caracterización de la anisotropía textural de mármoles comerciales

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XXVI R EUNiÓN ( S E M ) / XX R E U NiÓN (SEA)
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2006
CARACTERIZACIÓN DE LA ANISOTROPÍA TEXTURAL
DE MÁRMOLES COMERCIALES
E. S EBASTIÁN PARDO, A. RODRÍGUEZ-NAVARRO, G . CULTRONE, M. UROSEVIE
Departamento de Mineralogía
y
y
C . RODRÍGUEZ-NAVARRO
Petrología, Facultad de Ciencias, Universidad de Granada
INT�ODUCCIÓN
El mármol ha sido y es una de las rocas ornamentales
mas usadas por la humanidad (Winkler, 1 994) . Ello se
debe, entre otros aspectos, a sus excelentes características
de pureza, color, dureza y capacidad para adquirir un
notable pulido (Siegesmund et al. 2000). Sin embargo, los
elementos arquitectónicos y escultóricos de mármol su­
fren d i ve r s o s fe n ó m e n o s de a l t e r a c i ó n ( K o ch y
Siegesmund, 2004) que ponen en peligro la pervivencia
de elementos irreemplazables del patrimonio tales como
el Partenón o el Patio de los Leones de la Alhambra. Mien­
tras que la alteración química de los mármoles (disolu­
ción y sulfatación en ambientes con elevada contamina­
ción atmosferica) h a s i d o estu d i a d a en p r o fun d i d a d
(Feddema y Meirding, 1 987), s e sabe muy p o c o sobre su
degradación física (Scheffzük et al., 2004) . Se ha observa­
do que la expansión térmica (debida por ejemplo a insola­
ción y ciclos diarios de calentamiento/enfriamiento) oca­
siona graves daños a mármoles ornamentales, que se sue­
len m a n i fi e s t a r c o m o f e n ó m e n o s de d e s c o h e s i ó n
intergranular y formación d e desplacados (Lord Rayleigh,
1 934; Royer-Carfagni, 1 999 a; Siegesmund et al., 2000;
Weiss et al., 2003 ) . Incluso se observan fenómenos de
abarquillamiento y abombamiento en aplacados de edifi­
cios modernos (Royer-Carfagni, 1999 b); Scheffzük et al.,
2004) . Diversos autores han ligado la anisotropía de la
expansión térmica de los cristales de calcita y dolomita,
componentes principales de los mármoles, con estos fe­
nómenos de alteración (Lord Rayleigh, 1 934; Logan et al.,
1993; Siegesmund et al., 2000) . De hecho, el coeficiente de
expansión térmica, a, de la calcita es 26x 1 0 -6 K1 en la di­
rección del eje c , y -6x 1 0-6 K1 en direcciones perpendicu­
lares a éste (Koch y Siegesmund, 2004) . Por ello se ha su­
gerido que las características texturales de los mármoles,
es decir, tamaño, forma/hábito y, sobre todo, orientación
preferencial de cristales de carbonato, pueden ser claves
en su alteración térmica (Weiss et al., 2003; Scheffzük et
al., 2004), alteración que es patente con cambios de tem­
peratura de tan solo 20 a 30 oC (Royer-Carfagni, 1 999 a ) .
A s í , s e h a o b s e r v a d o que l o s már m o l e s c o n n o t a b l e
anisotropía textural (orientación preferencial de l o s ejes
c) sufren en o casiones más daños que aquellos sin orien­
tación preferencial (Leiss y Weiss, 2000) . Sin embargo, en
o t r o s c a s o s se o b s e r v a el e f e c t o c o n t r a r i o ( K o ch y
Siegesmund, 2004) . Resultados tan contradictorios ponen
de manifiesto el actual desconocimiento sobre la relación
entre textura (micro y macro) y alteración física (térmica)
de los mármoles. Es por ello que en este trabajo se ha ca­
racterizado la microtextura y propiedades elásticas que
determinan la anisotropía de tres tipos de mármoles or­
namentales de Andalucía, utilizados tanto en el pasado
(en la Alhambrq), como en la actualidad. La caracteriza­
ción de la microtextura pensamos que puede contribuir
de forma significativa al conocimiento preciso del proce­
so (o procesos) de alteración de mármoles ornamentales.
Por otro lado, este tipo de estudio puede servir como base
para definir criterios de calidad y de durabilidad frente a
fenómenos de alteración física.
MATERIALES
Y
METODOS
Mármoles
Se han estudiado tres vari e d a d e s de mármoles d e
Almería, concretamente d e l distrito extractivo de Macael,
siendo uno de ellos de esta localidad (mármol «BLANCO
MACAEL» ), y otro de Lubrín-Zurgena (el mármol defini­
do como « BLANCO TRANCO» ) y el tercero de Cobdar
(mármol conocid o en la industria de la Piedra Natural
como « AMARILLO TRIANA» ) . Estos mármoles afloran
en la parte nororiental de la Sierra de los Filábres (Provin­
cia de Almería); pertenecen al Complejo Nevado Filábride
que constituye la unidad tectónica inferior de las Zonas
Internas de las Cordilleras Béticas. La serie litológica su­
perior de este Complejo, de edad Permotriásica, es la que
c o n t i e n e , a d e m á s de o t r o s l i t o t i p o s, e s t a s r o c a s
carbonatadas tan importantes comercialmente . L o s már­
moles denominados BLANCO TRANCO Y AMARILLO
TRIANA pertenecen a la Unidad Nevado-Lubrín, mien­
tras que el mármol BLANCO MACAEL es de la Unidad
Bédar-Macael (Kampschmur, 1 9 75; López Sánchez-Vizcaí­
no, 1 994) . Tectónicamente la secuencia de mármoles y ro­
c a s a s o c i a d a s, p r i n c i p a l m e n t e c a l c o e s qu i s t o s ,
micaesquistos, cuarcitas, están afectadas p o r una comple­
ja historia de deformación que ha originado la superposi­
ción de varias generaciones de pliegues (De Jong, 1 993;
Jabaloy et al., 1 993) . En todos los mármoles se advierte
una foliación, más o menos marcada, que esta asociada a
v a r i a c i o n e s g r a n u l o m é t ri c a s y a d e te r m i n a d a s
iso orientaciones d e cristales d e calcita o dolomita, o más
raramente de filosilicatos. Esta foliación es la que nos va a
servir de plano de referencia en las determinaciones de
parámetros fisicomecánicos y texturales. L a vari e d a d
A M A R I L L O TRI A N A s u e l e p r e s e n t a r n u m e r o s a s
diaclasas ocupadas por pirolusita .
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Figura 1 : Microfo tografías de los mármoles BLANCO MA CAEL (a), BLANCO TRANCO (b)
polarizador.
Análisis de los mármoles
L a s t é c n i c a s y p r o c e d imientos fís i c o - quími c o s d e
a n á l i s i s u t i l i z a d o s e n e s t e t r a b aj o han s i d o :
m i c r o s c o p í a p e t r a gr áfi ca (laminas d e l g a d a s c o n
tinción d e r oj o d e aliz arina efectu a d a p a r a d i stinguir
entre calcita y d o l o mita), m i c r o s c o p í a electrónica d e
b a r r i d o con m i c r o análisis EDS, y difr a c ci ó n d e rayos
X ( D R X ) . P a r a d e t e r m i n a r la c o m p o sl cl o n
mine r a l ó g i c a s e p r e p araron muestras e n p o lvo d e l o s
m á r m o l e s y s e a n a l i z a r o n c o n un d i f r a c t ó m e t r o d e
P o l v o (PW 1 7 1 0, Phillip s) . P a r a determinar l a orien­
t a c i ó n d e l o s cristales s e cortaron p l a qu e t a s d e 400
¡..t m de espesor s e gún tres orientaciones ortogonales
r e s p e c t o a l o s p l a n o s de foliación y se analizaron c o n
un difr a ctómetro d e p o lvo ( p o r r e flexión) y c o n u n
d i f r a c t ó m e t r o d e cristal único e quip a d o con un d e ­
tector areal (SMART APEX, Bruker) (por transmi­
sión) . E n amb o s c a s o s, s e d e terminó l a intens i d a d re­
l a tiva d e l a s r e f l e x i o n e s n o r m a l i z a d a s a l a s d e un
p a t r ó n en p o l v o c o m p l e t a m e n t e d e s o r i e n t a d o . E n
c a d a corte d e l a m u e s tra se determinaron l o s p l a n o s
c r i s t a l o g r á fi c o s o r i e n ta d o s p a r a l e l o s a l a s u p e r f i c i e
( a qu e l l o s que s u s r e f l e x i o n e s a s o c i a d a s tienen u n a
m a y o r intens i d a d r e l a tiva) y los ej e s d e z o n a q u e d e ­
finen l a orient a c i ó n preferencial d e l o s cristale s . Fi­
nalmente, se ñ a la r que también se h a obteni d o l a v e ­
l o c i d a d d e p r o p a g a ci ó n de o n d a s u l t r a s ó n i c a s (Vp)
m e d i ante un e q u i p o Steinkamp B P - 5 en tres d i r e c ­
ciones ortonormales respecto a los planos de folia­
ción.
y
AMARILLO TRIANA (e). Un sólo
RESULTADO S Y D IS CUSION
Microsocpía óptica de luz polarizada
Mineralógicamente los mármoles BLANCO MACAEL
y BLANCO TRANCO son calcíticos, mientras que el
AMARILLO TRIANA e s dolomítico, aunque en este últi­
mo se observan cantidades escasas de calcita secundaria
que rellanan fisuras paralelas a los planos de foliación
(Fig. 1 a-c) . Los tres m ármoles pre senten proporciones
muy reducidas de cuarzo, albita, mica, clorita, epidota, e
incluso opacos (pirita). La textura varía de unos mármo­
les a otros. El BLANCO MACAEL es heterogranular, con
tamaños de cristal que oscilan entre 400 ¡..t m y 3 mm. Los
cristales están interpenetrados (textura xenoblastica) y
presentan maclas abundantes . En secciones paralelas al
plano de foliación, un porcentaj e m ayoritario de crista­
les muestra mínima birrefringencia, mientras que en pla­
nos normales a la foliación, la gran m ayoría de los cris­
tales presentan máxima birrefringencia. Ello sugiere que
los cristales están isoorientados con los ejes c perpendi­
culares al plano de foliación. Algo similar se observa en
el BLANCO TRANCO. Este es texturalmente muy simi­
lar al BLANCO MACAEL. La única diferencia significa­
tiva es que el tamaño de grano del BLANCO TRANCO
es menor (f de 200 ¡..t m a 1 mm) . El mármol dolomítico
presenta cristales prismáticos alineados paralelamente a
la foliación. Su tamaño de grano oscila entre 100 ¡..t m y
500 ¡..t m (tamaño medido según las secciones mas alarga­
d a s ) . L o s b o r d e s de g r a n o s o n p l a n a r e s ( t e x t u r a
granoblastica) y n o se observan maclas. Esto último su-
Figura 2: Patrón de difr acción bidimensional medido con un difractometro con detector areal (cortes
BLANCO MA CAEL B) mármol BLANCO TRANCO, C) mármol dolom ítico AMARILLO TRIANA .
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a la foliación): A) mármol
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varíe notablemente en el p atrón de difr a c ción line al
medido con un difractómetro de polvo . A partir de es­
tas variaciones de intensi d a d , y teniendo en cuenta
que las reflexiones reforz a d a s indican que los planos
cristalográficos asociados están orientados p aralelos a
la superficie de la muestra, se determinó que los cris­
tales están preferentemente orientados con el ej e c per­
pendicular al plano d e foliación (Figura 3). Esta orien­
tación preferencial se d a en los tres tip o s de mármoles
estud i a d o s .
e
Medidas d e propagación d e pulsos ultrasónicos
giere una temperatura de formación mayor que la de los
otros mármoles.
Destacar que la orientación preferencial de los cristales
y la m o rf o l o g í a de l o s b o r d e s de g r a n o ( b o r d e s
interpenetrados o planares) son p arámetros clave e n la
respuesta a fenómenos de estrés y deformación térmica.
M á s e x a c t a m ente, la existencia d e b o r d e s d e g r a n o
planares facilita la propagación de fracturas, mientras que
una orientación preferencial de los ejes c magnifica la ex­
pansión térmica (Siegesmund et aL, 2000; Weiss et al.,
2004 ) .
Me diante medidas de velocidad de propagación de
ultrasoni d o s se ha puesto d e manifiesto que los tres
mármoles estudiados pre sentan valores signifi cativos
del índice d e ani s o t r o p í a e l á s t i c a ( Tab l a 1 ) . E s t a e s
máxima en e l BLANCO MACAEL (,� M = 1 1 , 8 % ) ; l a s
anisotropías relativas (�m), establecidas a p artir d e las
resultados de Vp 2 y VP3' ambas contenidas en el mismo
plano de foliación, también concuerdan con los datos
de la bibliografía (Zezza y Sebastián, 1 992), tanto para
los mármoles calcíticos (BLANCO MACAEL y BLAN­
CO T R A N C O ) c o m o el d o l o m í t i c o ( A M A R I L L O
TRIANA) . Un mayor valor d e � m e n e l blanco tranco
(6, 3 3 % ) sugiere una cierta lineación según el plano de
foliación d e b i d a a l a orientacion preferencial de l o s
cristales de calcita. Los valores de velocidad de propa­
gación de ultrasonidos más altos se obtienen siempre
en el BLANCO MACA E L y los más b aj o s en el mármol
d olomítico (AMARILLO TRIANA), hecho asociado a la
mayor densidad de discontinuidades del últim o . En to­
dos los casos los valores mínimos de Vp se obtuvieron
en direcciones perpendiculares a la foliación, lo que ha
sido o b s e r v a d o en e s t o s y o t r o s m á r m o l e s (Zezza y
Sebastián, 1 9 92)
Análisis por difracción de rayos X
CONCLUSIONES
L o s resultados de los análisis por difracción de ra­
yos X c o r r o b o r a n las o b s e r v a c i o n e s d e m i c r o s c o p í a
petrográfi c a . En la F i gura 2, se muestra el p a trón de
difr a c ción b idimensional d e cada uno de los mármoles
estu d i a d o s . E l gran tamaño de grano del material hace
que se formen en vez de anillo s continuo s d e D ebye,
máximos que corresponden a reflexiones de granos in­
dividuales. Se observa que cuanto mayor e s el tamaño
de grano del mármol, menor es el número d e cristales
que se ilumina con e l haz de rayos X y menor el núme­
ro de r e f l e x i o n e s que c o n t r i b u y e n al p a t r ó n d e
difr a c ción (Figura 2 ) . Estos datos indican que e l tama­
ño de grano aumenta según la secuencia : AMARILLO
TRIAN A - B LANCO TRANCO - BLANCO MACA E L .
Por otra p arte, la orientación preferencial de l o s cris­
tales hace que la intensidad relativa de determinadas
reflexiones (planos ( 1 0 . 4), ( 1 0 8), ( 1 1 . 0 ), (00.6), Y ( 2 0 . 2 ) )
Se pone de manifiesto que las técnicas utilizadas pro­
porcionan información complementaria y muy resoluti­
va para determinar anisotropías texturales y estructura­
les de rocas ornamentales . El análisis de los mármoles
mediante microscopía y difracción de rayos X permite
establecer sus características micro texturales y determi­
nar el grado de anisotropía debido tanto a orientación
cristalográfica preferencial, como a elongación de granos
minerales, o bien orientación preferencial de fisuras. Se
observa en todos los casos estudiados una clara orienta­
ción preferencial de ejes c normales a los planos de folia­
ción. Tal orientación preferencial, muy común en már­
moles ornamentales, se ha relacionado con fenómeno s
de expansión térmica diferencial que pueden llegar a ser
muy dañinos en edificios historicos y en revestimientos
de edificios modernos. Mediante el cálculo de las veloci­
d a d e s de u l t r a s o n i d o s , no s ó l o se d e t e r m i n a n
parámetros físico-elásticos, sino que es factible estable­
cer la orientación de los planos de foliación en mármoles
cuando estos no se manifiestan visualmente; asimismo,
permite evaluar y analiz ar comparativamente la calidad
técnica de distintos tipos de mármoles. En conclusion,
cabe señalar que el análisis microtextural de los mármo­
les ornamentales es un paso fundamental, previo al es­
tudio de su alteración (edificios históricos) y a la defini­
ción de criterios de calidad en edificios modernos y/o
en sustituciones en monumentos.
Figura 3 : Direcciones de medida de ultrasonidos refe­
ridas a la foliación de los mármoles y orientación pre­
ferencial del eje cristalográfico c.
.
VPl
Vf'2
Vp,'
t.M
t.m
Blnnco
5973
6811
6738
11,83
1,08
Tranco
5323
5455
5812
5,51
6,33
Trim/ll
5509
6412
5890
10,44
0,90
Tabla 1 : Velocidad de ondas ultrasónicas en mis. Vp¡, VP2 y VP3
direcciones de transmisión de las ondas (ver Fig.2) . .1M Y .1m
datos de coeficien tes de anisotropías total y relativa, en % .
.
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AGRADECIMIENTOS
E s t e t r ab aj o h a s i d o fin a n c i a d o por e l p r o y e c t o
MAT2004-6804 y p o r el Grupo d e Investigación RNM-1 79
(Junta de Andalucía) .
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