Transformaciones polimórficas: polimorfismo e isomorfismo

4.9  Transformaciones polimórficas: polimorfismo e isomorfismo

Esta discusión de variaciones composicionales y transformaciones de fase no podía estar completa sin abarcar el importante fenómeno del polimorfismo, que es un tipo especial de transformación de fase. Cuando una sustancia (elemento o compuesto) puede cristalizar con más de un tipo de estructura se dice que forma polimorfos. Uno de los fenómenos capaces de proporcionar una gran cantidad de información acerca de procesos ocurridos a las rocas es el del polimorfismo. La presencia de polimorfos de SiO2 en ciertos cráteres terrestres, como coesita, atestigua un origen astronómico y no volcánico para dichas estructuras circulares, que se denominan astroblemas. Esto se debe a que el campo de estabilidad de la coesita supera los 30 Kb. Si la coesita existe en el interior de la Tierra, se halla por debajo de los 100 Km, en el manto superior. Igualmente, cuando una roca ígnea volcánica contiene diamante es seguro que dicho mineral provino de grandes profundidades dentro del manto, puesto que requiere presiones del orden de 50 Kb para formarse. Otros polimorfos responden a cambios de temperatura, junto con los de presión. Por ejemplo, el feldespato potásico de más alta temperatura, la sanidina, es característico de rocas volcánicas; el polimorfo de temperaturas intermedias, ortosa, se halla en rocas plutónicas mesozonales; mientras que el polimorfo de más baja temperatura, microclino, se halla en granitos profundos y rocas metamórficas. Otro ejemplo notable lo constituyen los polimorfos del Al2SIO4O. Este compuesto tiene tres polimorfos muy conocidos, que son minerales índice de metamorfismo regional: la cianita, estable a altas presiones, la andalucita, estable a bajas presiones y temperaturas moderadas, y la sillimanita, estable a temperaturas elevadas. La presencia de uno o más de estos minerales en un cinturón metamórfico le llevó al famoso petrólogo Miyashiro a formular la relación entre el tipo bárico de metamorfismo y el marco tectónico global.

Es decir, polimorfos son minerales con la misma composición química, pero diferente estructura cristalina, lo que les da distintas propiedades cohesivas, ópticas y eléctricas, y diferente hábito, peso específico y formas cristalinas, debido a haberse formado a distintas condiciones de (P,T). A menudo los distintos polimorfos de una misma sustancia forman estructuras tan diferentes que ameritan nombres mineralógicos distintos, como calcita-aragonito, diamante-grafito, etc. Se conocen tres tipos de transformaciones polimórficas, que son los mecanismos por los que un polimorfo de una sustancia dada se transforma en otro al cambiar las condiciones de (P,T) reinantes. Pueden ser: A) desplazativas; B) reconstructivas; y C) entrópicas. Es importante agregar que, los polimorfos formados a alta T y/o permanecen metastables en la superficie terrestre, debido a que la tansformación polimórfica que los llevaría a una fase estable en condiciones superficiales se llevaría a efecto a una rata tan lenta, que prácticamernte no ocurriría. Esto es muy afortunado, pues todas las estimaciones de (P,T) mencionadas anteriormente no podrían hacerse si los minerales se equilibraran instantáneamente a las condiciones superficiales. Es más, se puede decir que la geología, en toda la extensión de la palabra, existe gracias a la metastabilidad de esos minerales formados a T y P diferentes a las que imperan en la superficie. Las rocas ígneas, metamórficas y hasta las sedimentarias, están formadas por fases metastables, las cuales “cuentan” la historia geológica acaecida en la región donde ellas se encuentran. Si no ocurriese así, todo lo que habría en la superficie terrestre serían suelos, sin ningún afloramiento de roca. El suelo es la fase estable en condiciones superficiales, no la roca, por ende, aun las rocas más resistentes se meteorizan y se transforman en suelos residuales o transportados, siendo algunos de sus componentes llevados en solución al mar. La pedología sería la única ciencia de la Tierra, de no haber metastabilidad de los minerales formadores de rocas.

A) Transformaciones polimórficas desplazativas

La diferencia entre dos polimorfos puede ser debida a pequeños desplazamientos de las unidades estructurales del cristal, que cambiarían ligeramente la simetría, pero no destruirían los enlaces presentes. Estas son las llamadas "inversiones" α − β o bajo-alto. Estas transformaciones ocurren con mucha rapidez, la forma de baja temperatura cambia de inmediato a la de alta temperatura al entrar en su campo (T,P) de estabilidad, y son reversibles. Sin embargo existe una histéresis de temperatura: al bajar la temperatura la inversión ß-α ocurre a una temperatura algo más baja que la inversión α-β. El promedio entre ambas temperaturas (TMAX+TMIN)/2 se toma como la temperatura de inversión Ti. La diferencia de energía libre de formación (ΔGf ) entre ambos polimorfos es pequeña y la presencia de otros minerales o fluidos en contacto con los cristales del polimorfo no altera ni cataliza la inversión.

El cuarzo (SiO2) presenta dos polimorfos: cuarzo α  o bajo y cuarzo β o alto, cuyo punto de inversión Ti, a P = 1 bar es de 573°C (Fig. 4-43 y ver Fig. 4-45A). El cuarzo bajo (α) tiene menor simetría (sistema trigonal, G.P. 32), sus cristales son combinaciones de romboedros (+) y (−) con prisma hexagonal. El cuarzo alto (β) cristaliza en el sistema hexagonal formando bipirámides hexagonales sin caras prismáticas (simetría 622). A temperatura ambiente todo el cuarzo es cuarzo α. En ciertas lavas ricas en sílice (riolitas, riodacitas), el cuarzo aparece como fenocristales (megacristales) de cuarzo β, formados a alta T (750-850°C) y tiene hábito bipiramidal hexagonal. Cuando la lava se enfría, alcanza el punto Ti  de 573°C y ocurre la inversión polimórfica: dentro de los límites de los cristales de cuarzo ß se genera cuarzo α. Este fenómeno se denomina pseudomorfismo y es obvio que ninguna forma β de alta temperatura existe a temperatura ambiente, sólo se hallan sus pseudomorfos constituidos internamente por formas α de baja temperatura, pero con geometría externa perteneciente a la forma de alta temperatura. A menudo las formas baja y alta polarizan la luz en sentidos opuestos. Así en el cuarzo α los ejes tornillo 31 tienen sentido "derecho" (Fig. 4-43a,c), mientras que en el cuarzo β los ejes tornillo 64 tienen sentido "izquierdo" (Fig. 4-43b,e). La convención adoptada indica que una rotación desplazativa "derecha" equivale al movimiento de un tornillo que se incrusta en la madera al girarlo en sentido horario (Fig. 4-43c). Casi todos los silicatos félsicos tienen formas baja y alta: albita, leucita, tridimita, cristobalita, etc.

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Fig. 4-43. Transformación polimórfica desplazativa o inversión α-β del cuarzo. (a) Estructura del cuarzo α, con simetría trigonal; (b) Estructura del cuarzo β, con simetría hexagonal; (c) Convención para eje tornillo derecho; (d); Eje tornillo derecho ternario del cuarzo α; (e) Eje tornillo izquierdo senario del cuarzo β. Este tipo de transformación es fácilmente reversible y ocurre en minutos, no existiendo sino pseudomorfos de la forma de alta temperatura, constituidos internamente por la forma de baja temperatura.

B) Transformaciones polimórficas reconstructivas

El polimorfismo de las estructuras cristalinas depende de dos factores: a) la posible existencia de unidades estructurales con coordinación fija (por ej.: tetraedros (SiO4)4- en los silicatos, triángulos (CO3)2- en los carbonatos, octaedros (Mg,Fe)O6 en los minerales ferromagnesianos, etc.); y b) la posible formación de nuevas unidades estructurales en respuesta a un cambio en el número de coordinación. Por ende existe la posibilidad que un número limitado de constituyentes estructurales pueda ser combinado de varias maneras. En el caso anterior del cuarzo α-β, un pequeño desplazamiento de unidades estructurales tetraédricas genera un polimorfo del mismo mineral, cuarzo, con diferente simetría. En las transformaciones reconstructivas el cambio de un polimorfo a otro requiere de la ruptura de los enlaces, la difusión de los átomos liberados y su reorganización para formar una nueva estructura estable a diferentes condiciones de (T,P). El primer paso, la ruptura de los enlaces, necesita mucha energía y constituye una barrera energética entre ambos polimorfos. El segundo, debido a la lenta difusión de los átomos o iones constituyentes en estado sólido, el proceso puede ser contrarrestado y hasta detenido por una rápida disminución de temperatura. El polimorfo inicial de alta temperatura puede persistir en equilibrio metastable aún a las condiciones de (T,P) en las que el polimorfo de baja temperatura es estable. La gran mayoría de los minerales que forman las rocas de la corteza terrestre se han formado en condiciones de (T,P) muy diferentes a las que existen en los afloramientos. Muchos fueron generados a grandes profundidades y elevadas temperaturas (por ej.: olivino, piroxenos, granates, sillimanita, etc.) y han sido levados a la superficie por procesos tectónicos o magmáticos relativamente rápidos que han cambiado drásticamente las condiciones de (T,P) a que estaban sometidos. Todos ellos se hallan en estado metastable y pueden perdurar así millones de años, a menos que los procesos de meteorización los alteren y generen otros minerales más estables en condiciones superficiales.

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