PROPIEDADES ROCAS Y MINERALES.

Instructor : Wilson Dario Mesa Holgun INGENIERO EN MINAS - UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA

Facultad seccional Sogamoso Centro nacional minero CNM SENA - formando para el trabajo

INTRODUCCIN

Dadas las caractersticas bajo las cuales se forman lasrocas, stas se encuentran constituidas por partculasslidas que son el producto de la sedimentacin uorigen de la roca que la formo. stas partculas seencuentran unidas de tal forma que entre ellas vanquedando espacios o vacos en donde se aloja por logeneral agua y aire. La relacin entre la proporcin deuno u otro marca el comportamiento de las rocas.Las propiedades fsicas controlan las caractersticasresistentes y deformacionales de la matriz rocosa.

Minerales y rocas1. En Geologa no se utiliza la palabra piedra. Siempre hablaremosde minerales y rocas.Roca: es el material formado como consecuencia de un procesogeolgico y puede estar formada por uno o varios minerales.Mineral: denominamos as a un material de la corteza terrestrecaracterizado por su composicin qumica y su estructura interna.Roca y mineral designan realidades muy diferentes.En Geologa no utilizaremos nunca la palabra "piedra",pues lo que llamamos as pueden ser dos tiposUn mineral es una sustancia slida, natural, inorgnica,con una composicin qumica fija (dentro de unoslmites) y estructura cristalina (con sus tomosordenados).

Una roca es un agregado natural de uno o ms minerales. Es un materialformado como consecuencia de un proceso geolgico como volcanes,sedimentacin, transformaciones de otras rocas, etc.Por tanto una sustancia para ser un mineral tiene que cumplir lassiguientes condiciones: Slido: ningn lquido puede ser un mineral. Natural: los diamantes y gemas artificiales obtenidos en laboratoriono son minerales. Inorgnico: no debe formar parte de un ser vivo. Composicin qumica fija: si vara a lo largo de la sustancia no es unmineral. Estructura cristalina: tiene que tener sus tomos ordenados. Lassustancias amorfas (sin orden interno), como la obsidiana, no sonminerales.

Las rocas son agregados de uno o ms minerales. Por tanto, puedenexistir rocas como la caliza o el mrmol que estn formadas por un solotipo de mineral, la calcita. En este caso hablaremos de rocasmonominerales. Ms frecuentemente, las rocas estn formadas porvarios minerales. La composicin mineralgica y la disposicin de losminerales (textura) van a ser determinantes en su identificacin.Las rocas se clasifican segn el proceso que las origin y no sucomposicin qumica. Rocas de similar composicin, como la caliza y elmrmol (carbonato de calcio) o las areniscas silceas y las cuarcitas(dixido de silicio), se clasifican como sedimentarias (la caliza y laarenisca) o metamrficas (el mrmol y la cuarcita) atendiendo a suproceso de formacin.

2. Los mineralesPropiedades de los mineralesLas propiedades de los minerales nos permiten diferenciarminerales distintos. Identificar las propiedades de un mineral nospuede permitir reconocerlo, saber su composicin y su utilidad sinnecesidad de realizar anlisis qumicos. Los minerales, comosustancias puras, presentan unas propiedades medibles yconstantes. Algunas propiedades pueden variar entre diferentesmuestras. Pero en muchas ocasiones un par de propiedades nospermiten identificar un mineral. Para nuestra formacin a niveltecnolgico vamos a dividir las propiedades en:

LAS PROPIEDADES FSICASLas propiedades fsicas de los minerales son fundamentales para suidentificacin. Algunas de las ms importantes puedendeterminarse mediante simple inspeccin ocular (visu) o medianteensayos muy sencillos. Todas las caractersticas de los mineralesdependen de su composicin qumica y estructura, en la queejercen una gran influencia las contaminaciones, mezclas y defectosestructurales que posea cada ejemplar en concreto. Laspropiedades fsicas ms importantes son la densidad, laspropiedades magnticas, las propiedades elctricas y la forma ohbito.

DENSIDADLa densidad es la relacin entre la masa de un mineral y el volumenque ocupa. Se suele expresar en g/cm3. Se consideran: ligeros condensidades inferiores a 2,5 g/cm3, normales entre 2,5 y 4 g/cm3 ypesados los superiores a 4 g/cm3. La densidad es un dato de granfiabilidad para la determinacin de los minerales.

PROPIEDADES MAGNTICASEs una propiedad relacionada con el contenido en hierro (Fe) deun mineral.Cuando los minerales son fuertemente atrados por un imn sedenominan ferro-magnticos como la magnetita. Algunosminerales son atrados dbilmente y se les denominaparamagnticos como el hematites y la siderita. Cuando no sonatrados se denominan diamagnticos como el azufre y el cuarzo.

PROPIEDADES ELCTRICASLa conductividad es la facilidad de un mineral para transmitir lacorriente elctrica. Los metales nativos, los sulfuros y los xidosmetlicos son buenos conductores pero la mayora de losminerales son malos conductores. Algunos cristales cuando sesometen a variaciones trmicas se cargan de electricidad enalgunas caras, el fenmeno se conoce como piroelectricidad (laturmalina). Algunos minerales al estar sometidos a presinadquieren cargas elctricas de signo contrario en sus extremos. Elfenmeno se conoce como piezoelectricidad. As, el cuarzo escapaz de generar chispas cuando es golpeado.

FORMA O HBITOEl hbito cristalino describe el aspecto y forma que presentan los minerales. El hbito se encuentra determinado por las condiciones ambientales de formacin y es reflejo de la estructura cristalina. Unmismo mineral puede aparecer bajo hbitos diferentes.

PROPIEDADES PTICASSon propiedades que se producen al incidir la luz sobre un mineral.Vamos a estudiar el brillo, la transparencia, el color, lalumniniscencia, y la doble refraccin.

Brillo: es una propiedadque describe el aspectoque presenta la superficiede mineral cuando reflejala luz. El brillo no tienerelacin alguna con elcolor del mineral. El brillode unmineral puede ser vtreo,metlico, adamantino ysedoso entre otros.

Transparencia: los minerales, segn permitan el paso de la luz, sepueden clasificar como: Transparente: puede apreciarse con nitidez la forma de un objetosituado detrs. Translcido: deja pasar luz pero no se aprecian las formas. Opacos: los cristales impiden totalmente el paso de la luz.

Color: es el color que presenta el mineral. Puede ser determinante en algunos minerales como la azurita (azul), olivino (verde oliva),azufre (amarillo), malaquita (verde)...

Luminiscencia: algunosminerales, como la fluorita,emiten luz al ser iluminados conluz ultravioleta.Doble refraccin: algunosminerales, como la calcita,desvan la luz formando unadoble imagen.

PROPIEDADES MECNICAS

La dureza es la resistencia que ofrece la superficie de un mineral aser rayada. Depende de la estructura (cuanto mayores sean lasfuerzas de enlace, mayor ser la dureza).Para cuantificar la dureza se utiliza la escala de Mohs que tomacomo referencia 10 minerales y sus durezas relativas.En laboratorios acadmicos o el campo es frecuente determinar ladureza rayando el mineral de forma sucesiva con la ua, vidrio ycuarzo:

Fractura.

La rotura de un mineral a lo largo de una superficie irregular sedenomina fractura. Existen tambin diversos nombres paradesignar las diferentes clases de fractura: concoidea (en forma deconchas), fibrosa o astillosa. La fractura concoidea es tpica delslex, la variedad microcristalina del cuarzo.

La exfoliacin

es la propiedad por la que un mineral se rompe a favor de algunade sus caras planas, en lminas como las micas, romboedros en lacalcita o cubos en la galena. Esta propiedad est ntimamenteligada a la estructura cristalina.Para describir otras propiedades mecnicas de los minerales se emplean trminos como los siguientes:

TENAZ: la tenacidad es la resistencia queopone un mineral a la rotura o deformacin.No tiene ninguna relacin con la dureza (eldiamante es el mineral ms duro que existepero se puede romper con facilidad).FRGIL: el mineral se rompe con facilidad yse hace trozos con poco esfuerzo.MALEABLE: el Mineral se lamina mediantegolpes (oro).DCTIL: el mineral puede estirar en formade un hilo (oro).FLEXIBLE: cuando el mineral es doblado yno recupera su forma al cesar el esfuerzo.ELSTICO: cuando el mineral es doblado,recupera su forma al cesar el esfuerzo(micas).

PROPIEDADES QUMICAS:Miden la capacidad de reaccionar conotras sustancias. Algunas propiedadesqumicas pueden ser percibidas por lossentidos como sabor (solubilidad) yolor (contenido en azufre).Reaccin con cidos: la calcitareacciona con el cido clorhdrico y sedescompone desprendiendo dixidode carbono.Solubilidad: formacin de unadisolucin en agua, como el yeso.Algunos minerales solubles poseensabor salado, como la halita y la silvina.Radiactividad: emisin de partculasatmicas, como la uraninita.

La clasificacin de los mineralesLos minerales se clasifican atendiendo a su composicin qumica.Ya vimos que la composicin y la estructura determinabanmuchas de las propiedades del mineral.Aunque son muchos grupos, uno solo, los silicatos, constituye lamayor parte de las rocas terrestres.Los minerales se clasifican por su composicin qumica,recibiendo las clases en las que se ordenan el nombre del tipo decompuesto qumico.

Elementos nativos: formados por un solo elemento qumico. Ejemplos son el oro, la plata, el platino, el azufre, el diamante y el

grafito.Halogenuros: son sales como la halita, que es la sal que utilizamos

en los alimentos. Otras sales son la silvina y la fluorita.xidos: se combinan metales con oxgeno. Ejemplos son la

magnetita y hematites (xidos de hierro), y corindn (de aluminio).Sulfuros: combinaciones de azufre y un metal. De este grupo son la pirita (de hierro), la galena (de plomo) o el cinabrio (de mercurio).Carbonatos: minerales como calcita y dolomita forman las rocas

carbonatadas. Otro de inters es la siderita (mena de hierro).Sulfatos: el ms abundante es el yeso. Otros sulfatos son la

anhidrita y la baritina.Silicatos: son los minerales ms abundantes. Destacan el cuarzo,

los feldespatos, las micas (moscovita y biotita), el olivino y los granates.

3. Las rocasEl ciclo de las rocas El ciclo de las rocas ilustra las posiblestransformaciones de unas rocas en otras y nos muestra los procesosgeolgicos que originan los diferentes tipos de rocas: sedimentarias,metamrficas y magmticas.Las rocas sedimentarias se forman en zonas bajas del planeta en lasque se acumulan grandes cantidades de sedimentos: las cuencassedimentarias. Los sedimentos all acumulados sufren un proceso delitificacin (transformacin en rocas).En las rocas sedimentarias es frecuente la acumulacin de restos deseres vivos que, tras su litificacin, se transforman en fsiles.

Posteriormente estas rocas pueden sufrir grandes cambios a causadel aumento de la presin y de la temperatura en un procesodenominado metamorfismo. Las rocas as originadas se denominanrocas metamrficas. Las rocas al sufrir aumento de temperaturapueden fundir originando magma (roca fundida) que tiende aascender al ser menos denso que las rocas circundantes. Al ascendery enfriarse pueden solidificar originando rocas magmticas. Sisolidifican en el interior se denominan rocas intrusivas. Y sisolidifican al ser expulsadas al exterior se les denomina rocasextrusivas o volcnicas.

La erosin y eltransporte van a irreduciendo los relieves.Los cambios en el niveldel mar pueden haceraparecer cuencassedimentarias. En lascuencas sedimentariasse acumulan lossedimentos que sufrenlitificacin y setransforman en rocassedimentarias.

El ciclo de las rocas no tiene fin.

Las rocas formadas por la litificacin (compactacin ycementacin) de sedimentos reciben el nombre de rocassedimentarias.Siempre vamos a encontrar huellas que nos permiten reconstruirsu historia. Las rocas sedimentarias se clasifican en:Rocas detrticas: formadas por fragmentos de otras rocas. Seclasifican segn el tamao de los fragmentos que las forman enconglomerados (gruesos), areniscas (medios) y arcillas (finos).

Rocas qumicas: la acumulacin de material sobre la superficie esproducto de una reaccin qumica. Segn el tipo de reaccin seforman varios tipos de rocas: carbonatadas, como las calizas, oevaporticas como el yeso o la sal gema.

Rocas orgnicas: a veces los seres vivos forman rocas gracias a laacumulacin de sus restos.Hay dos tipos de rocas formadas por restos deseres vivos y congran inters econmico:El petrleo se forma por la acumulacin de plancton marino en elfondo de los ocanos.El carbn se forma a partir de restos vegetales acumulados enzonas continentales.

Las rocas magmticas se forman cuando un magma llega a lasuperficie terrestre y solidifica. Las que solidifican en el interiorse denominan intrusivas, como el granito. Las que solidificanen el exterior se denominan volcnicas, como el basalto. Si unaroca es sometida a grandes presiones y grandes temperaturassus minerales se transforman, crendose una nueva roca.A estas rocas las llamamos rocas metamrficas, siempre quela roca no se haya llegado a fundir (en ese caso se habraformado un magma). Si una arcilla sufre metamorfismo, laspresiones crecientes en el interior de la corteza la van atransformar en otras rocas como la pizarra, posteriormente enesquisto y, si continua el metamorfismo, por ltimo en gneis.En el caso de una roca caliza el metamorfismo originar unmrmol.

PROPIEDADES FSICAS Y MECNICAS DE LAS ROCAS

INTRODUCCIN: para la descripcin e identificacin cuantitativade las propiedades bsicas de las rocas, se usan los llamadosPROPIEDADES NDICES.PROPIEDADES INDICES. Se dividen en 2:

1.-Propiedades de identificaciny clasificacin:a.-Composicin Mineralgica.b.-Fabrica y Textura.c.-Tamao del grano.d.-Color.e.-Porosidad.f.-Peso especifico.g.-Permeabilidad.h.-Durabilidad.i.-Alterabilidad.

2.-Propiedades Mecnicasa.-Resistencia a la CompresinSimpleb.-Resistencia a la Traccin.c.-Velocidad de las ondasSnicas.d.-Resistencia.e.- Deformabilidad.

Propiedades Fsicas de la matriz Rocosa

Se define como la relacin entre el volumen ocupado por loshuecos o poros en la roca (Vv) y volumen total de la roca (V).

n= Vv / V (%)

Es la propiedad que mas interviene o afecta las caractersticasresistentes y mecnicas de las rocas.Es inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad; esdirectamente proporcional a la deformabilidad (Modulo deElasticidad y Poisson), ya que esto aumenta las zonas dedebilidad.Decrece a medida que aumenta la profundidad y la edad de lasrocas.Valores normales de la porosidad es 15 a 30 %.

INDICE DE POROS: se define como la relacin entre el volumen ocupado por los huecos (Vv) y el volumen de las partculas slidas (Vsol).

e= Vv /Vsol

PESO ESPECIFICO: tambin es llamado peso unitario, se define por el peso de la muestra (Wm) por unidad de volumen de la muestra (Vm).

g = Wm/VmTambin se puede obtener el Peso especifico por la siguiente formula:

g = r*gDonde r la densidad de la roca y g es la gravedad.No se debe confundir el peso especifico con la densidad

PERMEABILIDAD: se define como la capacidad de transmitiragua en un roca.Esta se mide por el coeficiente de permeabilidad o deconductividad hidrulica (k) y se define por la siguiente formula:

k=K(gw / m)gw: peso especfico del agua.m: viscosidad del agua.Tambin es empleada la Ley de Darcy, que relaciona la cantidadde flujo (Q) con el gradiente hidrulico de presin durante elflujo por la unidad de longitud y la formula es la siguiente:

Q=k*i*A

DURABILIDAD: se define como la resistencia que presenta la rocaante los procesos de alteracin y desintegracin. Esta propiedadndice tambin es conocida como alterabilidad, en otras palabras,esta propiedad mide la tendencia a la rotura de los componenteso de las estructuras de la roca.La durabilidad puede estar afectada por procesos de hidratacin,disolucin y oxidacin. Esta propiedad aumenta con la densidad yse reduce con el contenido de agua.

PROPIEDADES MECNICAS.

RESISTENCIA A COMPRESIN SIMPLE: es llamada tambinresistencia uniaxial y se define como el esfuerzo mximo quesoporta la roca sometida a compresin uniaxial, la cual sedetermina a travs de una probeta cilndrica sin confinar en ellaboratorio.

PROPIEDADES MECNICAS.RESISTENCIA A COMPRESIN SIMPLE: La probeta rocosa y/omineral a ser ensayada debe tener la siguiente relacin:L/D = 2Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).FACTOR DE CORRECCIN DE PROTODYAKONOV:Cuando la relacin de L/D = 2, se puede aplicar el factor deCorreccin de Protodyakonov, cuya relacin matemtica es lasiguiente:Donde:do = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2.dc = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D ? 2.L = Longitud de la Probeta.D = Dimetro de la Probeta.

VELOCIDAD DE LAS ONDAS SONICAS: este ensayo permite medir la velocidad delas ondas elsticas longitudibales y transversales (Vp y Vs) alatravesar una probeta de roca seca o saturada. La velocidad de laonda esta relacionada con las caractersticas mecnicas del material,su resistencia y su Deformabilidad y a partir de ellas se calculan losmdulos de deformacin elsticos dinmicos: Ed y gd El ensayoconsiste en trnsmitirondas longitudinales mediante compresin ultrasonica y medir eltiempo que tardan dichas ondas en atravesar la probeta.La velocidad de la onda de corte Vs es aproximadamente 2/3de lavelocidad de las ondas longitudinales VP..La finalidad de realizar este ensayo es la de calcular los mduloselasticos dinmicosdel macizo rocoso Ed y gd

CLASIFICACIN DE LAS ROCAS CON FINES GEOTCNICOS

CLASIFICACIN DE LAS ROCAS CON FINES GEOTCNICOSLa Primera clasificacin se refiere a la resistencia a lacompresin simple. Esta basada en trminos cualitativos apartir de valores que se obtienen del ensayo.