Introdução à Engenharia Geotécnica Minerais Vítor Pereira Faro vpfaro@ufpr.br Sidnei Helder Cardoso Teixeira s.teixeira@ufpr.br Agosto 2016 Minerais 1
MINERAIS A história da utilização dos minerais resulta da observação dos achados arqueológicos. Monazite Ce(PO4) O homem pré histórico, para cobrir as suas necessidades, fez uso do sílex e outras variedades de quartzo. Nas sociedades neolíticas, o homem usou gemas ( minerais utilizados em joalharia e ourivesaria ) como moeda de troca. Quando descobriu os metais ( ouro, cobre, estanho, ferro ) passou a fazer uso deles. O conhecimento dos metais e a sua utilização caracterizou alguns períodos da antiguidade, como a Idade do bronze ou a Idade do ferro. Actualmente, o homem faz uso directo ou indirecto de quase todos os minerais conhecidos, mais de 4.000 espécies minerais. Conceito: Minerais É uma substância sólida homogênea (cristalina) de ocorrência natural, de composição química definida (mas em geral não fixa) e com um arranjo atômico altamente organizado. É usualmente formado por processos inorgânicos. (Klein e Hurlbut, 1995, Manual of Mineralogy) Um mineral é qualquer substância sólida inorgânica EXCEÇÕES: o petróleo e o âmbar são considerado minerais, embora sejam matéria orgânica e o petróleo não possuir composição química definida. Mineralogia: ciência que estuda as propriedades, composição, maneira de ocorrência e gênese dos minerais. 2
Conceito: Minerais Suas propriedades podem ser vectoriais ou escalares conforme dependem ou não da direção em que são medidas ou observadas. A dureza, a clivagem, a resistência à compressão são exemplos de propriedades vectoriais enquanto que o peso específico e a porosidade são propriedades escalares. As propriedades vectoriais podem ser contínuas (ex. resistência à compressão) ou descontínuas (ex. clivagem). Isotropia mesmo valor para uma determinada propriedade independentemente da direcção em que esta é medida. Caso contrário Anisotropia Conceito: Cristal Formados quando há um ambiente favorável (aquecimento lento). As moléculas se juntam em forma ordenada. É definido numa geometria em que as faces são planas. "Toda formação em Cristal é identificado como matéria mineral, mas nem todo mineral se apresenta em forma de cristais". Os minerais se formam por cristalização, a partir de líquidos magmáticos ou soluções termais, pela recristalização em estado sólido e, ainda, como produto de reações químicas entre sólidos e líquidos. 3
Outros Conceitos Mineralóide: qualquer sólido que ocorra naturalmente e que não possua arranjo sistemático dos átomos (estrutura cristalina). Minério: todo mineral ou rocha que contém um metal ou mineral explorável em condições econômicas. Gema: mineral, rocha ou substâncias orgânicas (ex. âmbar), naturais ou artificiais, que apresentam raridade, beleza e durabilidade e podem ser utilizados em joalharia. Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Clivagem Brilho Transparência Dureza Cor e Cor do traço Densidade relativa Propriedade magnética Propriedades organolépticas 4
Propriedades Físicas dos Minerais As propriedades físicas constituem a base da identificação dos minerais em amostra de mão. A identificação inconteste de um mineral só pode ocorrer em laboratório (difração de raios X e análise química). É a resistência ao risco, dada pela escala empírica de MOHS. A variação da dureza dessa escala não é proporcional. Dureza É função da composição química e da estrutura cristalina: Compostos de metais pesados (Au, Ag, Cu, Pb): moles Sulfetos em geral: moles Sulfetos e óxidos de Fe, Ni ou Co: duros Óxidos e silicatos (especialmente com Al): duros Diamante e grafite são formados por C. A diferença de dureza é em função da estrutura 5
Dureza escala Mohs Riscado com a unha Riscado c/ plástico comum e prego Riscado c/ prego e canivete de aço Riscado c/ lima de aço ou vidro Material que constitui osso animal Dureza do vidro. Resiste ao prego Resiste ao canivete e vidro comum Resiste à lima de aço Corresponde ao abrasivo alundum Não é riscável Dureza escala Mohs 6
Dureza escala Mohs Talco Gipsita Calcita Fluorita Apatita Feldspato Quartzo Topázio Coríndon Diamante Traço É a propriedade do mineral deixar um risco de pó quando friccionado contra uma superfície não polida de porcelana branca. Dureza > 7(porcelana) causa sulco nesta, e dizemos que tem traço incolor. O traço nem sempre apresenta a cor do mineral. Ex: Hematita (Fe 2 O 3 ) (preto cinzento): traço vermelho sangue Pirita (FeS 2 ) (amarelo latão): traço pretoesverdeado ou castanho 7
Clivagem É a propriedade de os minerais se partirem em determinados planos ou já apresentarem esses planos, de acordo com suas direções de fraqueza. Pode ser: Proeminente: mineral apresenta plano evidente e quase perfeito. Ex: mica (folhas //) e calcita (romboedro) Perfeita: plano apresenta aspereza. Ex: feldspatos Distinta: planos com pequeno grau de escalonamento. Ex: Fluorita Indistinta: Apatita Cleavage in one directione Micas biotite and muscovite Clivagem Cleavage in two directions at right angles Orthoclase Cleavage in three directions at right angles Halite, galena Cleavage in three direction, not at right angles Calcite, Dolomite Cleavage in four directions Fluorite, diamond 8
Quando os minerais não se partem em planos, mas segundo uma superfície irregular. Fratura Conchoidal: concavidades ± profundas Igual ou Plana: superfície com pequenas elevações e depressões, mas próxima a um plano Desigual ou Irregular: superfície irregular Tenacidade É a resistência ao choque de um martelo, ou ao corte de uma lâmina de aço. Quebradiços ou friáveis: reduzem se a pó quando submetidos à pressão. Ex: calcita Sécteis: podem ser cortados por uma lâmina. Ex: gipsita Maleáveis: redutíveis a lâminas pelo martelo. Ex: ouro 9
Propriedade que os minerais possuem de sofrerem deformações Flexibilidade Def. Elástica: Deixa de existir quando retirado o esforço Ex: mica Def. Plástica:Permanece após a retirada do esforço. Ex: talco Densidade Indica quantas vezes certo volume do mineral é mais pesado que o mesmo volume de água. Minerais formadores de rocha oscila entre 2,5 a 3,3. Minerais com elementos de alto peso atômico (Ba, Pb, Sr...) apresentam densidade > que 4. Fatores que influenciam na densidade: a) natureza dos átomos: > Peso Atômico, > Densidade (G) b) estrutura atômica: diamante: compacto (3,5) grafita: menor número de átomos (2,2) 10
Densidade Hábito É a maneira mais frequente como um cristal ou mineral se apresenta. Todos os minerais estão enquadrados em um dos tipos de sistema cristalino. Ex: - Quartzo: Prismático, terminando por faces de romboedro. - Feldspatos: Prismas monoclínicos ou triclínicos. - Micas: Placas tabulares. - Calcita e dolomita: romboédrico - Pirita: cúbico - Gipsita: prismático fibroso 11
Propriedades Ópticas: Brilho É o aspecto da reflexão da luz na superfície do mineral. Pode ser: Metálico: Semelhante ao dos metais polidos. São geralmente escuros e opacos. Ex.: galena, pirita Não metálico: são geralmente claros e, quando delgados, são transparentes. Outros: vítreo (quartzo), resinoso (blenda), graxo (gipsita), adamantino (anglesita), sedoso (gipsita) Propriedades Ópticas: Cor Observação em superfície de fratura recente, pois a superfície exposta ao ar se transforma, formando películas de alteração. Ex. minerais ferruginosos podem apresentar uma película amarela de oxidação. Substituições moleculares também mudam a cor. Ex: Blenda (ZnS) pode ter o Zn substituído por Fe, passando da cor cinza p/ preta. Micas podem ser incolores, brancas, pretas, esverdeadas. Quartzo pode ser incolor, branco, amarelo, violeta, enfumaçado. Feldspatos são cinzas, róseos ou brancos. (são alocromáticos) 12
Classificação dos minerais A classificação dos minerais baseia-se na composição química do ânion ou do grupo aniônico, de acordo com a proposta inicial de Berzelius. Minerais com mesmo radical aniônico apresentam propriedades físicas e morfológicas muito mais semelhantes entre si que minerais com o mesmo cátion. Minerais com mesmo radical aniônico tendem a ocorrer associados na natureza, sendo originados por processos físico-químicos semelhantes. Classificação dos minerais 13
Classificação dos minerais Identificação das rochas Pode ser feita pelo tipo de mineral que as integra: Mineral essencial: o mineral caracteriza um tipo de rocha. Ex: granito, constituído por quartzo, micas e feldspatos; Minerais acessórios: revelam condições especiais de cristalização; Minerais secundários: aparecem na rocha após sua formação, i.e., formados pela alteração de outros minerais 14
Identificação das rochas *Minerais Máficos: Contém Fe e Mg em sua composição química. São escuros. *Minerais Félsicos: Não contém Fe e Mg. São de cor clara. Características dos silicatos Silicatos: Compostos químicos mais presentes na constituição das rochas 15
Características dos silicatos Características dos silicatos 16
Características dos silicatos 17