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DATA BASE:HONGOS / for AGRONED ON LINE/ Edgar Guerra /V. Sancho F. Villavicencio/ 2007

GEOQUIMICA  AGRONED Computer  data base.

Geoquímica

Geochemistry.

 

u (De geo- y química); sust. f.

1. Ciencia que estudia la composición química de la corteza terrestre.

& [Geología] Geoquímica.

Ciencia que estudia la composición química de la Tierra; su distribución y abundancia de elementos químicos (incluyendo a los isótopos) en minerales, rocas, suelos, agua y atmósfera; así como las causas de la distribución y la circulación de estos elementos en la naturaleza en base a las propiedades de sus átomos e iones.

Esta ciencia se encuentra ligada con las ciencias de la Tierra, y en especial, con la cristalografía, mineralogía, petrología, hidrología y climatología; pero la continua evolución que experimenta la exploración planetaria ha supuesto que la geoquímica amplíe sus campos de estudio. Los problemas que principalmente analiza la geoquímica son el origen y la abundancia de los elementos químicos en el universo, nuestra galaxia, sistema solar y sus planetas; su distribución en atmósfera, hidrosfera, corteza, manto y núcleo terrestre; los elementos y grupos iónicos presentes en las estructuras cristalinas de las distintas fases minerales; las reacciones químicas que caracterizan los distintos procesos metamórficos y producen la desaparición de ciertas especies minerales en favor de otras nuevas; el transporte de elementos químicos en disolución por acción de aguas meteóricas, subterráneas, fluviales, lacustres o marinas; los cambios químicos que se producen durante los procesos de compactación y cementación de depósitos sedimentarios; las reacciones existentes en las etapas de evolución magmática hasta la consolidación de las masas plutónicas, así como las presentes en procesos de efusión volcánica; y los mecanismos de acumulación de las distintas menas minerales, ya sean de origen ígneo, metamórfico, o sedimentario.

Historia

La consideración de la geoquímica como ciencia es muy reciente, no es hasta principios del siglo XX cuando los petrólogos de origen escandinavo V. M. Goldschmidt y P. E. Eskola, llevan a cabo los estudios pioneros en este campo y establecen los principios que rigen los cambios presentes en las reacciones metamórficas.

Eskola geólogo finlandés (1883-1964) estudia el equilibrio de las fases minerales presentes en las rocas metamórficas del escudo escandinavo, así como las facies que presentan. En sus estudios, vislumbra la relación existente entre la composición química y mineralogía de las rocas, de manera que una vez alcanzado el equilibrio de las mismas, su posible composición mineral sólo esta controlada por la composición química. En la actualidad se sabe que la existencia de una fase mineral depende de otras muchas variables como por ejemplo la presión y la temperatura.

La aparición de nuevas técnicas de estudio como la difracción de los rayos X (definida por Max Von Laue, en 1912), permite a Goldschmidt (químico y petrólogo escandinavo) definir en 1921 la primera clasificación geoquímica de los elementos químicos, con el establecimiento de la estructura cristalina de más de 275 compuestos y elementos, y el desarrollo de las primeras tablas de sus radios iónicos. En 1929 en base a estos resultados, postula una ley (Ley de Woldschmidt), mediante la cual se consigue relacionar la composición química con la estructura cristalina, que queda definida por los iones, los tamaños que estos presentan y el carácter del enlace que los une.

Goldschmidt demuestra que la corteza terrestre está constituida principalmente por oxidaciones (arpoximadamente el 90% de su volumen), de ciertos elementos químicos en los que dominan el silicio. En la publicación de su obra Leyes geoquímicas de la distribución de los elementos, se fijan las leyes básicas de la química cristalina, razón por la cual se le considera como el precursor de la geoquímica.

La evolución posterior de la geoquímica se centra principalmente en el análisis y comprensión de la problemática medioambiental.

Ramas

La geoquímica presenta numerosas aplicaciones en diferentes ramas de la geología, así como con otras ciencias. Éste es el caso de la astronomía, en la cual la geoquímica proporciona una inestimable ayuda en la determinación de la abundancia relativa de los diferentes elementos que existen en la Tierra, la Luna y el resto de los planetas del sistema solar; así como la determinación de la edad radiométrica de meteoritos y rocas presentes en la corteza terrestre, mediante la estimación de sus concentraciones relativas en determinados elementos radiactivos.

Geoquímica orgánica

Con el término de geoquímica orgánica o biogeoquímica, se definen todos los aspectos geoquímicos referidos a las condiciones en las que se originó la vida, como es la evolución de la atmósfera e hidrosfera a partir de la aparición de los organismos aerobios; y los presentes en la incorporación de los organismos durante la génesis de ciertos depósitos sedimentarios. Hay que tener en cuenta que los organismos vivos concentran determinados compuestos químicos, como por ejemplo los carbonatos que constituyen las conchas de moluscos y partes esqueléticas de organismos superiores; o los azúcares y proteínas que acumulan las plantas; cuya concentración lleva como consecuencia la formación de un tipo de depósito denominado biogénico. Algunos de ellos presentan un gran interés económico, y la geoquímica estudia todos los aspectos relacionados con su formación, enriquecimiento y explotación; tal es el caso de los depósitos de fosforita, caliza, dolomía, carbón y petróleo.

Véase: Ciclo biogeoquímico.

Geoquímica ambiental

Rama de la geoquímica ocupada de los eventos ligados al entorno del ser humano, que afectan directamente a la salud pública. Existen elementos y compuestos químicos (como el plomo o el nitrato) de cuya concentración, aún en pequeñas cantidades, presentan una gran toxicidad o resultan enormemente cancerígenos para el organismo; los oligoelementos (flúor, cobalto, níquel, etc.), por el contrario, son esenciales para el organismo en pequeñas cantidades, mientras que el aumento en su concentración los convierte en tóxicos. El estudio de su concentración en el agua se hace imprescindible para establecer el grado de contaminación o la potabilidad.

El sustrato rocoso imprime gran parte de las características químicas de un suelo, sus elementos, la vegetación que va a desarrollar y los iones en disolución de las aguas subterráneas existentes. El análisis de estos datos es una ayuda inestimable para el control de las zonas de peligro donde existan elementos, o minerales potencialmente tóxicos, o cancerígenos. Por ejemplo, el selenio es dañino para el desarrollo de la vida animal en zonas de excesivo regadío; la concentración de gas radón en zonas de escasa ventilación, incide en el cáncer de pulmón; y el consumo prolongado de aguas con nitratos en disolución, resulta cancerígena.

Geoquímica isotópica

Esta rama tiene un importantísimo papel en geología. El enriquecimiento y empobrecimiento en ciertos isótopos radiactivos de determinadas sustancias, y el conocimiento de las concentraciones relativas de sus masas; permite el conocimiento exacto de la antigüedad correspondiente a las rocas que los contienen, y en ocasiones, emplearlos como geotermómetros.

Por ejemplo, la medida de la proporción entre los isótopos de oxígeno-16 y oxígeno-18 presente en el carbonato cálcico que segregan ciertos animales marinos en las partes esqueléticas, está influido por la temperatura del agua en la que se desarrollaron. Éste es el caso de las conchas calcáreas de organismos fósiles cuyo análisis isotópico permite estimar la temperatura a la que se encontraron los mares en aquella época. Mediante este método, se ha podido deducir las variaciones que presentaron los océanos durante y entre las distintas glaciaciones, mediante el análisis de los fragmentos esqueléticos de organismos planctónicos fosilizados.

La datación absoluta de determinadas rocas en geocronología, se basa en los análisis radiométricos de los minerales que las componen. Los métodos de datación absoluta se basan en el perfecto conocimiento del fenómeno radiactivo, mediante el cual un elemento radiogénico (o elemento padre) disminuye su concentración uniformemente a lo largo del tiempo, generando como resultado un nuevo elemento radiactivo (o elemento hijo). Cada uno de estos métodos analiza las proporciones existentes entre dos elementos radiactivos (el elemento padre y el elemento hijo), como por ejemplo las proporciones existentes entre el uranio-238 y el plomo-206; entre el uranio-235 y el plomo-207; o la existente entre el potasio-40 y el argón-40. Cada uno de estos casos tiene una velocidad de desintegración característica, en el primer caso la vida media del U238 es de 4.510 m.a., la del U235 de 713 m.a. y el caso del K40 1.300 m.a.

La peculiaridad por la cual cada elemento radiogénico presenta una vida media de desintegración diferente, caracteriza a cada elemento para un determinado uso. Los métodos basados en isótopos de uranio son los más precisos, mientras que el método de potasio-argón es el más común.

Para ampliar información sobre este tema, véanse los siguientes artículos:

Datación geológica.

Isótopo.

Técnicas de estudio

Las técnicas de análisis geoquímicos tienen por objeto hallar la composición química de los materiales, ya sea de forma directa sobre la propia muestra, o mediante ensayos con reactivos (vía húmeda). Se utilizan diversos aparatos, como espectrómetros de masa, espectrofotómetros y otros. Los resultados de los análisis se dan en forma de óxidos (SiO2, CaO, Al2O3, etc) o en forma de elementos, tanto cationes como aniones (SO4=, Na+, etc), que permiten trazar gráficas y diagramas de gran valor para deducir mecanismos de formación y procedencia de materiales.

Todos los métodos del análisis cualitativo se basan en la formación de compuestos insolubles mediante diversos reactivos, agregados sucesivamente a la disolución, después de separar por filtración el precipitado formado en cada caso. Cada precipitado, que contiene un grupo reducido de iones, se disuelve después, total o parcialmente en los reactivos apropiados; se agregan nuevos reactivos para formar precipitados con un número cada vez menor de iones hasta llegar a un único compuesto insoluble que caracteriza un particular ion. La formación de compuestos insolubles y la redisolución de precipitados (por formación de un compuesto molecular o iónico, poco ionizado) constituyen los procesos químicos analíticos. La aplicación sistemática del principio del producto de solubilidad constituye la base teórica de toda química analítica cualitativa.

La determinación cuantitativa de una sustancia o de un ion contenido en un determinado producto o en una disolución, puede realizarse de dos maneras: gravimétricamente y volumétricamente. Los métodos gravimétricos se basan en transformar la sustancia o ion en una nueva sustancia insoluble, que se aísla en estado puro y se pesa; el cálculo de la cantidad de sustancia que se determina es inmediato. Los métodos volumétricos se basan en agregar a un volumen definido de la disolución que contiene la sustancia o ion en cuestión, el volumen preciso de disolución valorada del reactivo adecuado, de modo que se agregue exactamente el mismo número de equivalentes de reactivo que de sustancia existentes en el líquido que se investiga; este procedimiento recibe el nombre de valoración.

Ensayos por vía seca

Son un tipo de técnica de identificación mineral cuantitativa muy sencilla, de manera que los ensayos se realizan de forma directa sobre la propia muestra. Los ensayos más comunes y sencillos son los realizados con ayuda de un mechero Bunsen, o un mechero Mecker (denomidados ensayos al soplete). Los ensayos por soplete no son del todo fiables en una exacta determinación de la composición química, pero su uso en la identificación mineral es muy corriente. Esta técnica determina las especies minerales mediante una serie de operaciones diagnóstico, como la determinación de la fusibilidad y el color de la llama, el calentamiento del mineral sobre carbón, en tubo cerrado y abierto, y ensayos a la perla de bórax y de fósforo.

Ensayos por vía húmeda

Estos ensayos determinan cualitativa y cuantitativamente la composición mineral, mediante el empleo de reactivos (normalmente ácidos), que disuelven los minerales y rocas. La determinación por vía húmeda da resultados bastante exactos, pero exige un mayor trabajo y requiere un equipo de laboratorio más sofisticado.

Uno de los más extendidos es el de la disolución en ácido clorídrico. Se suele realizar con una pequeña porción de mineral que se disuelve en 5 centímetros cúbicos de este ácido diluido. Para conseguir la disolución de algunos minerales es necesario su calentamiento o el empleo de ácido clorídrico concentrado.

Muchos minerales se disuelven presentando efervescencia cuando contienen componentes potencialmente gaseosos. Un caso típico es el de los carbonatos; todos ellos se disuelven en ácido clorídrico (como la calcita, el aragonito) con una característica efervescencia, reacción que, excepto en los dos casos anteriores, necesita ser calentada. Algunos sulfuros se disuelven en ácido clorídrico desprendiendo H2S (sulfuro de hidrógeno), gas con un característico olor a podrido. Los óxidos de manganeso al ser disueltos y calentados con ácido clorídrico concentrado, desprenden cloro, gas que al ser inhalado resulta tóxico

Otros minerales se disuelven totalmente sin presentar reacción alguna de efervescencia, tales como algunos óxidos, hidróxidos, sulfatos, fosfatos y arseniatos. Cuando los minerales son abundantes en ciertos elementos, la solución toma unas tonalidades características, de manera que si abunda el hierro, la solución presenta un tono amarillento; en el caso de los minerales de cobre, dan un color azul verdoso; y la abundancia de cobalto da tonos rosados.

La mayoría de los silicatos se caracterizan por descomponerse al ser sumergidos en ácido clorídrico, lo que produce sustancias insolubles (comunmente la sílice).

Análisis espectroscópico

El análisis óptico espectrográfico se emplea frecuentemente en investigaciones mineralógicas. El principio en que se basa este análisis es la existencia de ciertos elementos que, al ser llevados al estado de incandescencia, emiten ondas electromagnéticas con determinadas longitudes de onda (diferentes colores observables también en los ensayos a la llama). Si estas emisiones se examinan con el espectroscopio, se pueden identificar y medir dichas longitudes de onda, que, al ser típicas de los elementos presentes en cada mineral, resultan una herramienta muy útil en la identificación mineral.

El espectrógrafo es un espectroscopio que tiene un dispositivo para fotografiar el espectro electromagnético y poder someterlo a un estudio detallado. De esta manera se obtiene un registro constituido por una serie de líneas de diferentes colores, cuya intensidad es indicativa de los elementos presentes en el material. Esta técnica se aplica a la determinación de unos 60 elementos distintos principalmente metales.

La aplicación de los métodos espectroscópicos permite obtener datos sobre los componentes de la materia, tales como la composición mineral o la distribución de los elementos estructurales. Algunos de estos métodos son la fluorescencia de rayos X, la microsonda electrónica, la espectroscopía de luz visible, ultravioleta, infrarrojos, la espectroscopía Raiman, la resonancia magnética nuclear, la resonancia paramagnética elecrónica, etc.

La espectrometría de plasma inducido, al igual que la fluorescencia de rayos X y la microsonda electrónica, permite obtener la composición química de la muestra.

La espectrometría de absorción atómica que sólo es aplicable a 30 elementos del sistema periódico, tiene un rango de actuación de 1ppm-0,1%.

La espectroscopía Mössbawer es muy importante cuando se tiene fe en la muestra. Se pueden obtener datos sobre la valencia, la coordinación y el enlace. Se utiliza también para estudiar el Sn.

El valor de esta técnica es muy importante cuando se utiliza conjuntamente con la difracción de rayos X, pues el análisis espectrográfico indica los elementos presentes en el mineral, mientras que el difractograma caracteriza la estructura cristalina, de forma que permite precisar entre los distintos polimorfos de una misma sustancia.

Para ampliar información sobre este tema, véanse los siguientes artículos:

Análisis químico.

Espectroscopía.

Espectroscopio.

Materias relacionadas

Como la Tierra esta compuesta por elementos químicos, las rocas y la mayoría de los procesos geológicos pueden estudiarse desde un punto de vista geoquímico, razón por la cual la geoquímica se encuentra íntimamente ligada con las ciencias de la Tierra; y en especial, con la cristalografía, mineralogía, petrología, hidrología y climatología; pero la continua evolución que experimenta la exploración planetaria, el estudio de la composición y origen de los elementos que los componen, también permite la relación entre ésta ciencia y otras muy distintas como la astronomía.

La geoquímica se encuentra también muy ligada a la hidrología, la climatología, o la edafología; todas ellas ciencias de la Tierra, donde la interpretación de los análisis de suelos, atmósfera y la masa de agua existentes en el planeta es una herramienta imprescindible para su estudio.

Por otra parte, la geoquímica aplicada desarrolla las técnicas necesarias en prospección geoquímica y la búsqueda de yacimientos minerales, así como el control del impacto ambiental o el estudio de ciertas patologías relacionadas con el medio ambiente. La ingente cantidad de datos que ha aportado esta ciencia desde su consideración como tal ha permitido la observación del comportamiento en algunos elementos químicos que presentan afinidad por ciertos ambientes geológicos los cuales se han clasificado en litófilos, atmófilos, biófilos, etc.

Temas relacionados.

Geología.

Química.

Cristalografía.

Mineralogía.

Petrología.

Prospección geoquímica.

 

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