3.1.8. Silicați

Intuiție

Toți silicații sunt făcuți din aceeași piesă: un tetraedru cu siliciul în centru și oxigen în colțuri. Diferența o face felul în care piesele se leagă: singure, în lanțuri, în foi sau în rețea. Foile dau mice și argile, care se desfac și alunecă; rețeaua dă cuarțul, care nu cedează.

Silicații reprezintă cea mai importantă clasă de minerale: circa 90 % din volumul scoarței terestre și marea majoritate a mineralelor petrogene. Unitatea structurală de bază este tetraedrul \(\ce{[SiO4]^{4-}}\), în care un atom de siliciu este înconjurat de patru atomi de oxigen. După modul în care tetraedrii se leagă între ei (prin oxigeni comuni), silicații se clasifică în subclase structurale, care se reflectă direct în habitusul, clivajul și comportarea mecanică a mineralelor (Tabelul 3.7).

Tabelul 3.7 Clasificarea structurală a silicaților și principalele minerale petrogene.

Subclasă	Structură	Minerale principale (proprietăți caracteristice)
nezosilicați	tetraedri izolați	olivină \(\ce{(Mg,Fe)2SiO4}\) (verde, D 6,5–7, fără clivaj, se alterează ușor la serpentin); granați (roșu-brun, izometrici, D 7); zircon, topaz, disten, staurolit
sorosilicați	grupe de doi tetraedri	epidot (verde-fistic, columnar)
ciclosilicați	inele de tetraedri	turmalină (prisme trigonale, negre), beril
inosilicați	lanțuri simple (piroxeni) sau duble (amfiboli)	piroxeni: augit, diopsid, hipersten (prisme scurte, clivaj bun la \(\sim\)90\(^\circ\)); amfiboli: hornblendă, actinolit, tremolit (prisme lungi, clivaj bun la \(\sim\)120\(^\circ\)/60\(^\circ\)); minerale melanocrate, D 5–6
filosilicați	straturi de tetraedri	mice: muscovit (incolor-argintiu), biotit (negru-brun) – clivaj perfect, foițe elastice; clorit (verde, foițe flexibile); talc (D 1, unsuros); serpentin (antigorit, crisotil – azbest); mineralele argiloase: caolinit, illit, montmorillonit (smectit) – cristale microscopice, cu suprafață specifică și capacitate de schimb cationic mari
tectosilicați	rețea tridimensională	cuarț \(\ce{SiO2}\) (D 7, fără clivaj, spărtură concoidală, luciu sticlos-gras); feldspați: ortoclaz și microclin \(\ce{KAlSi3O8}\) (roz, alb), plagioclazi – seria albit \(\ce{NaAlSi3O8}\) – anortit \(\ce{CaAl2Si2O8}\) (albi-cenușii, macle polisintetice); D 6, două direcții de clivaj bun; feldspatoizi: nefelin, leucit (în roci sărace în silice); zeoliți

Silicații și comportarea rocilor și pământurilor

Cuarțul și feldspații (peste 60 % din scoarță) dau rocilor magmatice și metamorfice rezistența și abrazivitatea; alterarea feldspaților produce mineralele argiloase, iar cuarțul, rezistent la alterare, se concentrează în nisipuri și gresii. Micele și cloritul, prin clivajul perfect, generează planele de șistozitate – suprafețe de rezistență minimă în masivele de șisturi. Mineralele argiloase controlează plasticitatea, compresibilitatea, permeabilitatea și potențialul de umflare–contracție al pământurilor coezive: argilele montmorillonitice (bentonite) pot avea umflări libere de peste 100 %, iar caolinitul este practic inactiv. Olivina și piroxenii se alterează rapid, astfel încât rocile bazice și ultrabazice (bazalte, peridotite, serpentinite) pot fi profund degradate sub o suprafață aparent sănătoasă.

3.1.8.1. Fișele principalelor minerale silicatice

Descrierile de mai jos urmează ordinea subclaselor structurale din Tabelul 3.7, de la tectosilicați (cei mai abundenți) la filosilicați; datele mineralogice sunt cele din manualele de referință (Deer et al., 2013, Klein și Dutrow, 2007), iar fotografiile provin din colecția didactică a laboratorului (Figurile 3.12–3.14–3.23–3.27).

Cuarțul (\(\ce{SiO2}\)). Cristalizează în sistemul trigonal, în prisme hexagonale terminate cu romboedre, sau formează agregate granulare (Figura 3.12). Are duritatea 7 (mineral etalon al scării Mohs), nu clivează, spărtura este concoidală, luciul sticlos (gras pe spărtură), iar densitatea 2,65 g/cm\(^3\). Este incolor sau alb-lăptos, dar alocromatic în multe varietăți (ametist, citrin, cuarț fumuriu). Culorile acestor varietăți au cauze diferite (Rossman, 1994): ametistul (violet) și citrinul (galben) își datorează culoarea fierului din rețeaua cristalină, cuarțul fumuriu și varietatea lui aproape neagră, morionul, centrilor de culoare legați de aluminiu și activați de iradierea naturală, iar cristalul de stâncă este varietatea incoloră, limpede. Este stabil chimic și rezistent la alterare, motiv pentru care se concentrează în nisipuri, gresii și cuarțite; apare ca mineral esențial în rocile magmatice acide (granite, riolite), în gnaise și micașisturi și în filoanele hidrotermale. Varietățile criptocristaline (calcedonie, agat – Figura 3.13, silex) și forma amorfă, hidratată (opal, \(\ce{SiO2 * nH2O}\), mineraloid – Figura 3.14) se întâlnesc în roci sedimentare și vulcanice. Pentru inginer, cuarțul înseamnă abrazivitate ridicată și uzura accentuată a sculelor de forare și excavare, nisip de calitate pentru betoane, dar și risc de reacție alcalii–silice în betoane atunci când agregatele conțin silice amorfă sau criptocristalină (opal, calcedonie, sticlă vulcanică).

Feldspații potasici: ortoclazul și microclinul (\(\ce{KAlSi3O8}\)). Sunt polimorfi ai aceleiași compoziții: ortoclazul este monoclinic, microclinul triclinic (Figurile 3.15 și 3.16), iar sanidinul este varietatea de temperatură înaltă din rocile vulcanice. Formează cristale prismatice sau tabulare, frecvent maclate (macla Karlsbad la ortoclaz; macla „în grătar” a microclinului, vizibilă la microscop). Duritatea este 6 (mineral etalon), clivajul bun după două direcții aproximativ perpendiculare, luciul sticlos-sidefos pe fețele de clivaj, culoarea albă, roz sau roșu-cărămizie (culoarea granitelor „roșii”), densitatea 2,55–2,63 g/cm\(^3\). Sunt minerale esențiale în granite, sienite, pegmatite și gnaise, precum și în gresiile arcoziene. Prin alterare chimică (hidroliză) trec în minerale argiloase (caolinizare), ceea ce transformă granitele sănătoase în arene granitice friabile – fenomen decisiv pentru fundații, taluzuri și cariere în masivele granitice.

Plagioclazii (seria albit \(\ce{NaAlSi3O8}\) – anortit \(\ce{CaAl2Si2O8}\)). Constituie o serie izomorfă continuă (albit, oligoclaz, andezin, labrador, bytownit, anortit), cu proporția de anortit (An) crescând de la termenii sodici la cei calcici. Sunt triclinici, cu cristale tabulare sau granule xenomorfe, duritate 6–6,5, clivaj bun după două direcții la circa 86\(^\circ\), luciu sticlos, culoare albă sau cenușie (labradorul prezintă irizații albastre-verzui – labradorescență; Figura 3.18), densitate 2,62–2,76 g/cm\(^3\). Semnul lor distinctiv sunt maclele polisintetice după legea albitului, vizibile ca striații fine pe fețele de clivaj (Figura 3.17). Plagioclazii sunt cele mai răspândite minerale ale scoarței: albitul și oligoclazul în granite și granodiorite, andezinul în diorite și andezite, labradorul și bytownitul în gabrouri și bazalte. Termenii calcici se alterează mai ușor decât cei sodici (trec în minerale argiloase, sericit și epidot – saussuritizare), ceea ce explică alterabilitatea mai mare a rocilor bazice.

Muscovitul (\(\ce{KAl2(AlSi3O10)(OH)2}\)). Mica albă este monoclinică, în lamele pseudohexagonale cu clivaj perfect după bază, care se desfac în foițe subțiri, elastice și transparente (Figura 3.19). Are duritatea 2–2,5, luciu sidefos, culoare incoloră-argintie, densitatea 2,8 g/cm\(^3\). Apare în granite, pegmatite, gnaise și micașisturi; varietatea fin-solzoasă (sericit) rezultă din alterarea feldspaților. Este rezistent la alterare și se regăsește în nisipuri și gresii (nisipuri micacee). Din punct de vedere ingineresc, muscovitul definește planele de șistozitate ale rocilor metamorfice, iar în nisipuri reduce compactibilitatea și crește compresibilitatea; nisipurile micacee sunt agregate nedorite pentru betoane.

Biotitul (\(\ce{K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2}\)). Mica neagră are aceleași caractere morfologice ca muscovitul (monoclinic, lamele cu clivaj perfect, duritate 2,5–3), dar este brun-închisă până la neagră, cu luciu sticlos-sidefos și densitate 2,8–3,2 g/cm\(^3\) (Figura 3.20). Este un mineral esențial în granite, granodiorite, diorite, andezite, gnaise și micașisturi. Se alterează mult mai ușor decât muscovitul, trecând în clorit și hidroxizi de fier: petele ruginii și lamelele „aurii” (biotit decolorat) sunt primul semn al alterării unui granit sau gnais și o avertizare că rezistența rocii este diminuată.

Cloritul (\(\ce{(Mg,Fe)5Al(AlSi3O10)(OH)8}\)). Este un filosilicat monoclinic, verde, cu clivaj perfect, duritate 2–2,5, luciu sidefos și densitate 2,6–3,3 g/cm\(^3\); lamelele sunt flexibile, dar nu elastice (spre deosebire de mice). Se formează prin alterarea biotitului, amfibolilor și piroxenilor și este mineralul tipomorf al epizonei (șisturi verzi, șisturi cloritoase, filite). Suprafețele cloritoase din masivele de rocă au unghi de frecare redus și sunt lunecoase la umezire: planele de șistozitate cloritoasă și pelicula de clorit de pe fisuri constituie suprafețe preferențiale de alunecare (Capitolul 8).

Talcul (\(\ce{Mg3Si4O10(OH)2}\)). Mineralul cu duritatea 1 (etalon Mohs) este monoclinic, în agregate foioase sau masive (steatit), alb-verzui, cu clivaj perfect, luciu sidefos-gras și senzație unsuroasă la pipăit (Figura 3.21). Rezultă din alterarea hidrotermală a rocilor ultrabazice și din metamorfismul dolomitelor silicioase. Talc-șisturile sunt roci extrem de slabe; talcul se comportă ca lubrifiant natural pe suprafețele de falie și de șistozitate, reducând rezistența la forfecare până la valori reziduale foarte mici.

Serpentinul: antigorit și crisotil (\(\ce{Mg3Si2O5(OH)4}\)). Grupul serpentinului cuprinde antigoritul (lamelar), lizarditul (masiv) și crisotilul (fibros – azbestul serpentinic; Figura 3.22). Sunt minerale monoclinice, verzi-cenușii până la negre-verzui, cu duritate 2,5–3,5, luciu gras (mătăsos la crisotil) și densitate 2,5–2,6 g/cm\(^3\). Se formează prin serpentinizarea olivinei și a piroxenilor din peridotite și dunite, cu creștere de volum; roca rezultată, serpentinitul, este alunecoasă, cu rezistență scăzută și fisurație intensă (de exemplu complexul ofiolitic Tisovița–Iuți din Munții Almăjului, în Defileul Dunării; corpuri mai mici în Carpații Meridionali). Fibrele de crisotil și de amfiboli (azbest) eliberate la excavare sau la concasare sunt periculoase pentru sănătate, ceea ce impune măsuri speciale în lucrările executate în roci serpentinitice.

Hornblenda (\(\ce{Ca2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)8O22(OH)2}\)). Este amfibolul cel mai răspândit: monoclinic, în prisme alungite cu secțiune hexagonală, duritate 5–6, clivaj bun după două direcții care fac între ele unghiuri de circa 124\(^\circ\)/56\(^\circ\) (criteriul de deosebire față de piroxeni), culoare verde-închis până la neagră, luciu sticlos, densitate 3,0–3,4 g/cm\(^3\) (Figura 3.23). Apare în diorite, granodiorite, andezite, amfibolite și gnaise. Se alterează la clorit și minerale argiloase. Amfibolitele masive sunt roci rezistente, dar amfibolii fibroși (actinolit, tremolit) constituie, ca și crisotilul, azbest.

Augitul (\(\ce{(Ca,Na)(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6}\)). Piroxenul cel mai comun este monoclinic, în prisme scurte cu secțiune octogonală, cu duritate 5,5–6, clivaj bun după două direcții aproape perpendiculare (87\(^\circ\)/93\(^\circ\)), culoare neagră-verzuie, luciu sticlos și densitate 3,2–3,5 g/cm\(^3\) (Figura 3.24). Este mineralul melanocrat principal al gabrourilor, bazaltelor, andezitelor și piroxenitelor. Se alterează la clorit, serpentin și minerale argiloase din grupa smectitului; bazaltele cu minerale secundare argiloase se degradează rapid, iar unele bazalte se dezagregă în timp prin fenomenul numit în tehnica agregatelor Sonnenbrand, legat de prezența analcimului și a nefelinului; de aceea agregatele bazaltice se verifică prin încercări de alterabilitate (Capitolul 11).

Olivina (\(\ce{(Mg,Fe)2SiO4}\)). Nezosilicat rombic, în granule izometrice verzi-măslinii, cu duritate 6,5–7, clivaj slab, spărtură concoidală, luciu sticlos și densitate 3,2–4,4 g/cm\(^3\) (crescătoare cu conținutul de fier, de la forsterit la fayalit). Este mineralul esențial al dunitelor și peridotitelor și apare în gabrouri și bazalte. Este primul mineral care cristalizează din magmele bazice și, corespunzător, cel mai instabil la suprafață: se alterează rapid la serpentin, iddingsit și minerale argiloase, ceea ce face ca rocile ultrabazice să fie profund degradate sub o suprafață aparent sănătoasă.

Granații (\(\ce{X3Y2(SiO4)3}\), X = Ca, Mg, Fe\(^{2+}\), Mn; Y = Al, Fe\(^{3+}\), Cr). Grupul cuprinde piropul, almandinul, spessartinul (seria piralspit) și uvarovitul, grossularul, andraditul (seria ugrandit). Sunt minerale cubice, în rombododecaedre sau trapezoedre bine formate (Figura 3.25), cu duritate 6,5–7,5, fără clivaj, spărtură concoidală-neregulată, luciu sticlos, culoare roșu-brună (almandin), verde (grossular, uvarovit) sau neagră (andradit), densitate 3,5–4,3 g/cm\(^3\). Sunt minerale tipomorfe ale metamorfismului (micașisturi, gnaise, amfibolite, eclogite, skarne) și, fiind rezistente la alterare, se concentrează în nisipuri ca minerale grele. Prezența lor mărește considerabil abrazivitatea rocilor (uzura sculelor de foraj și a tunelierelor).

Epidotul (\(\ce{Ca2(Al,Fe)3(SiO4)(Si2O7)O(OH)}\)). Sorosilicat monoclinic, în prisme columnare striate longitudinal sau în agregate granulare (Figura 3.26), cu duritate 6–7, clivaj perfect după o direcție, luciu sticlos, culoare verde-fistic caracteristică și densitate 3,3–3,5 g/cm\(^3\). Se formează în metamorfismul de grad scăzut și mediu (șisturi verzi, amfibolite) și prin alterarea hidrotermală a plagioclazilor calcici (saussuritizare); umple frecvent fisurile rocilor magmatice și metamorfice. Epidotizarea este un indicator al circulației fluidelor hidrotermale în masiv, dar nu diminuează sensibil rezistența rocii.

Wollastonitul (\(\ce{CaSiO3}\)). Inosilicat triclinic, în agregate fibroase-aciculare sau columnare, alb-cenușii, cu duritate 4,5–5, clivaj perfect după o direcție și bun după alte două, luciu sticlos-sidefos (mătăsos în agregatele fibroase) și densitate 2,9 g/cm\(^3\) (Figura 3.27). Se formează prin metamorfismul de contact al calcarelor cu impurități silicioase (skarne, corneene calcice), după reacția \(\ce{CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2}\). Este un indicator al aureolelor de contact și o materie primă industrială (ceramică, materiale de umplutură); rocile cu wollastonit sunt masive, dar de răspândire limitată.

Mineralele argiloase: caolinit, illit, montmorillonit. Sunt filosilicați hidratați cu cristale de dimensiuni micronice, care alcătuiesc fracțiunea argilă a pământurilor și controlează comportarea acestora. Structura lor este formată din straturi tetraedrice de siliciu și straturi octaedrice de aluminiu (sau magneziu) legate în pachete: caolinitul (\(\ce{Al2Si2O5(OH)4}\)) are pachete de tip 1:1 (un strat tetraedric și unul octaedric), legate strâns prin punți de hidrogen, deci cristale relativ mari și stabile; illitul (\(\ce{K_{0,6-0,85}(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10(OH)2}\)) are pachete 2:1 legate prin ioni de potasiu; montmorillonitul (smectit, \(\ce{(Na,Ca)_{0,33}(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 * nH2O}\)) are pachete 2:1 legate slab, prin cationi schimbabili și molecule de apă, astfel încât apa poate pătrunde între pachete, depărtându-le (umflare intracristalină). Aceste diferențe structurale se reflectă direct în proprietățile cu relevanță geotehnică sintetizate în Tabelul 3.8, după Mitchell și Soga (2005): suprafața specifică (aria totală a particulelor din unitatea de masă), capacitatea de schimb cationic (CEC, cantitatea de cationi care pot fi schimbați cu soluția din pori) și activitatea (raportul dintre indicele de plasticitate și procentul de fracțiune argilă). Pământurile cu montmorillonit (bentonite, argilele „grase” din Subcarpați și din Podișul Transilvaniei) sunt pământuri cu umflări și contracții mari (PUCM), a căror fundare este reglementată de NP 126-2010 (MDRT, 2010); pământurile caolinitice sunt puțin active, iar cele illitice au comportare intermediară. Identificarea mineralelor argiloase se face prin difracție de raze X sau, indirect, prin limitele de plasticitate, activitate și încercări de umflare liberă (Capitolul 9).

Tabelul 3.8 Proprietăți ale principalelor minerale argiloase cu relevanță geotehnică (după Mitchell și Soga, 2005; valorile sunt intervale orientative).

Mineral	Structură	Suprafață specifică	CEC	Comportare geotehnică
		(m\(^2\)/g)	(meq/100 g)
caolinit	1:1	10–20	3–15	activitate redusă (cca. 0,4); umflare neglijabilă; plasticitate mică; permeabilitate relativ mare
illit	2:1 (cu K\(^+\) interstratal)	65–100	10–40	activitate medie (cca. 0,9); umflare moderată; mineralul argilos cel mai frecvent în argilele și marnele din România
montmorillonit (smectit)	2:1 (cu apă și cationi schimbabili interstratali)	50–120 (externă); până la cca. 800 (totală)	80–150	activitate mare (1–7); umflare–contracție puternică; plasticitate și compresibilitate foarte mari; permeabilitate foarte mică (bentonite)

Figura 3.12 Cuarț

Figura 3.13 Agat (silice criptocristalină)

Figura 3.14 Opal (silice amorfă)

Silicea cristalină, criptocristalină și amorfă (foto: colecția Laboratorului de Geotehnică UTCB [DE VERIFICAT: sursa fotografiilor]).

Figura 3.15 Ortoclaz

Figura 3.16 Microclin

Figura 3.17 Albit (plagioclaz sodic)

Figura 3.18 Labrador (plagioclaz calcic)

Feldspați potasici și plagioclazi (foto: colecția Laboratorului de Geotehnică UTCB [DE VERIFICAT: sursa fotografiilor]).

Figura 3.19 Muscovit

Figura 3.20 Biotit

Figura 3.21 Talc

Figura 3.22 Serpentin (crisotil și antigorit)

Filosilicați: mice, talc și serpentin (foto: colecția Laboratorului de Geotehnică UTCB [DE VERIFICAT: sursa fotografiilor]).

Figura 3.23 Hornblendă (amfibol)

Figura 3.24 Augit (piroxen)

Figura 3.25 Granați

Figura 3.26 Epidot

Figura 3.27 Wollastonit

Inosilicați, nezosilicați și sorosilicați (foto: colecția Laboratorului de Geotehnică UTCB [DE VERIFICAT: sursa fotografiilor]).