sensibles al ataque de los agentes químicos existentes desde la intemperie. Las posibilidades de meteorización son tan variadas como puedan serlo las relaciones entre las propiedades del mineral y el medio en el que se encuentre. Hay minerales solubles en agua, otros en ácidos débiles o fuertes, otros con tendencia a incorporar agua a su estructura y algunos son afectados por la luz o por el calor solar. Sus efectos, son tres los tipos principales: disolución, hidrólisis y oxidación.

La oxidación del mineral implica el cambio del estado de valencia de los metales en presencia de oxígeno libre. Ejemplos son la transformación del hierro, que afecta a minerales como la pirita, el olivino, el piroxeno o la biotita. La oxidación desestabiliza la red cristalina del mineral. La hidratación de un mineral implica la absorción de moléculas de agua, incorporándola a su estructura cristalina. Este proceso suele implicar un aumento de volumen del mineral. El mineral hidratado suele tener distinta estructura cristalina que el original (se forma otro mineral), como el caso de la anhidrita, que se transforma en yeso. Un caso muy importante es el del grupo de la bentonita, arcilla capaz de absorber grandes cantidades de agua, lo cual aumenta su volumen, y perderla por desecación, haciendo que se vuelva a contraer. La repetición cíclica del proceso puede provocar la destrucción de la red cristalina del mineral. La hidrólisis consiste en la descomposición de los minerales por la acción de los hidrogeniones de aguas ácidas. Hay una rotura de la estructura del mineral, un lavado o lixiviado de una parte de los iones liberados (que son transportados fuera de la roca meteorizada) y formación de otros minerales por la unión de los iones, dando como resultado compuestos insolubles. Un mineral frecuente en las rocas ígneas es la ortoclasa, que se degrada a illita. En la disolución, determinados componentes químicos de una roca pasan a formar un compuesto mineral de iones en disolución acuosa. Afecta sobre todo a minerales como la halita y el yeso. El proceso implica la disolución de algunos componentes de la roca, lixiviándose los más lábiles, y perdiéndose la estructura original. Si están ubicados en estratos, la situación puede ser muy grave, debilitando el soporte de la masa superior y permitiendo el deslizamiento en caso de estar inclinada. En las rocas, el interés de la Ingeniería Geo-técnica se centra en las características de sus constituyentes y en sus relaciones.

Estratos de yeso en un paquete sedimentario inclinado

Importan también algunas otras particularidades al ser empleadas como material de construcción:

ESPECIES MINERALES Y PROPORCION Las cualidades de la roca son en cierta forma las cualidades de sus minerales constitutivos. Como estos pueden ser variados, su proporción incide naturalmente en las propiedades de la roca TRABAZON ENTRE LOS GRANOS O CRISTALES La forma de relacionarse de los elementos que conforman la roca afecta decididamente su resistencia. Un mayor entrelazamiento de los cristales provee de más resistencia por una mejor trabazón y mayor oposición a los esfuerzos de cizalla. COMPACIDAD El grado de compactación de la roca está dado por un contacto mayor entre sus elementos constitutivos. Esta propiedad proporciona mayor resistencia a las rocas sedimentarias, por ejemplo, al no dejar espacios vacíos cuya resistencia es nula. CEMENTACION Los espacios entre los granos de las rocas sedimentarias pueden encontrarse vacíos o llenos de sustancias con diferente resistencia. Una sustancia de gran dureza como el sílice, por ejemplo, puede dar propiedades de resistencia muy superiores a las de los granos de minerales o de rocas que conforman una roca sedimentaria. ESTRUCTURA Define muchas veces la homogeneidad de la resistencia de una roca. Una roca estratificada muestra propiedades variables según la dirección del esfuerzo, mientras que una roca ígnea tiene un comportamiento semejante, sin importar desde donde están aplicados aquellos. - Estructuras primarias

Se encuentra ligada al origen genético y al emplazamiento final del macizo. Define las relaciones de sus componentes, que resultan derivadas estrictamente de los procesos propios del tipo de roca resultante y de se forma de yacer. - Estructuras secundarias

Se trata de aquellas relacionadas con sucesos posteriores a la génesis y emplazamiento del macizo como plegamientos, fallas, fracturas, diaclasas. Las características de éstas (frecuencia, orientación, amplitud, relleno, presencia de agua) definen fuertemente las condiciones de resistencia de los macizos. CARACTERÍSTICAS REGIONALES No siempre considerado en su entera magnitud e importancia, abarca situaciones particulares como la vulnerabilidad por efectos de carácter regional

de diferente índole como riesgo sísmico, hídrico y ambiental, entre los principales. INCIDENCIA AMBIENTAL DE LOS MINERALES 3

La problemática ambiental La humanidad enfrenta hoy el desafío de preservar el planeta tierra para posibilitar la subsistencia de la vida humana y de todas las otras formas de vida. El estado actual es la resultante de una acumulación de riqueza y bienestar material para una pequeña parte de los habitantes mientras otros apenas subsisten en la pobreza y la marginalidad.

La prosperidad ha sido medida principalmente en términos de bienes materiales, y ha cobrado en consecuencia un precio muy alto.

El agua, el aire y el suelo se han contaminado en tal magnitud que la calidad de vida se ha desmejorado hasta llegar a conformar un hábitat en el cual peligra la salud humana. Los residuos yacen dispersos y los recursos de la tierra disminuyen constantemente y han sido seriamente dañados. Problemas ambientales manifestados en procesos de erosión, perdida de la fertilidad de los suelos, deforestación, salinización de las tierras, incendios, aluviones, inundaciones, movimientos sísmicos y la contaminación hídrica, del aire y del suelo afectan fuertemente a las distintas comunidades y derivan en una gravísima perdida de biodiversidad. Es desde hace tiempo preciso encontrar soluciones eficaces a los problemas ambientales, estableciendo políticas adecuadas de uso y manejo de los recursos y diseñar estrategias de mitigación y recuperación, contemplando la formación permanente de profesionales capacitados para gestar y ejecutar un nuevo orden que redefina el concepto de progreso.

3 Extraído de: Abril, E.G., 2016. Elementos de geología en Ingeniería Ambiental. Geotecnia I (Geología para Ingenieros). Temas de Trabajos Prácticos. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. Laboratorio Area Geotecnia. Córdoba, Argentina. Versión digital V 0.1

Los objetivos de esta nueva generación de profesionales y dirigentes deben centrarse en lineamientos rectores que permitan el logro de este nuevo orden en la humanidad. Debe ser posible realizar el diagnóstico y la evaluación permanentes de la gestión ambiental mediante análisis objetivos de la situación y minimizar los riesgos para la salud humana y el ambiente.

Sostenibilidad

Debe enmarcarse la problemática ambiental en principios éticos y normativas que regulen las políticas ambientales en relación con un desarrollo sostenible. Es preciso desarrollar capacidades para integrar grupos de trabajo y equipos interdisciplinarios que actúen e interactúen a través de programas y proyectos que aporten los enfoques de la ingeniería y los nuevos recursos tecnológicos en la solución de la problemática ambiental. En el ámbito profesional específico, hay que adquirir competencias para participar desde la ingeniería en la gestión ambiental en la formulación y desarrollo de proyectos, la elaboración de planes estratégicos de prevención y control, la realización de auditorías ambientales y el asesoramiento en tecnologías de bajo impacto ambiental. Mineralogía y geoquímica ambiental 4 Generalidades El tema ambiental ha ganado importancia en las Ciencias de la Tierra. El aspecto paisajístico de la problemática ambiental (impacto visual) es el más valorado por la opinión pública, pero generalmente es sólo una consecuencia de lo que subyace. El medio geológico es una parte del sistema natural donde se desarrolla una serie de procesos entre los cuales los de carácter físico químico tienen un papel importante. Existe una constante migración de metales y compuestos químicos en lo que se denomina el ciclo exógeno. Estos procesos son interactivos y tienen lugar en la atmósfera, la hidrosfera y los suelos.

4 Texto elaborado sobre la base de: Higueras, P. y R. Oyarzun, 2016. Curso de mineralogía y geoquímica ambiental. Universidad de Castilla La Mancha. Disponible en Internet en: http://www.uclm.es/users/higueras/MGA/Tema00_Intro.htm

Los principales peligros ambientales que los involucran vienen dados por la extrema toxicidad, en determinadas concentraciones, de los llamados metales pesados y compuestos químicos de origen natural o antrópico. El impacto ambiental generado por las industrias concita buena parte de la atención de la opinión pública.

El consumo de los materiales específicos de cada industria, de recursos como el agua, la energía y los productos químicos propios de los procesos industriales son aspectos importantes a considerar, pero también los deshechos o residuos de la industrialización terminan produciendo efectos negativos para la calidad del entorno.

En la actividad minera, por ejemplo, el problema debe ser analizado primariamente en términos de la mineralogía del yacimiento que se explota y los aspectos químicos derivados, analizando el problema desde una perspectiva más amplia, la ambiental. En este sentido, dos aspectos críticos que aborda la geología ambiental están referidos a los minerales, considerándolos tanto como agentes de contaminación como en el papel de protagonistas en la solución de problemas ambientales. Química de las soluciones de la Naturaleza Muchos minerales son solubles bajo determinadas condiciones físico-químicas y liberan su carga metálica. La introducción de estos metales o sales al ciclo exógeno se examina desde la óptica de la geoquímica. Los estudios geoquímicos requieren una adecuada comprensión del tema mineralógico y la mineralogía, con el apoyo de la geoquímica puede decir mucho sobre el problema ambiental.

Dinámica de la absorción de nutrientes

Así, debe considerarse la química de las soluciones en la naturaleza, debiendo abordándose la concentración de las soluciones, la definición de ácidos y bases, el concepto de equilibrio químico, los procesos de hidrólisis y de oxidación-reducción y el uso de los diagramas Eh – pH.

Solubilización, transporte y precipitación de sustancias Los procesos medioambientales se pueden estudiar como procesos geológicos externos rápidos. La geoquímica de estos procesos en los ambientes minero e industrial, las interacciones entre el agua y los minerales en los ríos y lagos, o en relación con la atmósfera urbana, revisten un gran interés en la identificación y valoración de los procesos medioambientales. En distintas escalas, estos procesos significan dinámicas que se desarrollan en ámbitos cuyo conjunto, a si vez es un gran sistema.

El agua en el sistema Tierra

En este sentido, es de importancia analizar los procesos de solubilización, transporte y precipitación de sustancias en el ciclo exógeno, considerando que los elementos pasan de un medio a otro en relación con procesos que son función de la físico-química del medio y de sus propias características.

El acceso de las sustancias mine-rales a los medios acuático, aéreo y al suelo comprende la consideración de los límites de Eh y Ph en los diferentes ámbitos naturales, la forma en que se desplazan y pueden inmovili-zarse, y la vulnerabilidad de estos medios.

El medio acuático tiene una particular relevancia como vía de movilización de las sustancias contaminantes. El agua sustenta la vida en la Tierra, por lo cual sus características químicas son de importancia mayúscula. El agua permite el transporte a largas distancias de innumerables compuestos por ambientes muy variados. Comprende las aguas subterráneas y las superficiales de ríos, lagos, mares y océanos. La relación del hombre con el medio acuático ha sido siempre estrecha, tanto como alimento como para riego y finalmente para su utilización en procesos

industriales. Por ello el hombre siempre se ha establecido cerca de los medios acuáticos, sirviéndose directamente de ellos de distintas maneras. El problema ambiental surge del hecho de que el hombre también utiliza directa o indirectamente este medio como destino final de sus residuos, urbanos o industriales.

Hace poco que existen reglamentos que rigen las conductas hacia el agua. Cuanto más desarrollados los países más substancias peligrosas eran vertidas a los cursos de agua o derramadas en los suelos e infiltradas hacia las aguas subterráneas. El desarrollo lleva a la industrialización, y ésta al consumo de recursos y a la producción de residuos. Hoy, la Unión Europea ha regulado fuertemente el vertido de residuos pero, aún así, hay regiones con serios problemas de contaminación por metales pesados o sustancias tóxicas. Es preciso considerar a la naturaleza como un complejo sistema físico-químico y biológico en el cual, en todo momento, se están produciendo reac-ciones químicas orgánicas e inorgánicas.

La Tierra es un sistema en perpetuo cambio. Si bien se discute hoy el llamado cambio climático global y se sostiene o insinúa que la industria moderna sería la gran causante, sería importante indicar que el cambio climático global es largamente conocido para la geología, ya que ni los continentes ni el clima han permanecido estables jamás a lo largo de la historia geológica de la Tierra.

Aún asumiendo que el CO2 fuera un importante gas de efecto invernadero (a pesar de la creencia general, esta es una idea contendida, habría que precisar,

entre otras cosas, cuánto del CO2 presente en la atmósfera es aportado naturalmente por la actividad volcánica. No debe olvidarse que los volcanes no solo expulsan lava o ceniza, sino que también aportan grandes cantidades de gases a la atmósfera como CO2 y SO2 (Higueras, P. y R. Oyarzun, 2016).

Distribución del vulcanismo con relación a las placas litosféricas

Incluso la principal cadena volcánica del planeta, el sistema de dorsales oceánicas que limita las distintas placas oceánicas, permanece oculta y se desconoce realmente cuanto CO2 (u otros gases) aporta al sistema atmosférico (Higueras, P. y R. Oyarzun, 2016). Además, la degasificación del planeta desde las áreas volcánicas permanece en funcionamiento durante toda la vida activa de un volcán.

Fenómenos posvolcánicos ligados a la producción de contaminantes naturales

Pero la actividad volcánica no es el único mecanismo geológico de degasificación de CO2. Existen otros procesos más complejos como la degasifición a partir de complejos metamórficos.

Debe entonces abordarse cómo se regulan físico-químicamente los sistemas geológicos exógenos, para poder entender en lo posible cómo y porqué las substancias químicas ingresan en el medio acuático, como migran dentro de él, y cual es su destino final. Mineralogía y procesos de contaminación de los suelos El suelo recibe en superficie o por enterramiento la mayor parte de los residuos antrópicos. La mineralogía del suelo es un parámetro fundamental para comprender las interacciones que pueden producirse entre los residuos y el suelo, analizando paralelamente la posible contaminación hacia las aguas superficiales y subterráneas o hacia las cadenas tróficas, a través de las plantas.

Empetrolado de suelos en zonas petrolíferas

Aceptado que la capacidad de aceptación y de purificación de los suelos es muy baja, se advierte que a la vez son los suelos los que soportan la mayor parte de las actividades humanas. Conocer los procesos que se desarrollan en ellos a partir de la construcción de las obras de infraestructura, la realización de excavaciones mineras y la acumulación de los residuos derivados de todos los tipos de las actividades humanas, es fundamental para orientar su uso y su recuperación, en el caso de que hubieran sido contaminados. La capacidad depuradora del suelo es una realidad, pero se encuentra limitada y ocurre a largos plazos, excediendo estos los tiempos que el hombre necesita para que se regeneren a un ritmo igual o superior al de su degeneración y contaminación. Las políticas preventivas para evitar que se contaminen y tengan lugar las correspondientes medidas correctoras son nuevas y solo se aplican en algunas naciones. Recién en 1972, el Consejo Europeo reconoció en la Carta Europea del Suelo Europa la necesidad de considerarlos como recurso no renovable, estableciéndose principios generales para su protección.

La constitución del suelo desde el punto de vista geológico lleva a la consideración de las sustancias minerales que lo componen y su interacción con los organismos vivos y el agua y el aire que ocupan sus vacíos. En este sentido, corresponde analizar aspectos genéticos (origen y procesos de transformación) y físico-químicos, su composición mineral, los procesos de formación de las arcillas, que son las que permiten la interacción con las plantas, la materia orgánica, los contaminantes naturales y antrópicos y la vulnerabilidad del suelo a la contaminación con ciertas sustancias. La presencia de contaminantes en los suelos puede ser variada e incluso variar con el tiempo o con las condiciones climáticas. En algunos casos, los contaminantes se acumulan en formas lábiles, de alta solubilidad, estando disponibles para los animales y la vegetación (residuos de las fumigaciones) y estos pueden captarlos y sufrir efectos. El agua es parte constitutiva de los suelos. La contaminación de los acuíferos puede derivar o ser la razón de la contaminación de los suelos. Pero también pueden actuar absorbiendo los contaminantes, actuando como un biofiltros (considerando al suelo como un organismo vivo) altamente reactivo que facilita la inmovilización de los contaminantes gracias a procesos físicos (filtración), físico-químicos (neutralización), químicos (sorción, precipitación, degradación química) o biológicos (biodegradación). En este sentido juegan un papel especialmente importante las arcillas, debido a sus propiedades de absorción, adsorción e intercambio iónico. Sin embargo, cuando se supera la capacidad de amortiguación del suelo, éste se convierte de hecho en fuente de contaminación (excedentes no asimilados). El cambio en las condiciones climáticas puede afectar el proceso e incluso tornarlo reversible. Si bien puede encontrarse inactivo durante un tiempo, sin producir efecto alguno, puede activarse en un futuro, por ejemplo, si la erosión de ese suelo induce un transporte de los contaminantes hacia otras áreas. Se define entonces el concepto de carga crítica del suelo: se trata de la cantidad máxima de un determinado componente que puede ser incorporado a un suelo sin que se produzcan efectos nocivos. Pero hay otros conceptos importantes en lo relativo a la presencia de contaminantes en el suelo como son la geodisponibilidad y la biodisponibilidad. La geodisponibilidad es la consecuencia directa de la actividad minera: al llevarse a cabo una explotación minera, se ponen a disposición del medio geológico elementos que antes no lo estaban, o lo estaban de forma mucho más limitada o en otras condiciones (fuera de la presencia del agua y del aire, por ejemplo). Hay contaminantes que no dependen de la actividad antrópica y son naturales, como el arsénico en las aguas subterráneas de una porción de la Llanura Pampeana, por ejemplo.

La biodisponibilidad es el grado en el cual un contaminante está disponible para ser tomado por un organismo. Por ejemplo, algunas plantas tienen la capacidad de absorber determinadas concentraciones de elementos pesados, siempre que se encuentren en el suelo en formas solubles, o asociados a nutrientes básicos. En muchos casos se emplea esta propiedad de esos vegetales para emplearlos en bio-remediación. La prospección geoquímica La prospección geoquímica es la herramienta de base en la identificación y cuantificación de la contaminación ambiental, permitiendo reconocer y cartografiar el alcance y la gravedad de un problema de contaminación, a la vez que detectar sus fuentes, sus causas y su proyección futura. Empleados originalmente para detectar yacimientos minerales, las técnicas de prospección geoquímica son ahora utilizadas en geoquímica ambiental para determinar el grado y la extensión de la contaminación. En el ámbito de la Geología, la Minería genera diferentes residuos que provienen de distintas fuentes:

- Gases expulsados por las chimeneas de las fundiciones. Sus compuestos, tarde o temprano, precipitan en los suelos, a variadas distancias de la fuente de emisión;

- Escombreras (mineral dumps) y balsas de estériles (tailings dumps), Conformadas por material supuestamente estéril y residuos del proceso concentrador, son ricas en minerales altamente reactivos en cuando están sometidos a las condiciones atmosféricas: sulfuros de hierro, cobre, zinc, plomo, cobalto, mercurio, etc.;

- Estanques de solución (pregnant-barren solution ponds). Residuos de los productos químicos que se emplean en los procesos de concentración, con alto contenido de sustancias como el cianuro y el ácido sulfúrico o de especies metálicas como el cobre o el hierro.

Escombreras: Fuentes potenciales de contaminantes químicos en minería

La Minería no es la única que genera residuos solubles, susceptibles de ser movilizados. Cualquier industria genera un rastro de residuos metálicos u

orgánicos que solo en ocasiones son tratados previamente y, en general suelen ir a parar al suelo (y de allí a las aguas subterráneas), al agua o al aire. Los principios de la prospección geoquímica son válidos para analizar y cartografiar la extensión de un fenómeno de contaminación. Las reglas físico-químicas que gobiernan la dispersión de elementos químicos en el ciclo exógeno son las mismas. La detección de resultados anómalos en una muestra permite delinear los límites de dispersión de elementos contaminantes (zona geoquími-camente anómala o anomalía geoquímica). Contar con los valores normales de un compuesto o de una sustancia en los ámbitos acuático, aéreo o edáfico, en un lugar determinado (línea de base) permite que cuando se miden valores superiores estos últimos puedan considerarse una anomalía. Mediante técnicas estadísticas y cartográficas pueden generarse mapas que permitirán no solo visualizar la extensión geográfica del fenómeno sino también dar pistas sobre su probable fuente o punto de origen. Las consideraciones estadísticas necesarias incluyen la definición de lo que se denominan valor de fondo (o background), que es el que corresponde al valor normal de un elemento en un determinado lugar y anomalías, que corresponden a lo que estadísticamente se designa como una desviación significativa a partir del valor de fondo. Así, los valores que se encuentran dos o tres veces por encima del valor de la desviación estándar (x > 3s) son considerados anómalos. Completando los conceptos en este sentido, se define también lo que se designa como umbral (threshold), que corresponde a lo que sería el límite superior de las fluctuaciones de los valores medios o límite inferior de los valores anómalos. Pero el análisis estadístico permite también encontrar y definir lo que se llaman “poblaciones”. Durante el tratamiento estadístico de los datos geoquímicas puede aparecer más de una población (población bimodal). En esos casos la segunda población puede ser considerada anómala en su globalidad y el umbral ser fijado en el límite entre ambas poblaciones. En tal caso, lo más probable es que la segunda población se encuentre relacionada con la anomalía designada fuente de emisión.

Análisis poblacional. A la izquierda definimos la anomalía en función de los datos que quedan sobre la media más 2 S; a la derecha tenemos una población bimodal, los datos pertenecientes a la segunda población pueden ser considerados como globalmente anómalos.

Obviamente, la confianza en el empleo de la estadística, que se basa en el muestreo, también depende de quien realiza la lectura e interpretación de los resultados. Debido a que el muestreo es laborioso y habitualmente caro, la prospección se efectúa según diferentes escalas de aproximación. Podría generalizarse diciendo que una campaña geoquímica de reconocimiento (orientativa o regional) comprende un relevamiento cartográfico en escalas 1:1000000 a 1:500000, una de nivel preliminar se apoya en mapas 1:200000 a 1:100000 y una prospección geoquímica detallada (local) implicaría mapas en escalas 1:50000 y mayores. Lo importante a destacar es la secuencia de aproximación, ya que los resultados de una campaña regional son utilizados para delinear la estrategia de muestreo en los subsiguientes niveles de detalle. Los tipos de muestras que se toman en prospección geoquímica varían según lo que se busca. Puede tratarse de rocas, sedimentos fluviales, suelos, aguas, vapores, humos, polvo o plantas. Mineralogía y residuos de la Minería Durante los procesos involucrados en la explotación minera se originan importantes residuos de origen y composición variada. Comprenden desde el polvo (particulado fino) que se origina durante las labores de explotación, los efluentes líquidos que se generan durante el proceso minero (en la propia mina, en los lavaderos, desde las escombreras), hasta los residuos sólidos acumulados en las escombreras, además de los gases que se liberan durante los procesos mineros y metalúrgicos.

Expertos de la ONU midiendo contenido de cianurazos en el río San Juan

Cada uno de estos residuos presenta problemas ambientales importantes en cada uno de los ámbitos a los que ingresa o termina depositándose luego de su transporte por las diferentes vías. Se habla entonces de contaminación atmosférica (polvillo, gases), hídrica (efluentes líquidos, entre otros) y edáfica (en suelos, por materiales sólidos y precipitados o lixiviados).

Mineralogía y almacenaje de residuos El almacenamiento de residuos de todo tipo supone un enterramiento controlado. La naturaleza de los materiales que se emplean en este proceso tiene una gran importancia para asegurar la estanqueidad del depósito mediante el sellado de los almacenes. En principio, conociéndose el tipo de residuo a almacenar, su condición, volumen y presencia de probables materiales o sustancias peligrosas que pudiera incluir, se procede a analizar el entorno del potencial emplazamiento, su previa selección según normas y datos reales de campo. Es preciso que junto a los parámetros de conveniencia dados por la accesibilidad, distancia a los centros de producción de residuos y los requerimientos de acondicionamiento específico del sitio de acuerdo con el tipo de residuo, se evalúe en términos estratégicos su ubicación adecuada según la proyección futura de la expansión de los centros urbanos y sus derivados. La disponibilidad y potencial empleo de materiales (minerales y rocas) locales es importante para proyectar el repositorio. En caso de tratarse de residuos peligrosos o especiales (nucleares, por ejemplo) se deben extremar los recaudos de acuerdo con la normativa vigente del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), además de cumplir con lo requerimientos del país y de la provincia que pueden incluso ser aún más exigentes. En todos los casos, los estudios geológicos deben ser realizados minuciosa y específicamente, de acuerdo con el tipo de material, contemplándose los materiales involucrados en su construcción y el impacto de su aplicación. Para los residuos nucleares, los análisis geológicos incluyen estudios profundos incluso a nivel regional (sismicidad, tectónica, riesgos naturales). Los efectos de la intemperización - La formación de suelos La meteorización es una consecuencia de la intemperización. De ella resultan, como principales productos, clastos, geles y iones. Pero hay minerales y rocas que resultan de estos procesos desarrollados in situ, es decir, sin existir transporte. Consideramos aquí los regolitos y los suelos. La acción de los agentes atmosféricos sobre las rocas de la superficie produce cambios. El resultado es la formación de un manto más o menos continuo de materiales intensamente alterados, de espesor variable y caracteres que dependen en el detalle de diversos factores, entre elllos la naturaleza de la roca original y el clima (actual y pasado) en la región. Se denomina regolito al conjunto de materiales producto directo de la meteorización de un sustrato rocoso. Se trata de un conjunto relativamente

homogeneo de materiales, formado por los fragmentos de la roca original y minerales nuevos formados durante el proceso de la meteorización (como arcillas y carbonatos). Recibe el nombre de suelo este mismo conjunto cuando aparece estructurado (dividido) en una serie de horizontes (capas), que se originan durante la evolución geológica y biológica del regolito. Es decir que el suelo deriva del regolito, es el resultado de la maduración del regolito.

Factores condicionantes básicos del desarrollo de los suelos El regolito y los suelos están formados por componentes en las tres fases: sólidos, líquidos y gaseosos, presentando la particularidad de contener un importante componente orgánico.

Génesis de suelos: Perfil de alteración en función de las regiones bio-climáticas

Mientras los componentes sólidos son los fragmentos de rocas y minerales procedentes de la meteorización, los líquidos están representados por el agua de infiltración (más o menos cargada de sales en disolución). Los gases, por su parte, corresponden a aire atrapado en los poros del componente sólido (más o menos oxigenado según la porosidad del material). La materia orgánica, en tanto, corresponde a restos de la descomposición de organismos (vegetales y animales), más o menos transformada en ácidos húmicos, pero también materia

viva: raíces y microflora bacteriana, por lo que se habla del suelo como de un organismo vivo. El suelo se utiliza con fines agrícolas, forestales, ganaderos y como reserva natural (preservación de la biodiversidad). Las modificaciones debidas a su ocupación y uso llevan a que se verifiquen en él transformaciones importantes. Las actividades industriales, urbanas, agrícolas y ganaderas implican la presencia de residuos y desechos que inciden en la calidad del suelo. Como la formación del suelo es un proceso que se inicia en el regolito, es vano considerar una línea de división neta entre ambos, aunque el sentido común indicará cuándo designarlo como uno u otro. Sin embargo, un regolito aparece estructurado en términos básicos puede ya recibir el nombre de suelo, aunque esa estructura sea incipiente. Las capas u horizontes del suelo están dispuestos en forma aproximadamente paralela a la superficie topográfica, diferenciándose básicamente tres horizontes principales.

Horizontes del suelo Un horizonte A es el más superficial, caracterizándose por tener color oscuro, por la presencia de abundante materia orgánica. Es el más afectado por los procesos de disolución, en los cuales se verifica el desplazamiento de los iones hacia horizontes más profundos. Por este motivo, se le conoce también como horizonte de lixiviación o de lavado. A continuación, se encuentra el horizonte B. Recibe el nombre de horizonte de acumulación, porque a él llegan los iones procedentes del lavado del horizonte A. Se caracteriza por la abundancia de componentes minerales, se trate de arcillas (producto de la meteorización de la roca) como de sales precipitadas (carbonato cálcico, hidróxidos de hierro…). El horizonte C es el que se encuentra sobre la roca, por lo cual está constituido mayoritariamente por fragmentos de la roca madre (la roca que le dio origen al regolito), más o menos alterados.

El proceso de formación del suelo recibe el nombre de edafogénesis, proceso que comienza con la formación de un regolito y la posterior implantación de la vegetación, produciéndose una secuencia de vida y muerte de animales y plantas que resulta en una acumulación de materia orgánica, y procesos de lavado. El horizonte B es el último en formarse, y se encuentra comprendido entre las cotas superior e inferior de la franja donde se localizan los productos del proceso de lavado o lixiviado.

Secuencia de la formación de un suelo a partir de un regolito: D: roca madre original C: regolito ppd A: suelo orgánico superficial B: Horizonte de acumulación

Como el tipo de suelo depende de gran número de factores, estos se clasifican, y de acuerdo a muy diversos criterios. Una clasificación básica divide a los suelos en dos grandes grupos: zonales y azonales. Los suelos zonales son suelos maduros. En su evolución juega un papel primordial el clima, con el que se encuentran en equilibrio. Su distribución geográfica presentar un carácter regional, acorde a la distribución de la vegetación y las regiones climáticas, resultando en subclases definidas por la latitud: polares, de latitudes medias y de bajas latitudes.

Suelos de la región central de la Argentina Los suelos azonales, en cambio, son suelos cuya génesis está condicionada principalmente por un factor particular distinto al climático, que puede ser el litológico o el topográfico. Debido a que los procesos geológicos implican secuencias de erosión y depositación de sedimentos, hay suelos formados en el pasado geológico, que se han preservado de la acción erosiva porque han quedado tapados (fosilizados) por una secuencia sedimentaria. A estos suelos se los designa como paleosuelos (suelos viejos o antiguos) y no están activos. Su estudio puede revelar importantes características sobre el clima en el cual se formaron (paleoclimas).

- Efectos sobre las obras civiles Los efectos de los agentes de la intemperie sobre las edificaciones o sus complementos implica la progresiva degradación de las mismas, más rápida o más lenta en función de factores de base que hay que conocer: el clima, la composición de la atmósfera y la naturaleza de los materiales, entre los cuales el tipo de roca y su mineralogía son decisivos. El patrimonio histórico y la infraestructura de envergadura son dos temas a considerar detenidamente, dado su valor y proyección de vida útil.

Las edificaciones y los monumentos están realizadas con material de construcción (cales, cementos, áridos, hierro…) o piedra natural que poseen componentes minerales específicos que quedan a merced del intemperismo y deben soportar sus efectos asociados como la alteración y la abrasión, entre otros.

Obras civiles. Deterioro en el mortero en la base de una estructura vial.

Patrimonio histórico. Deterioro acelerado en ambientes contaminados

El mejor resultado se consigue utilizando en cada caso los materiales más adecuados a cada fin, lo que implica conocer sus propiedades, y prever su comportamiento futuro. Por otra parte, un gran número de construcciones antiguas han sido realizadas sin tener en cuenta cambios ambientales (naturales o antrópicos) que hoy producen su degradación. Los principales procesos que se reconocen en relación con este fenómeno de la alteración en los monumentos son:

Formación de pátinas. Son costras superficiales, que a su vez pueden ser de suciedad, cromáticas o biogénicas.

Formación de depósitos superficiales. Pueden tener diversos orígenes, desde eflorescencias salinas, pasando por acumulaciones de suciedad, hasta origen biológico.

Alveolización. Formación de una red bastante continua de huecos u alveolos, característico de ciertos materiales, sobre todo si son porosos.

Excavaciones y cavernas. De carácter individual, desarrollándose puntualmente o bien por erosión local de la roca, o bien por la presencia previa en la roca de huecos.

Erosiones superficiales. Son consecuencia de una desagregación de los granos de rocas como la arenisca o el granito.

Disgregación. Similar al anterior, pero sobre rocas de tipo químico, en la que los granos no se individualizan con facilidad (caso de las calizas).

Fragmentación. Es la formación de fracturas, sean nuevas, al estar la pieza sometida a grandes tensiones en su colocación, o porque presentaba fracturas previas que se reabren o reactivan.

Separación en placas. A menudo algunas rocas se descaman en placas, como consecuencia de su naturaleza laminada y la desagregación de estas láminas.

Humectación. Acumulación de suciedad y humedad ligada a rocas muy porosas en climas muy húmedos.

Acción antrópica. Muy variada, desde las acciones físicas (colocación de letreros, etc.) hasta la química (pintadas, y posterior uso de disolventes para eliminarlas).

Pérdidas de material. A menudo, como consecuencia de la suma de procesos, llegan a desaparecer completamente algunos elementos; ladrillos, morteros, bloques de piedra...

Todos estos fenómenos hacen que la conservación de los monumentos sea un campo en el que el conocimiento de la roca y de sus características, así como de los procesos de meteorización activos en cada zona concreta tenga una gran importancia, suponiendo una necesidad a cubrir por técnicos en mineralogía y petrografía. Durante el proceso de degradación se originan componentes minerales que pueden agudizarlo y perjudicar severamente las construcciones y monumentos. Conocerlos posibilita encontrar el camino para la neutralización de tales procesos. El análisis composicional de los materiales (mineralogía) y las exigencias ambientales a las cuales se encuentran sujetos son dos aspectos a abordar para efectuar diagnósticos y tomar decisiones al respecto. Teniendo en cuenta los materiales que quedan incluidos en estas consideraciones, se deben analizar no solo las causas y efectos de su alteración sino la mineralogía de los morteros (mezclas cementicias y calcáreas) y ladrillos así como la de rocas específicas como los mármoles, granitos, pizarras y areniscas. Los minerales y la salud humana y ambiental Los minerales ingresan a nuestro organismo por ingestión (junto con los alimentos) o a través de la respiración, pudiendo producir efectos nocivos para la salud. Los obreros que trabajan en las minas y en las grandes industrias están expuestos en menor o mayor grado a progresivos daños en su salud, por el solo hecho de encontrarse durante largos períodos en ambientes desfavorables. El problema es mayor en las explotaciones irregulares, en zonas sin monitoreo sanitario o en países donde es costumbre o no se dispone como corresponde el seguimiento de estrategias de seguridad para la salud humana.

Como ejemplos comunes, muy difundidos en la minería, tenemos los casos que se registran por inhalación continua de polvo de sílice (que ocasiona la silicosis) o de asbestos (que provoca la asbestosis). En el caso de algunas industrias, diferentes sustancias gaseosas o volátiles se encuentran presentes en ámbitos donde la presencia de personal sin la protección específica corre riesgos importantes.

Como no existen a veces alternativas de mantener el nivel de vida actual sin los metales y un sinnúmero de compuestos químicos utilizados en la industria, no hay alternativa que apelar a recaudos que prevengan efectos nocivos sobre la salud de quienes se encuentran expuestos. Mientras no se desarrollen tecnología alternativas, seguirá siendo preciso todo aquello que represente un riesgo real para la salud humana y el medio ambiente.

Particulado fino constante en el ambiente de trabajo

Diagnóstico: silicosis

Hay tecnologías que permiten minimizar el riesgo ambiental derivado de la actividad industrial. El tema es su costo. Mientras tanto, la legislación, en principio, vela porque los potenciales problemas de contaminación no se produzcan o se mitiguen al máximo.

Gases tóxicos y particulado fino en la combustión en actividades industriales

La Ingeniería ambiental estudia precisamente el grado de peligrosidad de minerales y metales liberados al medioambiente que tienen impacto negativo

sobre la salud humana y las condiciones ambientales. También analiza las consecuencias de la degradación de otros que no son primitivamente peligrosos pero que su interacción resulta en compuestos o sustancias nocivos. Desde ya que hay que necesariamente contemplar el nivel de peligrosidad de cada uno y de las diversas situaciones en que ocurren estas interacciones. Junto a los minerales peligrosos citados (el cuarzo y los asbestos por la silicosis y la asbestosis) se encuentran el carbón mineral y los metales pesados, por ejemplo. Pero también es menester considerar los efectos sobre la cadena trófica, de la cual somos parte inexcusable, por lo cual hay que analizar los límites de toxicidad en los suelos, en el agua potable y en los ámbitos de la vida acuática y costera (sistemas de aguas dulces y saladas). En particular interesa también conocer específicamente sobre contaminantes naturales y antrópicos como el arsénico, el plomo, el mercurio y el cadmio, además de los gases y aerosoles. Minerales de interés en el control de los procesos ambientales Algunos minerales se emplean o pueden tener aplicaciones futuras en el control de procesos ambientales. Un claro ejemplo lo constituyen las ceolitas, arcillas que se emplean en los procesos de purificación del agua, tanto a nivel doméstico como industrial.

Estructura en túneles de una zeolita.

Así como los filtros de cualquier planta potabilizadora cuentan con camas de arena que permiten la retención de sedimentos, algunos minerales tienen propiedades que permiten emplearlos en aplicaciones diversas como la depuración del agua o la inmovilización de contaminantes presentes en el suelo. - Las arcillas Las arcillas son suelos o rocas sedimentarias constituidos por agregados de silicatos de aluminio hidratados provenientes de la descomposición de rocas de composición feldespática. Están formadas por partículas muy pequeñas de superficies lisas. Su característica típica es la adquisición de plasticidad al mezclarlas con agua y de dureza al ser deshidratadas en horno (+ 800oC).

Dos de las aplicaciones más importantes en ingeniería son su empleo en la elaboración de cemento y su uso en procesos de descontaminación. Entre la enorme variedad de arcillas se encuentran las zeolitas. Las zeolitas constituyen un grupo de silicatos con una gran capacidad de intercambio iónico pues poseen una estructura definida por un armazón y una especie de túneles, que les confieren una especie de porosidad que las convierte en microtamices muy efectivos. Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales, y pertenecen al grupo de los tectosilicatos, existiendo unas 40 zeolitas naturales (y más de 150 sintéticas).

Roca granítica de composición feldespática (izquierda) y caolinización en una zona de falla (derecha) Estas arcillas se encuentran descompensadas eléctricamente, necesitando incorporar cationes para mantener la neutralidad: De allí sus propiedades de intercambio, que permiten que los cationes, el agua, u otras moléculas, se acomoden en la mencionada estructura tipo túnel. Algunas de las aplicaciones más importantes dirigidas al tratamiento de las aguas contemplan los procesos de intercambio iónico.

La capacidad de intercambio catiónico se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH y es

equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas por sustitución isomorfa dentro de la estructura, por enlaces insaturados en los bordes y superficies externas o por disociación de los grupos hidroxilos accesibles. Por su parte, la capacidad de intercambio iónico es una propiedad de las arcillas del grupo de la esmectita, que son capaces de adsorber con facilidad los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en sus espacios interlaminares o en espacios interiores. Esta capacidad se basa en que en su estructura se encuentra una descompensación de cargas que permite capturar cationes o moléculas. La capacidad de captación iónica varía de una arcilla a otra y se relaciona directamente con las características estructurales de las arcillas. En algunas arcillas (las del tipo 1:1), el enlace entre capas es lo suficientemente fuerte como para mantener la estructura global y a la vez impedir la entrada de cationes entre capas. Por el contrario, en otras (como las arcillas del tipo 2:1) el enlace entre capas no es posible y el armazón estructural se compensa eléctricamente, introduciendo cationes interlaminares (potasio en la illita). La entrada de agua y otras moléculas en la estructura causan un aumento en el espacio interlaminar (hinchamiento de la arcilla) y, como con el agua vienen cationes disueltos, pueden ser fijados en dicho espacio. Una reacción típica de intercambio iónico es:

Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+

Estas propiedades las hacen protagonistas de algunos aspectos del control ambiental como instrumento para la eliminación de contaminantes. Sus características se ven reforzadas porque presentan un bajo costo de extracción y de acondicionamiento, se encuentran disponibles en grandes volúmenes, tienen excelente estabilidad ante procesos químicos y térmicos y pueden utilizarse en varios ciclos. Otra aplicación común de algunos minerales arcillosos (grupos de sepiolita-palygorskita y esmectitas) es emplearlas como absorbentes de líquidos. Son capaces de absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). Estos líquidos pueden ser contaminantes (vertidos de hidrocarburos), o contener contaminantes en disolución. La capacidad de intercambio iónico de las esmectitas ha promovido una serie de investigaciones conducentes a su utilización como agente catalítico, los que tienen un alto potencial como adsorbentes para tratar aguas o suelos contaminados. Mediante tratamiento de las arcillas esmectíticas se les intercalan cationes de amonio, que resulta en un mayor tamaño de la distancia interlaminar, lo cual

facilita la atracción de compuestos orgánicos como benceno, tolueno, etilbenceno, y xileno, la fracción aromática peligrosa de las gasolinas.

- Los óxidos y oxidróxidos de hierro y manganeso Debido a sus propiedades coloidales y estructurales, hay minerales que participan de procesos naturales e industriales como fijadores de metales de alta toxicidad. Los oxidróxidos de hiero se comportan como coloides positivos, y como tales, tienen la capacidad de fijar por adsorción a aniones y aniones complejos, entre los que se debe destacar, por su alta peligrosidad, el cromo y el arsénico. Los suelos o sedimentos fluviales con oxidróxidos de hierro poseen la capacidad natural de depurar soluciones (naturales o industriales) con productos tóxicos de este tipo. Se reconoce la presencia de fases oxidadas de hierro por el color rojo-anaranjado que le dan a los suelos o sedimentos. En relación con los tratamientos industriales de aguas, se destacan la oxidación de FeSO4 a fases del tipo FeO(OH) para la adsorción de especies acuosas de arsénico (aniones complejos de arsenito o arsenato) y los procesos redox que implican la oxidación de Fe0 a Fe3+ y la reducción en paralelo de Cr6+ a Cr3+.

- Los carbonatos Los carbonatos presentan aplicaciones variadas. Son abundantes y de bajo costo de extracción, lo que los hace disponibles. Su utilidad en Ingeniería ambiental radica en sus propiedades de reaccionar con los ácidos, la sílice y el dióxido de azufre. Al reaccionar con la sílice se genera el cemento y al reaccionar con el dióxido de azufre da origen al yeso/anhidrita. Por descomposición a temperaturas relativamente bajas (del orden de los 600ºC) da origen a la denominada cal viva (CaO) o a la cal dolomítica (CaO+MgO), que tienen aplicaciones importantes en la ingeniería y la industria. Sus aplicaciones medioambientales comprenden procesos de desulfuración. Los compuestos de azufre se dan durante procesos de combustión o metalurgia, produciéndose óxidos de azufre gaseosos que escapan al aire (el fenómeno de la lluvia ácida). La presencia de caliza en el medio de combustión, ya sea como lecho fluido, o como aditivo, impide la formación de estos compuestos:

CaCO3 + SO2 + 2 H2O + 0.5 O2 → CaSO4 · 2 H2O + CO2 Por su parte, la adición de caliza a los suelos origina los siguientes procesos de:

- Neutralización de la acidez - Incremento de la saturación en bases (Ca) del suelo - Cambios en los ratios de cationes básicos absorbidos y disueltos - Incremento del pH del suelo, que afecta la solubilidad - Inactivación de concentraciones tóxicas de Al, Mn y otras sustancias

- Fijación de nitrógeno - La concentración de electrolitos (aumenta con la disolución de la caliza)

Es también parte de la respuesta a uno de los mayores problemas que plantea la minería, que es el drenaje ácido (DAM). Entre las diversas técnicas que pueden emplearse, se encuentran algunas en se usan calizas (principalmente calcita: CaCO3). El carbonato de calcio actúa como un reactivo neutralizante que lleva al pH a valores aceptables y favorece la precipitación de la mayor parte de los metales pesados que pueda contener el agua. El proceso que consume los hidrogeniones de la solución ácida, y por lo tanto la neutraliza, se resume en:

CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3-

LA IDENTIFICACIÓN DE MINERALES La importancia de reconocer los minerales Por el interés que tiene la Geotecnia por conocer la naturaleza de los macizos rocosos y las rocas que los componen, se hace necesario saber identificar las especies minerales, ya que deciden la resistencia y permiten identificar las rocas que componen. El reconocimiento de una sustancia mineral implica conocer su composición química, sus características estructurales y el estudio de sus propiedades físicas y químicas. Existen interconexiones entre estos aspectos que facilitan el reconocimiento. Por ejemplo, las sustancias que contienen plomo suelen tener una densidad elevada, las estructuras laminares presentan exfoliación perfecta en una dirección y las estructuras en cadena en dos direcciones, las oxisales presentan brillo vítreo, mientras los elementos metálicos, los sulfuros y ciertos óxidos metálicos suelen tener brillo metálico o semimetálico. Recordando que hay unas 4500 especies y variedades, obviamente su reconocimiento no debe ser fácil y depende, básicamente, de la experiencia, por lo que concluimos con que el reconocimiento de los minerales únicamente mediante métodos sensoriales presenta dificultades. En cuanto a las características estructurales de la materia, puede hablarse de una forma cristalina y un hábito. La forma cristalina está referida a la simetría interna de los cristales. Está relacionada con su estructura microscópica del mineral y es única para cada especie.

Se habla de hábito (forma habitual de presentarse) al aspecto macroscópico que presentan los minerales. El hábito se encuentra condicionado por factores externos al mineral, como por ejemplo, las condiciones ambientales y de formación, la temperatura, la presión o la composición química del sistema en el que se ha desarrollado. Nos referiremos al hábito, que hace alusión al aspecto que presentan los minerales. Tratándose de cristales, el hábito puede ser:

Pero no solamente se presentan como cristales. Es más, es poco frecuente esta manera de presentarse en la naturaleza. Lo más común es que se encuentren como agregados, o como asociaciones de cristales. Los hábitos correspondientes a los agregados o asociaciones de cristales, pueden ser:

Por su parte, para describir los hábitos correspondientes a las masas minerales, se emplean los términos siguientes:

El proceso de reconocimiento de minerales comprende una secuencia de pasos durante los cuales se va incorporando ordenadamente la información de base como para poder reconocerlos.

Se parte siempre de propiedades destacadas del material a reconocer, como por ejemplo si es muy duro o muy blando, si es oscuro o claro, si es o no brillante, si es un cristal o una masa cristalina, etc.:

Cuando los grupos de átomos de una sustancia solidificada se encuentran dispuestos de manera ordenada en la estructura de la misma, la sustancia se llama cristalina. Si esa condición no se cumple, las distancias atómicas no son constantes ni existe regularidad y simetría en la estructura y se llaman amorfas.

A una misma composición química puede corresponder diferente estructura molecular (polimorfismo) y, con ella, definirse otro mineral diferente, como el caso del diamante y el grafito. En la naturaleza, las rocas están formadas por minerales que puede encontrarse en cualquiera de los dos estados, cristalino o amorfo. Cuando las sustancias minerales se encuentran en estado cristalino, pueden verse los llamados cristales. Los cristales son cuerpos poliédricos regulares. Tales formas responden a la citada disposición ordenada y regular de los átomos. Los cristales se caracterizan por presentar formas muy vistosas. Se destacan por presentar facetas planas, aristas rectas y vértices perfectos, con características y propiedades geométricas que permiten identificarlos. Aunque no es tan frecuente, es común encontrar en las sierras de Córdoba cristales de cuarzo, mica, feldespato, berilo, granate, pirita y calcita. Ensayos de estabilidad Algunas especies minerales son inestables ante ciertas condiciones. En la naturaleza, esta inestabilidad se manifiesta en lapsos muy prolongados y normalmente tarda mucho tiempo la alteración natural de un mineral. En Geología, se utiliza esta característica como particularidad diagnóstica que permite corroborar su identidad.

En este sentido, las pruebas típicas y estandarizadas que se realizan sobre los minerales se denominan ensayos de estabilidad en el corto plazo. Se habla de un corto plazo porque se trata de ensayos en el laboratorio que permiten observar rápidamente las características de estabilidad apuntadas mediante el empleo de algún reactivo o proceso específico. Algunos de los ensayos químicos más comunes son: SOLUBILIDAD Algunos minerales son solubles en presencia de algunos fluidos. Un ensayo común es verificar la solubilidad de la halita (sal) en presencia de agua común. La halita se disuelve cuando es introducida en agua. La temperatura del agua incide en el proceso, acelerándolo si se aumenta. REACTIVIDAD Algunos minerales reaccionan en contacto con algunos reactivos químicos. La experiencia más simple es verificar si la muestra se trata o no de un carbonato de calcio a partir de que reaccione o no ante una gota de ácido clorhídrico. Los minerales carbonáticos como la calcita, algunos cementantes muy frecuentes en nuestros conglomerados cretácicos, o las calizas de diferente tipo reaccionan con efervescencia cuando se les coloca una gota de este ácido en superficie. Por otra parte, algunos de los ensayos físicos más comunes son: EXPANSION Algunos minerales se expanden cuando son sometidos a algunas condiciones: La bentonita (una arcilla), por ejemplo, se expande al encontrarse en presencia de agua o humedad elevada.

La anhidrita es también potencialmente expansible en presencia de agua. Ambos procesos no son inmediatos, y pueden comprobarse con el transcurso de los días, dejando hidratar la muestra.

La vermiculita (una mica) se expande al someterse a altas temperaturas. Se comprueba al calentarla y la respuesta es medianamente rápida. Otros ensayos FRICCION En algunos minerales se verifica su coeficiente friccional. Esto se relaciona con la mayor o menor dificultad de desplazar dos caras de la sustancia una vez producida una discontinuidad en una dirección.

El caso de la arcillas es bastante típico. La biotita o la muscovita (micas comunes) presentan un muy bajo coeficiente friccional según las caras de sus cristales, por ser sumamente lisas. Reconocimiento básico de los minerales De modo esquemático, se pueden caracterizar los minerales más comunes. Para ello, se debe partir de la característica más notable que presente la muestra. Es muy importante destacar que si la muestra se encuentra alterada puede perder algunas de sus características (brillo, densidad) o éstas pueden quedar un tanto ocultas (densidad, clivaje). Primer contacto con la muestra: contacto visual. El acceso al reconocimiento de un mineral debe partir de su aspecto, por lo cual deben resaltarse las cualidades a la vista, muchas de las cuales se relacionan entre sí, pero valga su consideración por separado: Tonalidad: claros, oscuros Forma de la muestra: hábito (masiva, cristales…) Aspecto: terroso, cristalino Brillo: brillante (tipos de brillo), mate Clivaje: presente (tipo, cantidad de planos…), ausente Una segunda aproximación a la identificación de la muestra mineral es a partir de un contacto más cercano a la muestra. Mediante su manipulación se pueden advertir otras características: Densidad: alta, baja Transparencia opaco, traslúcido, transparente Un tercer paso consiste en intervenir directamente sobre la muestra realizándole algunos ensayos: Raya: color Dureza: alta, baja (grado en la escala de dureza) Rigidez: rígido, elástico, plástico Fractura: regular (clivaje), irregular, concóidea Estabilidad: reacción al ClH, solubilidad, hidratación Sabor: salobre… Magnetismo: magnético, no magnético Las características clásicas de los minerales pueden tabularse para la mejor identificación de los mismos (ver Anexo)

BIBLIOGRAFIA 5

Abril, E.G., 2013. Minerales. Cátedra de Geotecnia I, Cuadernos Didácticos de Geotecnia. Laboratorio Area Geotecnia (GeoLab), Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Córdoba, Argentina – Serie III - No1

Abril, E.G., 2016. Elementos de geología en Ingeniería Ambiental. Geotecnia I (Geología para Ingenieros). Temas de Trabajos Prácticos. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. Laboratorio Area Geotecnia. Córdoba, Argentina. Versión digital V 0.1

Higueras, P. y R. Oyarzun, 2016. Curso de mineralogía y geoquímica ambiental. Universidad de Castilla La Mancha. Disponible en Internet en: http://www.uclm.es/users/higueras/MGA/Tema00_Intro.htm

Quintana C., E., 1991. Minerales. En: Geotecnia I. Temas de Trabajos Prácticos. Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Pp 1-16. Edición digital: Ernesto G. Abril. Primera versión digital del original (v 2.0), agosto de 2011.

5 Empleada, con adaptaciones y notas propias, en la elaboración de esta publicación didáctica.

ANEXO

TABLAS DE IDENTIFICACION DE MINERALES