ESPECTROMETR�A INFRARROJA DE REFLEXI�N DE MINERALES Y MATERIALES GEMOL�GICOS
ESPECTROMETR�A INFRARROJA DE REFLEXI�N DE MINERALES Y MATERIALES GEMOL�GICOS
Dr. Mikhail Ostrooumov ([email protected])
BERNARD LASNIER
SERGE LEFRANT
EMMANUEL FRITSCH
CAT�LOGO DE LOS ESPECTROS
MEXICO-FRANCIA 1993 - 2000
Introducci�n.
El espectro infrarrojo de absorci�n,
reflexi�n o de emisi�n de un mineral es una caracter�stica �nica del mismo. Por eso el
espectro puede dar la f�rmula estructural sin tener los datos del an�lisis qu�mico.
Los an�lisis cualitativas de una sustancia desconocida (por ejemplo,
mineral) pueden hacerse en general sin conocer los detalles de la interacci�n entre la
energ�a infrarroja y una muestra. Utilizando este m�todo realizan tambi�n el an�lisis
semicuantitativo de los minerales y sus mezclas.
La caracter�stica de cada espectro es determinada por las vibraciones
de los grupos at�micos de la estructura cristalina de los minerales. Existen las
relaciones complicadas, por una parte, entre las distancias interat�micas y el �ngulo y
la fuerza de las masas relativas de los �tomos por otra parte. Todos las caracter�sticas
de los espectros infrarrojos de los minerales estan relacionadas con la constituci�n
(composici�n qu�mica y estructura cristalina) de una sustancia. En este trabajo damos
solo muy breve la discusi�n te�rica sobre el origen y la naturaleza de la radiaci�n
infrarroja. En primer lugar y sobre todo quisieramos llamar la atenci�n al uso pr�ctico
de la espectrometr�a infrarroja que es un m�todo muy importante para los mineralogistas
y gemologistas.
Este trabajo fue realizado para compensar la ausencia de las
investigaciones sobre la espectrometr�a infrarroja de reflexi�n de los minerales en
general y de materiales gemol�gicos y gemas en particular. En efecto, el estudio de la
literatura internacional permite encontrar solo algunos trabajos dispersos en los cuales
este m�todo estuvo utilizando para la investigaci�n de unos minerales gemol�gicos y
gemas.
Un trabajo an�logo fue realizado hace unos a�os para presentar nuevas posibilidades de
la espectrometr�a de Raman, que es otro m�todo moderno no destructivo con gran futuro en
mineralog�a y gemolog�a. Un c�talogo de los espectros de Raman de los minerales
gemol�gicos fue propuesto al principio por R. Maestrati(1989), luego por M.Pine et
al.(1992). Un cat�logo de minerales mas completo esta en impresi�n en Francia (C. Beny y
B. Lasnier).
La espectrometr�a infrarroja de reflexi�n completa muy bien la
espectrometr�a de Raman sobre todo para determinar m�s facilmente la presencia de
ciertos cationos y grupos at�micos, que est�n presentados en muchos minerales y los
cuales no siempre pueden destacarse en los espectros de Raman. Este m�todo tambi�n es no
destructivo y puede utilizarse para determinar la naturaleza de los minerales. Entonces es
evidente la necesidad urgente de la creaci�n de un cat�logo de espectros infrarrojos de
reflexi�n de los minerales y gemas. Esto es el objeto de este trabajo.
M�todos experimentales.
La observaci�n de los minerales por la espectrometr�a infrarroja se
hace en general por dos modos:
- por absorci�n
- por reflexi�n
Las frecuencias de vibraci�n de los minerales son m�s a menudo
medidos por la espectrometr�a de absorci�n. Pero esta espectrometr�a tiene una serie de
limitaciones. En primer lugar este m�todo es destructivo. A veces, la destrucci�n por la
trituraci�n influye sobre la estructura cristalina de los minerales, sobre la celda
elemental de una estructura (�palo, filosilicatos). Por otro lado, un espectro obtenido
sobre el polvo es un espectro medio, en el cual se pierde una parte de la informaci�n
diagn�stica sobre la estructura de los minerales aniz�tropos. Por fin este m�todo no
garantiza la limpieza de la preparaci�n y por eso en el espectro se puede observar las
bandas falsas. Los minerales tienen a menudo las bandas de absorci�n muy anchas. Hay
tambi�n muchos problemas con las dimensiones de los cristales, el grado de
pulverizaci�n, la cantidad de los minerales y la presencia de un compuesto inerte en la
regi�n infrarroja (por ejemplo, bromuro de potasio utilizado en la preparaci�n de las
muestras). En general la preparaci�n de las muestras para la espectrometr�a de
absorci�n exige mucho tiempo, gastos y materiales.
Por el contrario, la espectrometr�a infrarroja de reflexi�n tiene
muchas ventajas. Esto es el m�todo de investigaci�n no destructivo que puede ser
aplicado en muchos casos y sobre todo : 1) para los minerales con las caras naturales
(caras cristalograficas, planos de exfoliaci�n, superficies diferentes); 2) para las
gemas talladas y montadas - el test de la identificaci�n. La superficie de una muestra
analizada puede ser variada de algunos cm2 hasta algunos mm2. La obtenci�n de un espectro
es del orden de un minuto. Es un m�todo mas f�cil que la espectrometr�a de absorci�n
por el trabajo. Actualmente el registro de los espectros infrarrojos de reflexi�n de los
minerales es m�s amplio que antes pues ahora existen los espectr�metros estables con el
equipo especial complementario que permite realizar diferentes investigaciones.
Las bandas de reflexi�n muestran numerosos bandas estrechas; a veces
el numero de las bandas de reflexi�n es m�s importante que el numero de las bandas de
absorci�n. Por lo tanto, los espectros infrarrojos de reflexi�n traen siempre m�s
informaci�n sobre los grupos funcionales que consisten diferentes sustancias.
Las bandas de absorci�n y de reflexi�n coinciden solo en algunos
casos raros. El desplazamiento de un m�ximo de absorci�n fue explicado por la ley de
Kramers-Kroning (Rossman, Hofmeister, 1983). En el caso com�n este desplazamiento depende
de la posici�n y de la configuraci�n de la banda de reflexi�n. Por ejemplo, en
comparaci�n con los m�ximos de absorci�n el m�ximo intenso de reflexi�n para los
carbonatos (cerca de 1400 cm-1) se localiza en las longitudes de ondas mas cortas, pero el
m�ximo d�bil cerca de 800 cm-1 se encuentra en las longitudes de ondas mas largas. De
esta manera, la direcci�n del desplazamiento depende la intensidad de la absorci�n :
para las vibraciones intensas : labs.> l ref.,
para las vibraciones debiles : labs.< l ref.
El espectro de reflexi�n en la regi�n infrarroja media esta
relacionado directamente con la estructura de una sustancia, es decir, con las constantes
f�sicas de la misma (red cristalina, indice de refracci�n, en particular). Por eso este
espectro tiene las caracteristicas que permiten identificar la especie mineral.
Para determinar el origen natural o sint�tico de los materiales
gemol�gicos es necesario analizarlos en las regiones infrarrojas cercanas y lejanas,
registrar en la region visible.
Cada mineral, gema natural o sint�tica presenta un espectro infrarrojo
de reflexi�n bien definido lo que permite realizar una identificaci�n r�pida de la
especie mineral.
Para la determinaci�n exacta y precisa hay que obligatoriamente tomar
en cuenta el efecto de la orientaci�n de los cristales y piedras brutas. Se puede decir
que para la mayor�a de los minerales una orientaci�n modifica las intensidades relativas
de las bandas espectrales. Pero el caracter general del espectro no se cambia, es decir,
este parametro no interviene en la identificaci�n. A veces, se observan los
desplazamientos de algunas bandas segun la orientaci�n de los cristales. El
desplazamiento de las bandas caracteristicas es t�pico para las soluciones s�lidas
(series isomorfas). Por lo tanto tenemos los espectros que fueron registrados para los
cristales con una orientaci�n conocida.
Muestreo
La creaci�n de un c�talogo de referencias de los espectros
infrarrojos de reflexi�n necesita la obtenci�n de los datos espectrom�tricos sobre las
muestras patrones con la pureza mas posible.
Teniendo en cuenta estos imperativos, hemos seleccionado cerca de 200 especies minerales
de las dimensiones suficientes para ser orientados, tallados y pulidos. Estas muestras con
la pureza mas posible fueron identificados por los m�todos mineral�gicos y gemol�gicos
tradicionales.
Cada muestra patr�n fue analizada cuantitativamente con el microscopio
electr�nico en el Instituto de Minas de San Petersburgo y en la Universidad de Nantes.
Los resultados obtenidos son depositados en los laboratorios de mineralog�a y gemolog�a
de las mismas instituciones. Estos patrones ser�n tambi�n en la disposici�n de los
investigadores que podr�an solicitarlos para comparar con sus propios objetos.
Obtenci�n de los espectros.
Los espectros infrarrojos de
reflexi�n fueron obtenidos con el equipo espec�fico que hemos tenido en nuestra
disposici�n por los grupos espectrom�tricos instalados en :
1. Laboratorio de Mineralog�a en el Instituto de Minas de San Petersburgo (Rusia).
2. Laboratorio de Gemolog�a de la Universidad de Mainz (Alemania)
3. Laboratorio de F�sica Cristalina en el Instituto de Materiales de Nantes de la
Universidad de Nantes (Francia).
Equipo espectrom�trico utilizado.
Para la obtenci�n de los espectros hemos utilizado varios espectr�metros modernos:
- Espectr�metro IRS-29 (Rusia).
- Espectr�metro UR-20 (Alemania).
- Espectr�metro Perkin-Elmer FTIR (Alemannia).
- Espectr�metro Nicolet 20SXC-FTIR (Franccia).
- Espectr�metro Bruker IFS-28 (Francia)
Hemos tenido la posibilidad utilizar estos diferentes aparatos para
comparar nuestros resultados y complementar unos a otros.
Las Figuras 5-6 muestran el principio de la funci�n del espectr�metro
FTIR (Espectrometr�a infrarroja de Fourier transformada). Las muestras fueron orientadas
y montadas sobre portamuestra universal de reflexi�n con retroespejo (Harrick Scientific
Corporation).
Para controlar el funcionamiento correcto del espectr�metro, el
�ltimo fue verificado sistem�ticamente al inicio de cada sesi�n de registro colocando
en el aparato un cristal puro de cuarzo natural (yacimiento Cholodniya, Ural Polar, Rusia)
seg�n dos orientaciones: paralelamente y perpendicularmente al eje principal del orden 3.
Las muestras fueron orientados en una, dos o tres orientaciones en la dependencia de su
sistema cristalino. Los mismos espectros fueron obtenidos para la verificaci�n en
diferentes laboratorios y con diferentes aparatos espectr�metricos.
Los espectros fueron registrados sobre las disquetas y son disponibles
en el Laboratorio de Mineralog�a del Instituto de Minas de San Petersburgo (Rusia) y en
el Laboratorio de Gemolog�a de la facultad de Ciencias de la Universidad de Nantes
(Francia).
En lo ulterior ser� propuesta el programa de la identificaci�n
autom�tico que est� basado sobre �ste banco de datos espectrom�tricos en la regi�n
infrarroja mediana de reflexi�n.
Modelo de ficha del cat�logo.
Como para los otros cat�logos de los espectros infrarrojos ya
publicados hemos propuesto el modelo de ficha recto-verso para el cat�logo dado que
contiene la informaci�n siguiente:
A recto: la informaci�n sobre los minerales patrones (naturaleza,
origen, etc.) y las condiciones experimentales,
A verso: el espectro obtenido con una escala est�ndar lo que permite
una comparaci�n inmediata y f�cil para los espectro registrados en las condiciones
parecidas.
Espectros infrarrojos de reflexi�n de los minerales de diferentes clases cristaloqu�micas.
Este trabajo es el primer intento sistem�tico de un c�talogo
infrarrojo de reflexi�n de los minerales y gemas. Por aqu� fueron estudiados cerca de
220 especies minerales gemol�gicos y gemas naturales y artificiales.
Hemos utilizado m�s o menos la misma presentaci�n de los datos
espectrom�tricos que en los cat�logos Raman. Hemos propuesto igualmente dos modos de
presentaci�n : una por las clases mineral�gicas (clasificaci�n cristaloqu�mica
moderna) y otra por el orden alfab�tico.
Ante todo damos las caracter�sticas espectrom�tricas generales de las clases
cristaloqu�micas. Luego, se presenta el mismo cat�logo en la forma de las tarjetas o
fichas clasificadas por los grupos mineral�gicos. Estas tarjetas contienen : el aparato y
las condiciones de registro, la orientaci�n de la muestra como patr�n, los espectros
obtenidos y la posici�n de las bandas principales en cm-1. La escala de la intensidad fue
eliminada pues depende mucho de las condiciones del registro. Las intensidades relativas
de los m�ximos de reflexi�n son sin dudas mas importantes.
Conclusi�n
La espectrometr�a infrarroja de reflexi�n no tiene los l�mites ni
por las dimensiones ni por la forma de las muestras.
Este metodo permite buscar y caracterizar las constantes individuales
de los minerales y de las gemas, las particularidades de zonaci�n, de orientaci�n
�ptica, de inclusiones y de pleocroismo, etc.
La utilizaci�n de este m�todo no destructivo, sencillo y r�pido se
recomienda para los diferentes especialistas: mineralogistas, gemologistas, expertos en
obras de arte y de los museos, especialistas en crimenes, etc. Con la ayuda de este
m�todo de puede identificar de distancia, de cerca o de lejos, los minerales y las rocas
en la geolog�a c�smica, en astronom�a, en planetolog�a, en vulcanolog�a y para las
muestras crudas. Se sabe ya los ensayos de determinaci�n de distancia por la
espectrometr�a infrarroja de reflexi�n del hielo de Marte, de los piroxenos del polvo
interestrelar y de la Luna, los carbonatos y las arcillas en las diferentes regiones de la
Tierra.
Bibliograf�a
1. Beny c., Lasnier B. (2000). Catalogue des spectres Raman des mineraux. Edition BRGM,
France.
2. Farmer V.C. (1974). The infared spectra of minerals. Mineralogical Society. London.
3. Lazarev A.N. (1966). Vibrational spectra and structure of silicates. Edition Science.
Moscow.
4. Maestrati R. (1989). Contribution a l'edification du catalogue Raman des gemmes.
Diplome d'Universite de Gemmologie. Universite de Nantes.
5. Marfunin A.S. (1974). Introduction a la physique des mineraux. Edition Nedra, Moscou.
6. Marfunin A.S. (1975). Spectroscopie, luminescence et centres radiogeniques dans les
mineraux. Edition Nedra, Moscou.
7. Niquist R.P., and R.O. Kagel (1971). Infared spectra of inorganic compounds (3800-45
cm-1). Academic Press, New York.
8. Ostroumov M.N. (1991). Methode de determination du degre dordre-desordre dans la
structure cristalline des feldspaths alcalins par leur spectres infarouges de reflexion.
Memoires de la Societe Mineralogique de l'URSS, vol. 120, No.5, p.94-99.
9. Pinet M., Smith D., et Lasnier B. (1992). Utilite de la microsonde Raman pour
l'identification non destructive des gemmes. Revue de Gemmologie A.F.G. No. hors serie.
10. Plyusnina I.I. (1977). Spectres infrarouges des mineraux. Edition Universite de
Moscou.
11. Povarennykh A.S. (1978). The use of infared spectra for the determination of minerals.
American Mineralogist, vol. 63, p.956-959.
LISTES DES SPECTRES INFRAROUGES DE REFLECTION PAR FAMILLE MINERALOGIQUE.
| COMPOSITIONS
SYNTHETIQUES 1. Opal 2. Emeraude Hydrothermal 3. Emeraude Chatham 4. Emeraude Lechleitner 5. Emeraude Gilson 6. Alexandrite 7. Spinelle rouge 8. Spinelle bleu 9. Spinelle incolor 10. Fianite 11. Fabulite 12. Corindon + V 13. Corindon + Cr 14. Corindon + Ti 15. Corindon incolor 16. Y.A.G 17. G.G.G 18. Quartz 19. Turquoise 20. Nd-verre 21. Verre Bleu 22. Verre jaune |
I. ELEMENTS NATIFS. 1. Diamant |
II. SULFURES
|
III. HALOGENURES
|
||
IV. COMPOSITIONS DE OXYGENE |
|||||
| IV.1. OXYDES 1. Rubi 2. Saphire 3. Chrysoberyl 4. Alexandrite 5. Cristal de roche 6. Amethyste 7. Citrine 8. Quartz rose 9. Chrysoprase 10. Chalcedony 11. Perelivte 12. Spinelle 13. Rutile 14. Cassiterite 15. Hematite 16. Opal |
IV.2. SELS OXYGENES. |
||||
| IV.2.1. CARBONATES 1. Calcite 2. Rhodochrosite 3. Aragonite 4. Cerusite 5. Dolomite 6. Magnesite 7. Siderite 8. Malachite 9. Azurite IV.2.2. BORATES |
IV.2.3. SULFATES 1. Gypse 2. Anhydrite 3. Aryte 4. Celestine 5. Alunite IV.2.4. CHROMATES IV.2.5. MOLYBDATES |
IV.2.6. PHOSPHATES ET VANADATES 1. Apatite 2. Variscite 3. Beryllonite 4. Turquoise 5. Pyromorphite 6. Lazulite 7. Vanadinite |
|||
IV.2.7. SILICATES |
|||||
| IV.2.7.1.
NESOSILICATES 1. Phenacite 2. Olivine (chrysolite) 3. Grenat 3.1. Almandin 3.2. Pyrope 3.3. Spessartite 3.4. Grossulaire vert 3.5. Grossulaire tsavorite 3.6. Andradite melanite 3.7. Andradite demantoide 3.8. Uvarovite 4. Zircon (brun, bleu) 5. Haut zircon 6. Chondrodite 7. Andalousite 8. Disthene 9. Sillimanite 10. Sphene 11. Staurotide 12. Topaz 13. Dumortierite 14. Kornerupine IV.2.7.2. SOROSILICATES |
IV.2.7.3. CYCLOSILICATES 1. Benitoite 2. Beryl - Emeraude - Aigue-marine - Heliodore 3. Beryl vert 4. Cordierite 5. Axinite 6. Tourmaline - Rubellite - Olenite - Dravite - Indigolite - Verdelite - Shorlite 7. Eudialyte 8. Sugilite 9. Sogdianite |
IV.2.7.5. PHYLLOSILICATES 1. Muscovite 2. Phlogopite 3. Biotite 4. Lepidolite 5. Chlorite 6. Serpentine 7. Antigorite 8. Talc |
|||
| IV.2.7.4. INOSILICATES 1. Augite 2. Hedenbergite 3. Diopside vert 4. Cr-diopside 5. V-diopside 6. Spodumene - Kunzite - Hiddenite 7. Aegirine 8. Jadeite 9. Tremolite 10. Actinolite 11. Hornblende 12. Nephrite 13. Rhodonite 14. Charoite 15. Bustamite |
IV.2.7.6. TECTOSILICATES 1. Sanidine 2. Orthose 3. Microcline 4. Amazonite bleu 5. Amazonite vert 6. Albite 7. Oligoclase 8. Belomorite (Albite-Oligoclase) 9. Labrador 10. Bytownite 11. Moonstone 12. Adulaire 13. Scapolite 14. Glaucolite 15. Nepheline 16. Sodalite 17. Lazurite 18. Cancrinite |
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