Pedra amb cristalls de dolomia procedent de la pedrera Azcárate, a Navarra (Espanya). Didier Descouens / Wikimedia, CC BY-SA

Els cims de Les Dolomies han desafiat a viatgers i escaladors durant segles, i també als geòlegs que han intentat explicar l'origen d'estes llegendàries muntanyes.

Per què actualment a penes es forma en la Terra el mineral del qual estan fetes Les Dolomies i moltes altres antigues formacions geològiques? Per què no som capaços de cristal·litzar dolomia en condicions ambientals en els nostres laboratoris?

Els científics portem més de dos-cents anys intentant resoldre estes dues grans qüestions. Ara estem més prop de trobar-los una resposta.

La dolomia: un mineral molt ordenat

Per a entendre les dificultats que planteja el mineral dolomia [MgCa(CO₃)₂] a l'hora de cristal·litzar és necessari tindre en compte, en primer lloc, que dins de la seua estructura els àtoms de magnesi i de calci no estan aleatòriament distribuïts, sinó que s'alternen en capes. Perquè es forme un cristall de dolomia a partir de, per exemple, l'aigua de la mar, s'ha de completar una capa d'àtoms de magnesi abans que es deposite una capa d'àtoms de calci.

Però en la realitat això no ocorre. El que realment succeïx és que els àtoms de calci i magnesi arriben desordenadament a les superfícies dels cristalls de dolomia i s'acumulen en capes de composició mesclada.

No obstant això, l'estructura d'un cristall de dolomia amb els àtoms de calci i magnesi desordenats no és estable i tendix a reorganitzar-se per a minimitzar l'energia.

Com poden separar-se els àtoms de calci i magnesi en capes ordenades una vegada format el cristall?

Dissoldre's per a tornar a cristal·litzar bé

A les temperatures a les quals es formen les roques sedimentàries, sembla que l'única manera en què els cristalls de dolomia poden adquirir el seu característic ordenament d'àtoms de calci i magnesi és que es dissolguen parcialment i tornen a cristal·litzar. D'esta manera, els àtoms poden moure's més o menys lliurement i reordenar-se en capes diferenciades.

Partint d'esta idea, ja en 1967, Liebermann va dur a terme experiments en els quals va sotmetre a cicles de dissolució i cristal·lització precipitats amb composicions predolomítiques, és a dir amb aproximadament un 50 % de magnesi i un 50 % de calci.

Amb algunes variants, els experiments de Liebermann es van repetir posteriorment per Deelman (1999) i, més recentment, per Dos Anjos i col·laboradors (2011) i per Pimentel (2017), tots ells a temperatures entorn dels 30 °C.

Cap d'estos investigadors va obtindre cristalls de dolomia amb clares evidències que els àtoms de magnesi i calci estigueren en les posicions correctes. No obstant això, els seus experiments sí que van mostrar que els cicles de dissolució-cristal·lització poden produir importants canvis mineralògics i químics dins de sediments i roques carregats d'aigua.

Molt recentment, un equip de investigadors de les Universitats de Michigan (els EUA) i Hokkaido (el Japó) ha aconseguit, emprant el feix d'electrons d'un microscopi electrònic de transmissió, dissoldre i recristal·litzar diversos milers de vegades en un parell d'hores la vora d'un cristall de dolomia.

Segons els investigadors que van realitzar eixe interessant experiment, el resultat va ser la formació d'unes poques noves capes de cristall amb un cert grau d'ordenament dels seus àtoms de calci i magnesi.

Encara que l'experiment va ser dut a terme a 80 °C, una temperatura bastant més elevada que aquella a la qual es van formar Les Dolomies, constituïx un nou indici que els cicles de dissolució-cristal·lització van poder ser fonamentals per a la seua formació.

Es produïxen cicles de dissolució-recristal·lització en la naturalesa?

Una de les coses que diferencia el nostre planeta de la resta de planetes i satèl·lits del sistema solar és la infinitat de cicles físics, químics i biològics que s'observen en ell.

En la Terra podem mesurar, entre altres, oscil·lacions diàries i estacionals de temperatura, humitat i biomassa, variacions quasi cícliques en el nivell de la mar (marees), canvis periòdics en el pH i salinitat de l'aigua de llacunes mareals, marenys i mars restringides (com la Mar Morta).

Fins i tot a major escala temporal s'han registrat en les roques variacions al llarg de desenes de milers i fins i tot milions d'anys en la concentració de magnesi i calci en els oceans, el CO₂ i l'oxigen atmosfèrics, etc.

Este tipus d'oscil·lacions fan que, sobre la superfície de la Terra, molts minerals es puguen dissoldre parcialment i cristal·litzar de nou (pensem, per exemple, en la sal que es forma i dissol una vegada i una altra al llarg de les costes de totes les mars). En el cas de la dolomia, eixe constant procés de dissolució-cristal·lització permetria, a més, que els seus àtoms de magnesi i calci anaren a poc a poc ordenant-se en capes.

Però quant temps pot tardar a ordenar-se un cristall de dolomia?

Esta és una qüestió clau que ha ocupat i ocupa als geòlegs des de fa moltes dècades. Ara estem, no obstant això, més prop de saber si l'ordenament complet dels àtoms de magnesi i calci de la dolomia es produïx al llarg de centenars d'anys, milions d'anys o desenes de milions d'anys. I este coneixement s'està aconseguint fonamentalment a través de dues estratègies d'investigació.

D'una banda, alguns científics estan realitzant experiments de formació de dolomies a temperatures bastant per damunt d'aquella a la qual este mineral es forma normalment en la naturalesa (no més de 60 °C). Després, extrapolen els valors de velocitat d'ordenament dels seus àtoms de magnesi i calci a temperatures geològicament més realistes.

En esta línia d'investigació, destaquen els experiments publicats en 2019 per Kell-Duivestein i col·laboradors, els qui van concloure que, per a les temperatures típiques de la seua formació, els cristalls de dolomia s'ordenarien quasi completament per dissolució-cristal·lització en uns pocs milions d'anys.

Este resultat està d'acord amb l'estimació d'uns 10 milions d'anys publicada recentment pels investigadors de les Universitats de Michigan i Hokkaido, basada en sofisticades simulacions per ordinador i en l'experiment de dissolució-cristal·lització cíclica a 80 °C esmentat anteriorment.

D'altra banda, investigadors com Taque i Kaczmarek, així com nostre grup d'investigació del Departament de Mineralogia i Petrologia de la Universitat Complutense de Madrid i de l'Institut de Geociències IGEO (UCM-CSIC), s'han centrat des de fa anys a analitzar el grau d'ordenament dels àtoms de magnesi i calci de les dolomies naturals formades en els últims 775 milions d'anys.

Mitjançant l'ús de la difracció de raigs X ha sigut possible avaluar eixe grau de ordenament en dolomies de nombroses formacions rocoses (incloses Les Dolomies). I el resultat ha sigut bastant revelador: les dolomies amb edats de més de 30 milions d'anys mostren valors màxims d'ordre, mentre que les geològicament més recents estan, en general, menys ordenades com més recent ha sigut la seua formació.

Les anàlisis de difracció de raigs X també indiquen clarament que les dolomies han recristal·litzat amb el temps, la qual cosa és explicable si s'assumix l'existència de cicles de dissolució-cristal·lització repetits durant milions d'anys.

Però hi ha alguna cosa més: les dades ens han permés fer una primera estimació de la velocitat amb què s'ordenen i recristal·litzen les dolomies al llarg del temps geològic, la qual cosa obri també les portes al desenvolupament de nous mètodes de datació de roques.

Encara que queda encara molt per fer, les investigacions dutes a terme durant les últimes dècades han mostrat clarament que, sobre la superfície de la Terra, la formació de grans masses de dolomia només es pot explicar mitjançant una seqüència de processos de dissolució i recristal·lització estesa en el temps geològic. I no seria sorprenent que molts altres minerals terrestres es formaren de la mateixa manera.

Carlos M. Pina, Professor de Cristal·lografia i Mineralogia, Universitat Complutense de Madrid

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.