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Nesosilicatos 3: Polimorfos de Al2SiO5 y

Estaurolita.

Integrantes:

Francisco Bravo

Pablo Ceballos

Diego Fernández

Profesor

Martin Reich

Mayo 2012

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Índice

Capítulo I: Los Nesosilicatos………………………………………………..………..Pg.3

Capítulo II: Estructura y Propiedades Físicas…………………………………..….Pg.4

Capítulo III: Propiedades Ópticas……………………………………….……………Pg.7

Capítulo IV: Propiedades químicas y termodinámicas…………………………....Pg. 13

Capítulo V: Ocurrencia y Usos………………………………………………………Pg. 15

Referencias: …………………………………………………………….Pg. 17

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Capítulo I: Los Nesosilicatos

Introducción.

Los silicatos representan cerca del 25% de los minerales conocidos, y cerca del 40% de los más corrientes. Al mismo tiempo la gran mayoría de los minerales formadores de rocas corresponden a silicatos y constituyen cerca del 90% de la corteza terrestre.

Dentro de los elementos que constituyen la corteza el 62.5% corresponde al O, el 21.2% al Si y el 6.5% al aluminio. Un 2% o 3% corresponde a los elementos Fe, Mg, Ca, Na y K; mientras que el resto, con una posible excepción del Ti, se presentan en cantidades insignificantes en la corteza.

La importancia en el estudio de los silicatos radica en que se presentan en todo tipo de roca; ígneas, sedimentarias y metamórficas, y pueden darnos importante información sobre su ambiente de formación. Entre otros aspectos relevantes que influyen en su estudio cabe destacar que los podemos encontrar en innumerables áreas de nuestras vidas, los podemos encontrar presentes en el suelo donde cultivamos nuestra comida, esta presente como materiales de construcción en la mayoría de nuestros asentamientos urbanos (ladrillos, cementos, vidrio, etc.) y no solo tienen importancia dentro de

nuestro planeta, si no que también fuera de este, ya que se sabe que la Luna y planetas del sistema solar tienen cortezas formadas por rocas silicatadas muy parecidas a las de la Tierra.

La unidad estructural fundamental de los silicatos es el tetraedro de Silicio-Oxigeno, el cual consiste en un ion de silicio tetravalente rodeado de cuatro iones de oxígenos situado en los vértices del tetraedro. El grupo de los silicatos se subdivide en Nesosilicatos, Sorosilicatos, Ciclosilicatos, Inosilicatos, Filosilicatos y Tectosilicatos. Para este trabajo nos concentraremos en un área de los Nesosilicatos (el grupo Al2SiO5 y la Estaurolita), considerando sus propiedades cristalográficas, ópticas, termodinámicas y sus principales aplicaciones.

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Figura 1. Tipos de silicatos y la relación entre tetraedros. (Figuras extraída de http://www.tulane.edu/ ∼sanelson/eens211/)Nesosilicatos

En los Nesosilicatos, los tetraedros de Silicio-Oxigeno solo están unidos entre si con enlaces iónicos por medio de cationes intersticiales y sus estructuras dependen, principalmente, del tamaño y carga de estos cationes. El empaquetamiento atómico en las estructuras de estos átomos son en general, densos, es por esto que se caracteriza por tener valores relativamente altos de peso especifico y de dureza. A su vez, los tetraedros no están ligados a cadenas o laminas, lo que en consecuencia genera que presenten un habito cristalino equidimensional sin mostrar direcciones pronunciadas de exfoliación. Cabe agregar que existe en los silicatos una sustitución común entre Al3+ y el Si de los

silicatos, sin embargo, en los Nesosilicatos esta proporción es generalmente débil. Los Nesosilicatos los podemos agrupar de la siguiente forma:

Grupo de la Fenaquita. Grupo del Olivino. Grupo de los Granates. Grupo del Circón. Grupo del Al2SiO5. Grupo de la Humita.

El grupo de los aluminosilicatos esta compuesto por los polimorfos de Al2SiO5 (la Cianita, la Silimanita y la Andalucita), la Estaurolita y el Topacio (este ultimo no será analizado). Presentándose los primeros tres corrientemente en rocas metamórficas de grado medio a alto y composición rica en aluminio, de protolito pelítico principalmente.Si bien todos los polimorfos cuentan con características estructurales en común (cadenas de AlO6 paralelas al eje cristalográfico “c”) y tetraedros de SiO4 las característica principal que los diferencia es la coordinación del segundo Aluminio que presenta coordinación IV, V y VI en la Silimanita, Andalucita y Cianita respectivamente

Capítulo II: Estructuras y Propiedades Físicas.

Andalucita (Al2SiO5):

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Cristalografía: Pertenece al Sistema Ortorrómbico, a la clase 2/m 2/m 2/m. Los parámetros de la celda unitaria son: a=7,78 A°, b=7,92 A°, c=5.57 A° α=β=γ=90°. El volumen de la celda unitaria es de 342 Å. (Deer 1992).

Dentro de las propiedades físicas que podemos identificar en este mineral cabe destacar que posee clivaje prismático en {110} paralelo a las caras prismáticas en secciones transversales; tiene dureza de 7 ½ y un peso especifico entre 3,16-3,20 gr/cm3. Se caracteriza por tener brillo vítreo y su color suele variar entre un rojo de carne, castaño rojizo y verde oliva. Este mineral es posible de reconocer en una muestra de mano por su hábito prismático casi cuadrado y su dureza. Existe una variedad de la Andalucita llamada Quiastolita, la cual tiene inclusiones carbonosas de color oscuro,

dispuestas de forma regular y formando un dibujo cruciforme.

Composición y estructura: La estructura consta de cadenas de octaedros AlO6 paralelos al eje c enlazados en cruz con tetraedros SiO4 y poliedros bipiramidales trigonales de AlO5. Estos poliedros están entrelazados por aristas comunes.

Silimanita (Al2SiO5):

Cristalografía: Pertenece al Sistema

Cristalografía: Pertenece al sistema ortorrómbico, a la clase 2/m 2/m 2/m. Los parámetro de la celda unitaria

Figura 2: Proyección a través del eje a de andalucita mostrando el poliedro de coordinación clave. (REF: from Papike, 1987, Fig. 7d).

Figura 3: Proyección de la estructura del cristal de Sillimanita a través del eje a. (From Papike, 1987, Fig. 7b)

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son: a=7.48 A°; b=7.67 A°; c=5.77 A° con α=β=γ=90°. El volumen de la celda unitaria es de 331 A°. Dentro de las propiedades físicas podemos identificar una exfoliación perfecta en los planos {010}. Puede presentar un habito prismático alargado o fibroso (Fibrolita), en este ultimo caso formara agregados radiales. Dureza de 6.5 a 7.5 y un peso especifico de 3,23 a 3,27 gr/cm3. Se caracteriza por su brillo vítreo, color pardo, verde pálido o blanco.

Composición y estructura: Compuesto por cadenas de octaedros de AlO6 paralelas al eje c enlazados con tetraedros de SiO4 y AlO4.

Cianita (Al2SiO5)

Cristalografía: pertenece al sistema

Cristalografía: Pertenece al sistema triclínico, V1, generalmente aparece en cristales tabulares, largos, rara vez terminados. Los parámetros de la celda unitaria son: a=7.10 A°; b=7.74 A°; c=5.57 A°, con α=90°6’; β=101°2’; γ=105°45’. En agregados hojosos. Presenta clivaje perfecto en el plano {100} que controla la orientación de los fragmentos y buen clivaje en {010}, dureza 7 perpendicular al eje c y 4-5 paralela a él. Peso especifico de 3,55-3,66 gr/cm3. Brillo vítreo ha perlado, color generalmente azul, en ciertos casos blanco, verde o gris. Comúnmente presenta maclas singulares y/o múltiples con plano de macla {100}. Su característica diagnóstica más usada es su hábito hojoso, su exfoliación, su color azul y su dureza distinta en direcciones diferentes (razón por la cual también es comúnmente conocido como Distena).

Composición y estructura: cadenas de octaedros de AlO6 paralelas al eje c entrelazadas con octaedros de AlO6

y tetraedros de SiO4.

Estaurolita (Fe2Al9O6[(Si,Al)O4]4(OH)2)

Cristalografía: sistema monoclínico, clase 2/m. Los parámetros de la celda unitaria son a=7,80-7,95 A°; b= 16,6-16,65 A°; c = 5,56 – 5,67 A°.Cristales prismáticos elongados según el eje c, secciones basales hexagonales. Maclas cruciformes de dos tipos: (1)

Figura 4: Proyección de la estructura de la cianita a través del eje c. La línea punteada representa la hipotética ubicación de un plano de clivaje en (100) según Burnham (1963b). Los números fraccionales dan peso en coordenadas relativas a lo largo del eje c. (From Papike, 1987, Fig. 7e)

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con plano de macla {031} en la que se cruzas a casi 90°; (2) según el plano {231} en la que están cruzados a casi 60° ambos tipos pueden estar combinados en un grupo de maclas (estas maclas no son siempre visibles en cortes transparentes). También puede formar masas anhedrales y porfidoblastos en rocas metamórficas. Dentro de sus propiedades físicas se destacan su dureza 7-7.5, peso especifico de 3.65-3.75 gr/cm3. Brillo de resinoso a vítreo para el mineral puro y fresco; de mate a terroso cuando presenta impurezas o alteraciones. Color de castaño rojizo a negro castaño. Se reconoce por sus cristales maclados.

Figura5. Macla de estaurolita (Nesse 2004).

Composición y estructura: Capas de su estructura son parecidas a la estructura de la Cianita con composición 4Al2SiO5, paralelas al plano (010), estas se encuentran alternadas con capas de Fe2AlO3(OH)2.

Figura 6. The Canadian Mineralogist Vol.31 pp.551-582 (1993).

Capítulo III: Propiedades Ópticas.

Andalucita

Es un mineral anisótropo, con un carácter óptico Biaxial (-) y alto relieve respecto al bálsamo.

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Índice de refracción: varían según la composición de Mn y Fe.

ηα= 1,629-1,640

ηβ= 1,634-1,644

ηγ= 1,638-1,650

Color y pleocroísmo: Usualmente incolora en la sección transparente, pero puede presentarse en clores rosa o ligeramente verdosos, las variaciones que presentan colores tiene un pleocroísmo débil, usualmente X= rosa, Y=Z= verdoso, amarillo incoloro. Los colores son más oscuros dependiendo de las

cantidades presentes de Mn+3 (verde) y Fe+3 (rosado).

Orientación Óptica: Plano óptico en {010}, ejes orientados según X=c, Y=b y Z=a, de extinción paralela al clivaje y la elongación de los cristales, en secciones basales es simétrica.

Relieve: Moderadamente alto, n>bálsamo.

Birrefringencia: δ= 0,009-0,013 lo que le confiere colores de interferencia del primer orden (gris y blanco)

Figura de interferencia: En su mayoría la Andalucita tiene carácter Biaxial (-) con 2Vx mayor a 80°. Secciones basales muestran figuras de bisectriz agudas con metalopos fuera del campo de visión. Fragmentos con clivaje producen figuras de bisectriz obtusas descentradas. La dispersión en el eje óptico es débil con v>r.

Propiedades ópticas determinativas bajo el microscopio: Su alto relieve, ángulo 2V alto, extinción paralela y carácter de largo rápido.

Figura 7: Figura de troogger de andalucita (https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=54)

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Figura8.https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=54

Silimanita Mineral anisótropo de carácter óptico biaxial (+).

Figura 9: Figura de troogger de Silimanita (https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=53)

Índices de refracción:

ηα= 1,653-1,661

ηβ=1,657-1,662

ηγ=1,672-1,683

Color y pleocroísmo: Usualmente incolora en cortes transparentes, Cuando se presenta con el habito Fibrolita puede ser café pálido. En cortes gruesos y en cortes de Fibrolita puede presentar pleocroísmo débil según la siguiente tabla:

Color muestra de

manoX Y Z

Amarillo AmarilloVerde-

AmarilloIncolora

CaféIncolora-Amarillo pálido

Incolora-Amarillo pálido

Violeta-café

AzulIncolora-Amarillo pálido

Incolora-Amarillo pálido

Azul

Forma y clivaje: secciones transversales tienen forma de diamante, el clivaje ({010} paralelo a la elongación del cristal) es visible en secciones basales paralelas a la diagonal del diamante.

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Figura10: En la primera imagen se puede observar un corte transparente a nicoles paralelos de sillimanita fibrosa. La segunda imagen corresponde a un corte transparente de silimanita a nicoles cruzados de silimanita fibrosa. .https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=53

Orientación óptica: X=a, Y=b, Z=c, plano óptico {010}, granos alargados presentan extinción paralela y largo lento.

Birrefringencia: δ= 0,018-0,022

En cortes delgados el color de interferencia puede alcanzar la parte inferior del segundo orden, sin embargo la mayoría de los granos mostrara colores de interferencia del primer orden. Fibras de Fibrolita usualmente presentan color de interferencia de amarillo primer orden.

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Figura11: La primera imagen corresponde a un corte transparente a nicoles paralelos y la segunda a nicoles cruzados de silimanita prismatica.(https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=53)

Figura de interferencia: Secciones basales pueden mostrar figuras biaxiales positivas con Vz entre 21° y 30°. Fragmentos sobre el clivaje en {010} muestran figuras flash. La dispersión del eje óptico es fuerte con r>v.

Propiedades ópticas determinativas bajo el microscopio: Relieve alto, birrefringencia moderada, extinción paralela y su hábito.

Cianita:

Mineral anisótropo Biaxial negativo y alto relieve respecto al bálsamo.

Índices de refracción:

ηα= 1,710-1,718

ηβ=1,719-1,725

ηγ=1,724-1,734

Figura12: Figura de Trogger de Cianita..https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=52

Incolora en sección transparente, puede presentarse en azul claro jaspeado (generalmente en cortes más gruesos que 30nm). Presenta pleocroísmo débil: X= incolora, Y= azul violeta claro, Z= azul cobalto claro.

Orientación Óptica: El plano óptico esta a un par de grados de ser recto respecto al plano {100} y el eje Z esta inclinado entre 27° a 32° respecto al eje c. Y también se encuentra inclinado respecto al eje b en aproximadamente 30° y X esta levemente inclinado respecto al eje a. La extinción varia: si se observa un grano con la cara (100) se encuentre orientada de manera horizontal el

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ángulo de extinción será de 30° mientras que secciones basales tendrán un ángulo de extinción de 3° y secciones paralelas a la cara (010) tendrán un ángulo de extinción de 7°.Los cristales de Cianita son de largo lento, debido a la proximidad de Z al largo del cristal.

Birrefringencia: δ= 0,012-0,016 con colores de interferencia del primer orden.

Figura de interferencia: Granos orientados con la cara (100) horizontal muestran figura de bisectriz agudas con los metalopos fuera del campo de visión. La dispersión óptica es leve con r>v.

Propiedades ópticas determinativas bajo el microscopio: Relieve alto, extinción oblicua, carácter óptico biaxial (-) y largo lento.

Figura13: La primera imagen corresponde a un corte transparente en nicoles paralelos y la segunda a nicoles cruzados de cianita. .https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=52

Estaurolita:

A

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Figura14: Figura de Trogger de Estaurolita. https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=56

Mineral anisótropo de carácter óptico biaxial positivo con relieve alto respecto al bálsamo.

Índices de refracción: aumentan según contenido de Hierro.

ηα= 1,736-1,747

ηβ=1,742-1,754

ηγ=1,748-1,762

Color y pleocroísmo: Se presenta amarillo miel pálido en cortes transparentes. Pleocroísmo marcado con X=incolora-amarillo pálido, Y=amarillo pálido-café amarillento y Z=Dorado-Café rojizo. Puede presentar zonación de colores.

Orientación Óptica: X=b, Y=a y Z=c; plano óptico (100). La extinción es paralela en las secciones elongadas y simétrica en secciones basales. Las secciones longitudinales son de largo lento.

Birrefringencia: δ= 0,011-0,014 Aumenta según el contenido de Hierro, los colores de interferencia alcanzan hasta blanco o amarillo de primer orden. Los colores de interferencia blancos pueden verse enmascarados por el color amarillo del mineral. En ocasiones puede darse un color de interferencia anómalo azul.

Figura de interferencia: 2Vz aumenta según disminuya el contenido de hierro, algunas muestras pueden ser biaxiales negativas debido a que 2Vz puede exceder los 90°. Secciones basales muestran una figura de bisectrices aguda con los melatopos fuera del campo de visión. La dispersión óptica es débil con r>v.

Propiedades ópticas determinativas bajo el microscopio: Su color, el pleocroísmo, relieve alto y su hábito.

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Figura15.: La primera imagen corresponde a un corte transparente a nicoles cruzados y la segunda a nicoles paralelo de estaurolita. https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/viewminrecord.php?mID=56

Capítulo IV: Propiedades químicas y termodinámicas.

Andalucita (AlAlOSiO4): generalmente se presenta pura pero puede ocurrir sustitución iónica entre el aluminio y Mn+3 y Fe+3, cuando esta sustitución ha sido extensa con el Mn se le da el nombre de Kanonaita (MnAlOSiO4). En los casos donde la andalucita tiene sustanciales cantidades de ambos (Fe+3 y Mn+3) solía recibir el nombre de viridine (en ingles) pero se ha desestimado este nombre por parte de la IMA Commission on new minerals and minerals names (Gunter y Bloss, 1982).

La andalucita puede presentar también inclusiones carbonosas de

color oscuro, dispuestas en forma regular formando una cruz, en estos casos se le conoce por el nombre Quiastolita. La andalucita se altera fácilmente a Cerasita; también puede alterar a Clorita.

Silimanita (AlAlOSiO4): Se presenta generalmente pura puede presentar remplazo en pequeñas cantidades del Al por Fe+3, Cr+3 y Ti+4. Al igual que la Andalucita se altera fácilmente a Cerasita.

Cianita (AlAlOSiO4): También se presenta pura con sustituciones menores de Al por Fe+3, Ti+4 y Cr+3. También altera a Cerasita.

Estaurolita (Fe2Al9O6[(Si,Al)O4]4(OH)2)

Como se menciono en el capitulo 2, la estaurolita esta compuesta por capas alternantes de una estructura parecida a la Cianita con otras de Fe2AlO3(OH)2 sin embargo existen sustituciones aun incomprendidas en términos estructurales entre Fe, Mg, Al, Ti, Zn, Si y otros metales. Las posiciones de estos cationes en las estructura no se ha podido dilucidar. Al igual que los polimorfos de Al2SiO5

se altera a Sericita.

El grupo de los Aluminosilicatos, Al2Sio5, se caracteriza por presentar un diagrama de fases muy utilizado junto a las facies metamórficas, el cual se divide en tres áreas en la que cada una presenta uno de los polimorfos. Cada área se divide por el limite de reacciones univariantes que se intersectan en un punto,

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invariante, el punto triple del sistema, donde las tres fases coexisten a determinados valores P-T. La relación de fases en el sistema han sido investigada experimentalmente por una serie de científicos, entre los cuales podemos destacar a Kerrick(1990) y a Holdaway y Mukhopadhyay (1993), siendo actualmente los limites determinados por Holdaway y Mukhopadhyay los mas aceptados por la mayoría de los petrólogos, quienes localizaron este punto a los 504 +- 20°C y a 3.75 +- 0.25 kbar. Las tres zonas las podemos clasificar como: Zona de la andalucita o zona de bajas presiones y temperaturas variadas. Que queda delimitada inferiormente por la recta de 0 kbar y superiormente por el punto triple. La zona de la Silimanita corresponde a una zona de alta temperatura y presiones variadas, la cual esta delimitada por una temperatura mínima en el punto triple. Finalmente, la zona de la cianita o distena correspondo a bajas temperaturas y presiones variadas, marcando su temperatura máxima por el punto triple.

Figura16: Diagrama de Fases de polimorfos de AluminoSilicatos. .http://www.uned.es/cristamine/min_descr/grupos/al2sio5_gr.htm

Capítulo V: Ocurrencias y Usos.

Andalucita: Se forma típicamente en la aureolas de contactos de intrusiones ígneas en rocas arcillosas, donde se encuentra comúnmente en paragénesis con la Cordierita, también se puede encontrar en terrenos de metamorfismo regional, donde la encontraremos en paragénesis con los otros dos polimorfos (silimanita y cianita). Esta ocurrencia puede reflejar variaciones de presión y temperatura durante el proceso de metamorfismo regional. Otros minerales asociados a la andalucita

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son: Cerasita, Granate, Moscovita, Biotita, Estaurolita, Clorita. Suelen usarse para producir materiales refractarios (materiales que se usan en condiciones extremas sin apenas alterarse) para siderúrgia y metalurgia, cementeras, hornos y crisoles. Ya que la Andalucita es resistente al calor. Otros usos menos importantes son, como aislante térmicos, bujías, y losetas para pavimento.

Silimanita: Se encuentra en rocas arcillosas metamórficas de alta temperatura, también en rocas metamórficas de contacto, como el gneis de silimanita cordierita o hornfelds de silimanita-biotita (donde a menudo deriva de la descomposición de biotita y la transformación de andalucita, además la podemos encontrar en rocas de metamorfismo regional como micaesquistos (en gran parte deriva de la descomposición de biotita y moscovita). No es extraño encontrarla en paragénesis con la Cianita ya que la transformación de esta a Silimanita es muy lenta.

Cianita: Se da en zonas de metamorfismo regional de rocas pelíticas, en paragénesis con granate, estaurolita y corindón, también se puede presentar en algunas eclogitas y en pipes de kimberlita asociados a granate onfacita y cianita, ambas rocas reflejan las altas presiones de estabilidad de la cianita. También se puede encontrar en aureolas de contacto junto con la Estaurolita.

Estaurolita: Aparece como mineral accesorio en rocas ricas en aluminio,de los esquistos cristalinos y en algunos gneis, en rocas metamórficas de grado superior se da en paragénesis juntos al granate, cianita y turmalina, pudiendo crecer sobre la cianita en orientación paralela, también se encuentra en rocas metamórficas de menor grado donde puede aparecer en paragénesis con el cloritoide. En el metamorfismo progresivo de rocas pelíticas, la estaurolita se desarrolla antes que la cianita para luego encontrarse en paragénesis con este mineral (cianita). En metamorfismo de muy alto grado no se encuentra estaurolita ya que se vuelve inestable.

Usos: Entre los usos más destacados que tienen los polimorfos de Al2SiO5, es su aplicación como geobarómetro. Las rocas metamórficas alumínicas, tales como los esquistos pelíticos y las cuarcitas micáceas, generalmente contienen uno o más de estos polimorfos. Las rocas que contienen solo uno de los polimorfos no son muy utilizadas en termobarometria, pero aquellas que contienen al menos dos de los tres pueden ser utilizados como geotermómetro o geobarómetro. Las rocas que contienen los tres minerales coexistiendo no son muy comunes, sin embargo, han sido reportadas (e.g., Grambling, 1981; Hiroi and Kobayashi, 1996; Whitney, 2002). En este caso el punto triple del diagrama de fases del Al2Sio5 define una única presión y temperatura de formación. Es por esto, que a partir de este

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diagrama de fases uno puede determinar las condiciones de temperatura y de presión a partir de la mineralogía encontrada en la roca metamórfica. Y dentro de las ventajas de este diagrama de fases, es que las minerales son fácilmente reconocibles en una muestra de mano, debido a sus características diagnosticas disimiles, lo que permite evitar el uso de técnicas mas avanzadas para observar la mineralogía.

Referencias.

-Manual de Mineralogía (cuarta edición) autor: Cornelis Klein.

-The al2sio5 polymorphs autor: Derril Kerrick

-Introducction to Optical Mineralogy autor: William D. Nesse.

-Metamorphic phase equlibria and pressure-temperature-time paths, Frank S. Spears

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