¿Qué es el enigma geológico de la dolomita y qué hemos descubierto?

Las cumbres de Las Dolomitas han desafiado a viajeros y escaladores durante siglos, y también a los geólogos que han intentado explicar el origen de estas legendarias montañas.

¿Por qué actualmente apenas se forma en la Tierra el mineral del que están hechas Las Dolomitas y muchas otras antiguas formaciones geológicas? ¿Por qué no somos capaces de cristalizar dolomita en condiciones ambientales en nuestros laboratorios?

Los científicos llevamos más de doscientos años intentando resolver estas dos grandes cuestiones. Ahora estamos más cerca de encontrarles una respuesta.

La dolomita: un mineral muy ordenado

Para entender las dificultades que plantea el mineral dolomita [MgCa(CO₃)₂] a la hora de cristalizar es necesario tener en cuenta, en primer lugar, que dentro de su estructura los átomos de magnesio y de calcio no están aleatoriamente distribuidos, sino que se alternan en capas. Para que se forme un cristal de dolomita a partir de, por ejemplo, el agua del mar, se debe completar una capa de átomos de magnesio antes de que se deposite una capa de átomos de calcio.

Pero en la realidad eso no ocurre. Lo que realmente sucede es que los átomos de calcio y magnesio llegan desordenadamente a las superficies de los cristales de dolomita y se acumulan en capas de composición mezclada.

Sin embargo, la estructura de un cristal de dolomita con los átomos de calcio y magnesio desordenados no es estable y tiende a reorganizarse para minimizar la energía.

¿Cómo pueden separarse los átomos de calcio y magnesio en capas ordenadas una vez formado el cristal?

Disolverse para volver a cristalizar bien

A las temperaturas a las que se forman las rocas sedimentarias, parece que la única manera en que los cristales de dolomita pueden adquirir su característico ordenamiento de átomos de calcio y magnesio es que se disuelvan parcialmente y vuelvan a cristalizar. De este modo, los átomos pueden moverse más o menos libremente y reordenarse en capas diferenciadas.

Partiendo de esta idea, ya en 1967, Liebermann llevó a cabo experimentos en los que sometió a ciclos de disolución y cristalización precipitados con composiciones predolomíticas, es decir con aproximadamente un 50 % de magnesio y un 50 % de calcio.

Con algunas variantes, los experimentos de Liebermann se repitieron posteriormente por Deelman (1999) y, más recientemente, por Dos Anjos y colaboradores (2011) y por Pimentel (2017), todos ellos a temperaturas en torno a los 30 °C.

Ninguno de estos investigadores obtuvo cristales de dolomita con claras evidencias de que los átomos de magnesio y calcio estuvieran en las posiciones correctas. Sin embargo, sus experimentos sí mostraron que los ciclos de disolución-cristalización pueden producir importantes cambios mineralógicos y químicos dentro de sedimentos y rocas cargados de agua.

Muy recientemente, un equipo de investigadores de las Universidades de Michigan (EE.UU) y Hokkaido (Japón) ha conseguido, empleando el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión, disolver y recristalizar varios miles de veces en un par de horas el borde de un cristal de dolomita.

Según los investigadores que realizaron ese interesante experimento, el resultado fue la formación de unas pocas nuevas capas de cristal con un cierto grado de ordenamiento de sus átomos de calcio y magnesio.

Aunque el experimento fue llevado a cabo a 80 °C, una temperatura bastante más elevada que aquella a la que se formaron Las Dolomitas, constituye un nuevo indicio de que los ciclos de disolución-cristalización pudieron ser fundamentales para su formación.

¿Se producen ciclos de disolución-recristalización en la naturaleza?

Una de las cosas que diferencia nuestro planeta del resto de planetas y satélites del sistema solar es la infinidad de ciclos físicos, químicos y biológicos que se observan en él.

En la Tierra podemos medir, entre otras, oscilaciones diarias y estacionales de temperatura, humedad y biomasa, variaciones casi cíclicas en el nivel del mar (mareas), cambios periódicos en el pH y salinidad del agua de lagunas mareales, marismas y mares restringidos (como el Mar Muerto).

Incluso a mayor escala temporal se han registrado en las rocas variaciones a lo largo de decenas de miles e incluso millones de años en la concentración de magnesio y calcio en los océanos, el CO₂ y el oxígeno atmosféricos, etc.

Este tipo de oscilaciones hacen que, sobre la superficie de la Tierra, muchos minerales se puedan disolver parcialmente y cristalizar de nuevo (pensemos, por ejemplo, en la sal que se forma y disuelve una y otra vez a lo largo de las costas de todos los mares). En el caso de la dolomita, ese constante proceso de disolución-cristalización permitiría, además, que sus átomos de magnesio y calcio fueran poco a poco ordenándose en capas.

¿Pero cuánto tiempo puede tardar en ordenarse un cristal de dolomita?

Esta es una cuestión clave que ha ocupado y ocupa a los geólogos desde hace muchas décadas. Ahora estamos, sin embargo, más cerca de saber si el ordenamiento completo de los átomos de magnesio y calcio de la dolomita se produce a lo largo de cientos de años, millones de años o decenas de millones de años. Y este conocimiento se está consiguiendo fundamentalmente a través de dos estrategias de investigación.

Por un lado, algunos científicos están realizando experimentos de formación de dolomitas a temperaturas bastante por encima de aquella a la que este mineral se forma normalmente en la naturaleza (no más de 60 °C). Después, extrapolan los valores de velocidad de ordenamiento de sus átomos de magnesio y calcio a temperaturas geológicamente más realistas.

En esta línea de investigación, destacan los experimentos publicados en 2019 por Kell-Duivestein y colaboradores, quienes concluyeron que, para las temperaturas típicas de su formación, los cristales de dolomita se ordenarían casi completamente por disolución-cristalización en unos pocos millones de años.

Este resultado está de acuerdo con la estimación de unos 10 millones de años publicada recientemente por los investigadores de las Universidades de Michigan y Hokkaido, basada en sofisticadas simulaciones por ordenador y en el experimento de disolución-cristalización cíclica a 80 °C mencionado anteriormente.

Por otro lado, investigadores como Manche y Kaczmarek, así como nuestro grupo de investigación del Departamento de Mineralogía y Petrología de la Universidad Complutense de Madrid y del Instituto de Geociencias IGEO (UCM-CSIC), se han centrado desde hace años en analizar el grado de ordenamiento de los átomos de magnesio y calcio de las dolomitas naturales formadas en los últimos 775 millones de años.

Mediante el uso de la difracción de rayos X ha sido posible evaluar ese grado de ordenamiento en dolomitas de numerosas formaciones rocosas (incluidas Las Dolomitas). Y el resultado ha sido bastante revelador: las dolomitas con edades de más de 30 millones de años muestran valores máximos de orden, mientras que las geológicamente más recientes están, en general, menos ordenadas cuanto más reciente ha sido su formación.

Los análisis de difracción de rayos X también indican claramente que las dolomitas han recristalizado con el tiempo, lo que es explicable si se asume la existencia de ciclos de disolución-cristalización repetidos durante millones de años.

Pero hay algo más: los datos nos han permitido hacer una primera estimación de la velocidad con que se ordenan y recristalizan las dolomitas a lo largo del tiempo geológico, lo que abre también las puertas al desarrollo de nuevos métodos de datación de rocas.

Aunque queda todavía mucho por hacer, las investigaciones llevadas a cabo durante las últimas décadas han mostrado claramente que, sobre la superficie de la Tierra, la formación de grandes masas de dolomita sólo se puede explicar mediante una secuencia de procesos de disolución y recristalización extendida en el tiempo geológico. Y no sería sorprendente que otros muchos minerales terrestres se formaran de la misma manera.

Carlos M. Pina, Profesor de Cristalografía y Mineralogía, Universidad Complutense de Madrid

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.