Sinteza a conferintelor sustinute intre 1980 - 2001 la: Universitatea din Tübingen – Departamentul Petrografie (iulie 1980); Universitatea Duke, Carolina de Nord Departamentul de Geologie-Geofizica (decembrie 1991); Universitatea din Taipei Departamentul de Mineralogie (august 1994); Universitatea din Zagreb, Facultatea de Mine, Petrol şi Geologie (iunie 2000); Universitateade

Mine şi Geologie din Sofia, (mai 2001) 

 

Cateva intrebari simple

Dupa mai bine de 30 de ani de cand predau mineralogia la universitate si lucrez in cercetarea stiintifica geologica, a venit vremea unor intrebari pe cat de simple pe atat de tulburatoare. Ce reprezinta stiinta careia i-ai dedicat timpul si eforturile? Care este locul ei in concertul stiintelor naturii? Dar in viata si in evolutia omului?

Aselenizarea, cea mai spectaculoasa realizare tehnologica a omului de pana acum, a fost, de fapt, o prospectiune de tip geologic. Ceea ce i-a urmat a avut un imens impact asupra dezvoltarii stiintei, in general, si asupra vietii oamenilor, in particular. Pentru cercetarea probelor aduse de pe Luna s-au mobilizat toate metodele fizice si chimice cunoscute si toata aparatura de varf pe care tehnologia o realizase pana atunci.

Din punct de vedere mineralogic, rezultatul a fost de o banalitate totala. S-a constatat ca rocile de pe Luna sunt identice cu bazaltele Terrei pe care le examineaza orice student in anul intai. Dar aparatele perfectionate in acei ani, printr-un efort financiar si tehnologic extraordinar, ca si metodele puse la punct de echipe compacte de specialisti  au patruns apoi in laboratoare medicale si uzinale, facand posibila o cunoastere superioara a corpului uman, modernizarea infrastructurii si usurarea vietii oamenilor.

 

Unelte, arme si podoabe primitive

Va invit sa coboram acum in adancul timpului si sa insotim omul din zorii existentei sale in epoca pietrei – prima si cea mai lunga din istoria devenirii sale; sa traversam apoi epoca bronzului si a fierului. Refacand acest drum vom vedea ca in majoritatea marilor probleme, cu care omul s-a confruntat, mineralele au jucat un rol semnificativ.

Primele determinari mineralogice vanatorul comunei primitive le-a facut pentru a supravietui. El a separat mineralele dupa duritate si tipul de spartura ca sa obtina bucati de silex cu care sa-si ciopleasca unelte si sa-si faureasca arme. Apoi a sesizat punctele de topire ale metalelor si a descoperit aliajul dintre plumb si zinc din care a preparat bronzul.

Dupa ce si-a asigurat supravietuirea, vanatorului i-a mai ramas un pas ca sa devina cu adevarat om. Un pas marcat de clipa in care bucuria si suferinta s-au transformat in arta. Chiar si in cele mai vechi asezari omenesti, in incinte unde s-a locuit sau in morminte, au fost gasite podoabe. Pentru a le confectiona, oamenii au selectionat mineralele dupa culoare si dupa luciu, dupa duritate, maleabilitate si ductibilitate, dupa clivaj si spartura. Ei au observat ca mineralele cu luciu si culori frumoase, daca nu sunt dure, „orbesc” devenind mate. Astfel s-a nascut prima clasificare intre minerale pretioase si semipretioase. Si tot atunci au aparut primele falsuri. Mai apoi s-a descoperit ca anumite minerale  lasa urme. Asa s-au nascut in grotele paleoliticului si neoliticului primele picturi rupestre. S-a scris atunci un capitol senzational de mineralogie empirica de catre acei vechi stramosi ai nostri care faceau mineralogie fara sa stie ca o fac.

 

De la stelutele de gheata la legile simetriei

Mineralogia ca stiinta avea sa apara mult mai tarziu. Pentru ca stiinta inseamna reguli si criterii de clasificare, legi. La aceasta etapa s-a ajuns traversand captivantul dialog cu lumea minerala al civilizatiilor antice.

Oriunde si oricum, in nelinistea curiozitatii lor, oamenii au plecat de la observatii, urmate de intrebari. Au fost intrigati, de pilda, de forma hexagonala a stelutelor de gheata. De ce intotdeauna hexagonala? De ce anumite minerale au pretutindeni aceleasi forme cristalografice indiferent de rocile in care se gasesc? Exista o explicatie a acestei regularitati? In cele din urma si cu o perseverenta uimitoare, minti studioase au adunat in bibliotecile medievale un numar imens de date si desene pe baza carora au stabilit ca formele mineralelor se pot include in sapte sisteme cristalografice. Pentru constituirea unei stiinte era inca prea putin.

Cristalografia s-a validat abia atunci cand o constatare a primit statut de lege: nu formele si marimea fetelor mineralelor sunt importante pentru clasificarea lor, ci unghiurile dintre fete. Cu aparate simple, numite goniometre, unghiurile au fost masurate in grade, minute si secunde. Valoarea unghiurilor diedre, ca o constanta imuabila, clasifica mineralele in clase si sisteme de simetrie, in timp ce marimea fetelor ne dezvaluie modul si mediul in care a cristalizat mineralul.

 

Cristalele, inspiratia si dilemele fizicii

Vine si momentul cand intra in scena o calitate indispensabila a omului de stiinta: inspiratia. Bravais, un savant francez din secolul XIX, are o inspiratie uluitoare sustinand ca toate mineralele intalnite pe Pamant s-au format plecand de la o celula elementara interna a carei simetrie determina simetria exterioara a cristalelor. El a imaginat o structura tridimensionala constituita din siruri si plane reticulare si, intr-una din cele mai fantastice previziuni din cercetarea universala, a anticipat si ordinul de marime a distantelor dintre atomi. Nu putea invoca nici o dovada a acestei complicate arhitecturi a materiei cristalizate pentru ca nimeni nu stia cum poate fi identificata dispozitia anionilor si cationilor. Raspunsul avea sa apara in momentul in care stiintele naturii si-au pus o alta problema. Pentru a o cunoaste va propun sa calatorim din nou in timp.

La inceputul secolului XX, fizica a cunoscut o efervescenta extraordinara. Se descopereau intr-un ritm frenetic diferite tipuri de radiatii iar oamenii de stiinta se gaseau impartiti in doua tabere, dupa cum sustineau natura corpusculara sau ondulatorie a acestor radiatii. Cand Roentgen a descoperit radiatiile care ii poarta azi numele, ele au fost numite raze X deoarece nu se puteau construi retele de difractie corespunzatoare lungimii de unda a acestora care sa probeze natura lor ondulatorie. In acel moment, Max von Laue, profesor de cristalografie la Universitatea din Zürich, are o idee cuceritoare prin simplitatea ei. El propune verificarea simultana a doua ipoteze neprobate inca experimental, respectiv natura ondulatorie a radiatiilor descoperite de Roentgen si structura reticulara a cristalelor imaginata de Bravais prin bombardarea unor cristale naturale cu radiatii X. Experienta a fost realizata de doi asistenti ai profesorului, Friedriech si Knipping, care au utilizat succesiv cristale cubice de halit si de galena. Rezultatul a fost spectaculos. S-a obtinut o imagine fotografica, numita ulterior lauegrama, care arata ca radiatiile X erau reflectate simetric de planurile reticulare ale retelei elementare a cristalelor, dovedind ca ipotezele emise de Bravais si Roentgen erau corecte.

Alchimia si piatra filosofala

Sa ne intoarcem, insa, in miezul Evului Mediu. Regii si principii construiau catedrale gotice impunatoare, ridicau castele semete si purtau razboaie indelungate. Aveau disperata nevoie de aur, mineralul puterii si al frumusetii. In acea epoca, cuvantul de ordine era auri sacra fames, foamea de aur. Atunci au intrat pe scena istoriei alchimistii. Ei sustineau ca un mineral banal poate fi transformat, prin transmutatie, in aur. Argumentul mineralogic era piatra filosofala, careia i se atribuiau proprietati magice. Aventura alchimiei a esuat si cei mai multi alchimisti au platit visul sau nebunia lor cu temnita sau cu viata. Dar experimentul lor esuat a avut, totusi, un epilog surprinzator. Dupa secole, s-a dovedit ca extravaganta lor teorie era adevarata. Cercetatorii britanici au reusit acum doua decenii sa produca prima milionime de gram de aur, e adevarat, cu un pret imens, neprofitabil si in prezent. Dar proba stiintifica a fost facuta. A doua consecinta, mult mai importanta, a fost virtuozitatea la care a fost adusa analiza chimica pe cale umeda de catre alchimisti. Au atins un grad de perfectiune care si astazi poate fi cu greu egalat. Pe baza analizelor chimice medievale s-a nascut chimia anorganica, cu toate consecintele benefice pe care le-a adus progresului uman pana astazi.

Cand am facut cercetari la vechile intreprinderi miniere din Banat, am gasit, in arhivele lor, reviste germane de geologie privind analize efectuate cu sute de ani in urma asupra mineralelor din zona. Refacand analizele cu metode moderne, am constatat ca determinarile pentru principalele elemente erau corecte, iar ceea ce identificam acum ca urme sau elemente minore fusese in mod onest indicat atunci ca reziduu.

 

Delimitarea frontierei cu necunoscutul

Urmarind senzationala prezenta a mineralelor in abordarea unor sfidari intelectuale si practice cu care omul s-a confruntat de-a lungul existentei sale, am migrat oarecum dezordonat din paleolitic in secolul XX, in lumea antica si Evul Mediu. Este momentul sa sistematizam putin, pentru ca sistematica este coloana vertebrala a stiintelor naturii.

Clasificarea este instrumentul care ordoneaza cunoscutul si delimiteaza frontiera cu necunoscutul. Un ghid bun in aceasta intreprindere intelectuala este relatia dintre metoda folosita si progresul obtinut. Adevarul acesta a fost enuntat in 1774 de mineralogul german Gotlieb Werner, considerat de contemporanii sai un Socrate al stiintelor pamantului. El vedea principalul obiectiv al mineralogiei in stabilirea unui sistem de clasificare ideala si gasirea unor mai bune metode de identificare a mineralelor.

Pentru o evaluare mai lesnicioasa a modului de realizare a acestui obiectiv, am sintetizat pe doua coloane evolutia relatiei metoda – criterii de clasificare si am insotit-o cu o tentativa de delimitare a principalelor perioade de dezvoltare a stiintei mineralogice:

Aceste progrese succesive contureaza, asemenea celor sapte stadii ale iluminarii invocate de Roger Bacon, sapte trepte de cunoastere carora le corespund tot atatea perioade in dezvoltarea mineralogiei: empirica, cristalografica, chimico-mineralogica, optico-mineralogica, cristalo-chimica, chimico-structurala, experimentala.

Am urmarit cum a fost clasificat fiecare teren nou cucerit prin cunoastere, dar este la fel de interesant sa observam miscarea in timp a granitei cu necunoscutul si cum s-a identificat ceea ce nu se putea determina.

In perioada cristalografica, campul cunoasterii stiintifice era limitat la mineralele cu fete cristalografice bine exprimate care dau stralucire muzeelor si colectiilor, dar care reprezinta numai un procent infim in lumea mineralelor.

Analiza chimica a deschis larg calea clasificarii mineralelor in cele opt clase ale sistematicii valabile si azi: elemente native, sulfuri, oxizi, halogenuri, carbonati (nitrati, borati, iodati), sulfati (cromati, molibdati, wolframati), fosfati (arseniati, vonadati), silicati. Dar utilizarea analizei chimice pentru identificarea speciilor minerale este restrictionata si astazi de capacitatea metodelor de separare de a extrage fazele minerale din contextul petrografic, fiind inoperanta la fazele in amestec fizic sau chimic.

Microscopia a permis identificarea amestecurilor, incluziunilor, a fazelor de substituire sau transformare, dar nu a putut analiza granulele foarte fine de tipul mineralelor argiloase, unde si analiza chimica esuase.

Roentgenometria a surmontat aceste limite si a completat riguros peisajul mineralogiei clasice cu structurile retelelor cristaline si formulele cristalo-chimice.

Metodele fizice moderne au aratat, insa, ca modelele structurilor cristaline, baza validarii speciilor minerale, sunt cazuri ideale astfel ca, pentru cristalele reale, marcate de defecte de cristalizare, s-a introdus sistematica defectelor structurale, a politipilor si a rafinamentelor retelelor.

Metodele experimentale au sters limita investigarii mineralelor naturale si artificiale permitand simularea diferitelor conditii geologice si inregistrarea transformarilor materiei minerale in timp real.

 

Avatarurile imaginii mineralului

Simultan cu aceasta largire a campului cunoasterii, s-a modificat si perceptia asupra obiectului cunoasterii, imaginea mineralului evoluand de la cea a unui obiect util (unealta sau podoaba), la cea a unui obiect de studiu vazut succesiv ca un poliedru, ca un compus chimic, ca un mecanism optic, ca o retea de difractie, ca un mecanism electronic complex pana la un model natural reproductibil.

Lungul drum al cunoasterii mineralelor a condus la identificarea, descrierea si clasificarea a circa 2.500 de specii minerale, ceea ce ofera o imagine convingatoare a diversitatii lumii anorganice. Dupa 200 de ani de cercetari, proiectul de dezvoltare a mineralogiei propus de Werner poate fi considerat finalizat. Dar ne putem multumi cu atat? Daca ar fi asa, cum am mai putea caracteriza mineralogia? Doar ca pe un dictionar cu mii de cuvinte care descriu mineralele si proprietatile lor?

Mineralogia moderna si-a pus si alta intrebare: exista vreo legatura intre speciile minerale riguros definite? Investigatiile celei de-a doua jumatati a ultimului secol au aratat nu numai ca aceste legaturi exista, dar si ca sunt mai numeroase decat ne-am fi putut inchipui.

 

Argument pentru diversitatea si unitatea lumii

Oarecum surprinzator pentru stereotipurile noastre mentale, studiul partii minerale a materiei vii, conservata sub forma de fosile – de fapt, cea care permite reconstituirea extinderii si evolutiei organismelor vii in timp – ne permite, prin comparatie, sa afirmam ca tranzitiile dintre specii in cadrul materiei anorganice sunt mai frecvente si mai continue decat intre diferitele specii din lumea organica.

Sa revenim deci cu alti ochi la aceasta lume a materiei anorganice numita traditional materie moarta dar, cum am aflat, mult mai schimbatoare, mai dinamica si mai variata in interconexiunea ei decat am fi fost tentati sa credem. Vom vedea ca mineralul nu este numai argumentul diversitatii lumii, ci si argumentul cel mai convingator al unitatii ei. Materia anorganica are pentru tot sistemul planetar cunoscut un element de constructie unic: faza minerala pe care mi-am permis sa o numesc caramida universului.

Ce este faza minerala? O entitate cu o structura si o compozitie chimica definite, despartita prin suprafete de discontinuitate de mediul inconjurator. Faza minerala se poate insa divide in cristale sau granule, deschizand astfel o cale pentru intelegerea istoriei lumii anorganice. Prin dispersia fazei minerale in granule si cristale s-au format rocile si minereurile. De fapt, definitia cea mai corecta caracterizeaza rocile si minereurile ca faze minerale in starea lor de dispersie naturala. Rocile si mineralizatiile constituie complexe petrografice care formeaza muntii, colinele si marile platforme cu zacamintele lor de minereuri metalifere si nemetalifere, de carbuni, petrol si sare, uneori de dimensiuni uriase. Un sistem mineral complex este si scoarta terestra cu marile ei spatii continentale si oceanice, dar si cu radacinile nevazute ale muntilor si oceanelor subterane de lava. In fine, globul terestru in totalitatea lui si universul nesfarsit pot fi definite ca sisteme mineralogice cu un grad de complexitate tot mai mare.

Departe de a fi doar un component statistic al unor sisteme cu grade diferite de complexitate, mineralul este un nod al schimburilor energetice in continua miscare geologica care inglobeaza miscarea mecanica, fizica si chimica. Pe langa izomorfismul deja discutat, polimorfismul, politipia, izotipia si morfotropismul dezvaluie mecanismele complicatelor procese in care mineralele sunt angrenate. Uneori, ca in cazul substitutiilor la nivelul fazei minerale a elementelor  majore prin elemente minore cu valente identice, superioare sau inferioare acestora, recunoastem relatii aproape „umane”. Intr-un prim caz, botezat camuflaj, schimbul este echivalent mimand o relatie similara celeia pe care dreptul roman o defineste prin maxima do ut des, iti dau cat dai; in cel de-al doilea caz, schimbul numit captare este avantajos, iar cel de-al treilea caz, numit admitere, poate fi considerat altruist, deoarece prin acceptarea in nodurile retelei a unui element cu valenta mai mica, structura devine mai labila si mineralul mai vulnerabil in procesele ulterioare de alterare.

A venit vremea sa ne punem si intrebarea daca exista un sens in continua transformare a lumii. Termodinamica ne spune ca da. Ea dovedeste ca evolutia tuturor sistemelor minerale decurge intr-un sens prestabilit: scaderea energiei libere si cresterea entropiei. Acestea pot fi calculate pentru sisteme gigantice sau micronice. Echilibrarea sistemului se face conform principiului franarii enuntat de Le Chatelier. Astfel, daca un sistem mineral este adus in conditii de presiune litostatica sau de stress ridicat, el se va adapta prin blasteza unor minerale cu structuri compacte si duritate mare prin care materia minerala se opune fortei exterioare dupa cum, la temperaturi inalte si presiuni scazute, vor cristaliza mineralele cu structuri mai afanate.

 

Pamantul, scena unei permanente confruntari

De miliarde de ani, Pamantul este scena gigantica a unei permanente confruntari intre tendintele de concentrare si diseminare ale materiei minerale. In lumea anorganica starea de entropie maxima se realizeaza in retelele cristaline. Daca miscarea minerala nu s-ar desfasura in mediul natural al planetei noastre, ci in conditii controlate in laborator, Pamantul ar tinde sa fie constituit din cristale unice, de diferite marimi care sa corespunda, compozitional, clark-ului elementelor chimice asociate, adica gradului de reprezentare a elementelor chimice in constitutia Terrei. Urmand criteriul energiei libere si al entropiei, tendinta ar fi concentrarea materiei terestre intr-un gigantic cristal de feldspat, intr-un urias cristal de cuart si in cristale cu dimensiuni din ce in ce mai reduse de biotit, amfiboli, piroxeni etc. Procesele tectonice globale blocheaza insa aceasta tendinta de concentrare la capatul careia, prin incetarea miscarii geologice, s-ar fi ajuns la moartea planetei.

Dimpotriva, constitutia Pamantului arata o extrema diversitate si o continua transformare. Pe Pamant coexista minerale formate odata cu nasterea planetei, acum patru miliarde si jumatate de ani, cu minerale care se formeaza chiar sub ochii nostri in stalactitele din pesteri, in malurile deltelor, din lavele vulcanilor, din gheizere fierbinti sau gheturi polare. Dupa cum minerale din scuturile continentale imobile de miliarde de ani coexista cu minerale transportate la distante uriase pe suprafata globului, proiectate din zonele abisale ale Terrei sau venite din spatiul cosmic sub forma de meteoriti.

 

Martor de incredere

Dupa aceasta calatorie pe drumul cunoasterii, in care am adunat probe si marturii, mineralul ni se arata sub multiple infatisari ramanand nu de putine ori ascuns si misterios. Iata cateva ipostaze in care ni s-a dezvaluit:

 – caramida a universului care pastreaza unitatea transgalactica,

 – nod al schimburilor de energie care asigura universului viata,

 – calator in imensele spatii ale Terrei pe lungi trasee care l-au purtat din centrul incandescent al planetei pe crestele muntilor, de aici in abisurile oceanelor si apoi din nou in camerele magmatice,

 – vizitator din spatiile cosmice purtat spre Pamant de comete, meteoriti sau din misterioasele gauri negre,

 – orologiu care masoara varsta planetei si in a carui cutie minerala elementele radioactive se dezintegreaza marcand impasibil timpul erelor,

 – termometru si barometru care au inregistrat fidel temperatura si presiunea apei oceanelor, a lavelor vulcanice, a solutiilor hidrotermale,

 – busola care inregistreaza pozitia polilor Pamantului in momentul formarii sale si ne permite azi sa desenam migratia acestora in timp,

 – ofiter de stare civila care, notand izotopii oxigenului, ne poate spune anotimpurile si lunile in care s-au nascut si in care s-au stins din viata fiinte vii care au trait acum sute de milioane de ani.

Atunci, ce este pana la urma mineralul? De la caz la caz, toate acestea. Dar peste toate, pentru cercetatorii Pamantului fiecare mineral este o litera din alfabetul cu care se scrie si se citeste istoria si geografia erelor.

Un alt mod de a privi lumea

Sistemele minerale au fost ambianta permanenta a evolutiei omului si a progresului activitatilor sale. O ilustreaza cu prisosinta cel mai banal mineral de pe pamant, silicea, care l-a insotit neincetat de la silexul uneltelor din pesterile paleolitice la cuartul piezoelectric al tehnologiei secolului XXI.

Raportate la scurta noastra istorie biologica, mineralele nu s-au schimbat. Noi ne-am schimbat si putem citi tot mai multe informatii pe site-ul lor. Avem acum posibilitatea de a interoga un martor pretios si, daca stim sa punem intrebarile potrivite si sa le interpretam inteligent, vom afla fascinanta poveste a formarii si transformarii Pamantului si a planetelor ce ne inconjoara.

La sfarasitul acestei marturii a experientei mele sunt dator cu raspunsul la intrebarile de la care am plecat:

Ce datoram mineralogiei?

Ce datoram neobositei explorari si cercetari a fenomenelor naturale?

Cred ca, in primul rand, un anume mod de a fi si de a privi lumea. Mineralogia si stiintele naturii ne invata sa lepadam crusta arogantei, sa evitam sentintele definitive, sa ne apropiem cu grija si respect de natura misterioasa si profunda a planetei noastre, aceasta gradina minunata in care ne-au fost sortite o trecere efemera si visul eternei reintoarceri.