2. Componentes sólidos inorgánicos del suelo
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2. Componentes sólidos inorgánicos del suelo
Las arcillas: Origen, estructura y propiedades. Los limos y las arenas: Composición y propiedades. Métodos de estudio y aplicaciones.
Edafología y Climatología Agrícola (Módulo de Edafología)
Grado en Ingeniería Agrícola
ETS de Ingeniería Agronómica (Universidad de Sevilla)
Fases del suelo
FASE SÓLIDAPartículas
minerales y orgánicas
FASE GASEOSAPoros vacíos
FASE LÍQUIDAPoros rellenos de agua
Fases del suelo
En masa
Materia mineral
81%
Materia orgánica
2%
Fase líquida
17%
En volumen
Materia mineral
45%
Materia orgánica
5%
Fase líquida
25%
Fase gaseosa
25%
Ciclo de las rocas y el suelo
Material original
Meteorizacióny edafización
Erosión
FORMACIÓNDE SUELO
Transporte
Depósito
Sedimentos
DiagénesisLitificacion
Metamorfismo
Fusión
Rocas ígneas
Rocas metamórficas
Rocas sedimentarias
G. Bárcenas (Univ. de Sevilla) en un paisaje volcánico del P.N. del Teide (Tenerife), Antonio Jordán / Imaggeo
Tipos de material original
Tipo de roca Propiedades del suelo
Rocas ígneas Efusivas Lavas ácidas y básicas
Textura arcillosa
Color rojo-pardo oscuro
Presencia de hierro
Plutónicas Granitos, gabros, basaltos, peridotitas
Textura arenosa
Acidez
Rocas metamórficas Gneises, pizarras, esquistos, mármoles Textura arcillosa
Rocas sedimentarias Calizas Suelos pedregosos, poco profundos
Textura arcillosa
Areniscas Textura arenosa
Material aluvial Materiales depositados por ríos Textura limosa
Material lacustre Materiales depositados en lagos y depresiones (principalmente bajo clima glaciar)
Textura gruesa
Material eólico Sedimentos transportados por el viento Textura arenosa
Material coluvial Materiales transportados por las laderas de las montañas debido a la gravedad
Suelos poco desarrollados
Lava (Islandia), R. Sigurdsson / Imaggeo Granito (Francia), D. Tanner / Imaggeo Mármol (Sevilla), J.C. Prieto / Imaggeo
Caliza (Sevilla), A. Jordán / Imaggeo Arenisca (China), O. Koskin / Imaggeo Material aluvial (Suecia), J. Keck / Imaggeo
Lago glaciar ártico, M. Brummell / Imaggeo Material eólico (Alemania), C. Arrighi/Imaggeo Material coluvial (Alicante) J. Mataix/Imaggeo
La fase sólida condiciona las propiedades del suelo
Estructura
Porosidad
Permeabilidad
Densidad
Fase sólida del suelo
Roca
Biomasa
Fase sólida
Compuestos orgánicos
Compuestos inorgánicos
Alteración físico-química
Evolución de la materia mineral
Minerales de arcilla
Alteración química
Alteración física
Roca
Fragmentos de roca
Lorena M. Zavala (Univ. de Sevilla) mostrando la alteración física de los esquistos (Faro, Portugal), Antonio Jordán / Imaggeo
Plegamiento de rocas metamórficas, Antonio Jordán / Imaggeo
Pan de hierro a 120 cm de profundidad (cerca de Fuente de la Corcha, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Alteración de rocas calizas en el Barranc dels Tarongers (Valencia), Antonio Jordán / Imaggeo
Fragmentación de roca caliza (Mallorca), Antonio Jordán / Imaggeo
Disolución de roca caliza (Mallorca), Antonio Jordán / Imaggeo
Alteración de yesos (Alcalá de los Gazules), Antonio Jordán / Imaggeo
Alteración química de la roca, Antonio Jordán
Meteorización de areniscas silíceas por raíces (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / Imaggeo
Meteorización de rocas metamórficas (Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Alveolización en rocas sedimentarias (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / Imaggeo
Alteración de areniscas silíceas por raíces (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / Imaggeo
Alteración física biológica de la roca (Kerala, India), Alwyn Biju / Imaggeo
Líquenes sobre rocas (Tidbindilla, Australia), Antonio Jordán / Imaggeo
Musgo sobre rocas (España), Artemi Cerdà / Imaggeo
Clases granulométricas (USDA)
Nombre Diámetro
Fragmentos de roca Gravas, piedras 2 - 70 mm
Tierra fina Arena muy gruesa 1 – 2 mm
Arena gruesa 0.5 – 1 mm
Arena media 0.25 – 0.5 mm
Arena fina 0.1 – 0.25 mm
Arena muy fina 0.05 – 0.1 mm
Limo grueso 0.02 – 0.05 mm
Limo fino 0.02 mm - 2m
Arcilla < 2 mLimo
Arcilla (diámetro aumentado × 10)
Arena
Fracciones de tamaño de arena y limo de suelos cuarcíticos, Antonio Jordán / Imaggeo
0
10
20
30
40
50
60
70
O Si Al Fe Ca Na K Mg H Otros
Proporción de los elementos químicos en la corteza
Proporción de todos los iones y átomos (%) Proporción en peso (%)
Composición de los minerales del sueloMinerales dominantes
La arena y el limo, que se originan mediante procesos físicos, tienen la misma composición que la roca de la que provienen. Los minerales dominantes son el cuarzo y el feldespato, aunque también pueden aparecer otros frecuentes u ocasionales.
Cuarzo, SiO2, J.J. Harrison / Wikimedia Commons
Feldespato, (K,Na,Ca,Ba,NH4)(Si,Al)4O8, R. Lavinsky / iRocks.com
Composición de los minerales del sueloMinerales frecuentes
Moscovita, KAl2(AlSi3O10)(OH)2, L.M.
Bugallo Sánchez / Wikimedia Commons
Calcedonia, SiO2, L.M. Bugallo Sánchez /
Wikimedia Commons
Plagioclasa, (Na,Ca)(Si,Al)3O8, R.
Lavinsky / iRocks.com
Ortosa, KAlSi3O8, D. Descouens / Wikimedia
Commons
Flogopita,K(Mg, Fe, Mn)3Si3AlO10(F, OH)2),
A. Dulyan / Wikimedia Commons
Hematita (en calcita), Fe2O3 , R. Lavinsky /
iRocks.com
Goethita, α-Fe3+O(OH),F. Federighi, Wikimedia
Commons
Calcita, CaCO3,R. Lavinsky / iRocks.com
Yeso, CaSO4·2 H2O, B. Riccardo / Wikimedia
Commons
Composición de los minerales del sueloMinerales ocasionales
Zircón, ZrSiO4, R. Lavinsky / iRocks.com
Piroxeno,(Ca,Mg,Fe,Mn,Na,Li)(Al, Mg, Fe, Mn,Cr,Sc,Ti)(Si, Al)2O6,
R. Lavinsky / iRocks.com
Anfibolita, P. Sosnowski / Wikimedia Commons
Clorita,(Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2·(Mg,Fe)3(OH)6,
R. Lavinsky / iRocks.com
Andalucita, Al2SiO4,R. Lavinsky / iRocks.com)
Granate,(Ca,Fe,Mg,Mn)3(Al, Fe, Mn,Cr,Ti,V)2(SiO4)3,
L.M. Bugallo Sánchez / Wikimedia Commons
Cianita, Al2SiO5, Aelwyn / Wikimedia Commons
Turmalina, (Na,Ca)(Al,Fe,Li)(Al,Mg,Mn)6(BO3)3(Si6O18)·(OH,F)4,
R. Lavinsky / iRocks.com
Sección delgada de granito bajo luz polarizada, Gunnar Ries / Imaggeo
Gary Greenberg (sandgrains.com)
Olivino, Hawaii
Recubrimientos de hierro, Sáhara
Óxidos de hierro, Maui, HawaiiErizo de mar, Hawaii
Foraminíferos, Okinawa, JapónEspículas de esponja y concha espiral de
carbonato cálcico, Maui, Hawaii
Mármol procedente de construcciones, Isla de Delos, Grecia
Cobre de actividad industrial, New Mexico, EEUU
Restos de moluscos, coral y rocas volcánicas
Estructura de las arcillas: capa de tetraedros
Tetraedro Capa de tetraedros
Oxígeno Silicio
0.26 nm
0.29 nm
Estructura de las arcillas: capa de octaedros
Octaedro Capa de octaedros
Oxígeno Aluminio
Estructura de las arcillas: sustituciones isomórficas
Carga global: -4
+4
-2
-2
-2
-2
Carga global: -5
+3
-2
-2
-2
-2
Oxígeno Silicio Aluminio
Estructura de las arcillas
Número de átomos de oxígeno compartidos
por cada tetraedro
Tipo de agrupamiento de los tetraedros
Nombre del gran grupo de silicatos
0 Aislados Neosilicatos
1 Parejas Sorosilicatos
2 Anillos Ciclosilicatos
2 y 3 Cadenas Inosilicatos
3 Planos Filosilicatos
4 Tridimensional Tectosilicatos
Estructura de las arcillas
Ciclosilicatos(anillos)
Nesosilicatos(aislados)
Sorosilicatos(parejas)
Estructura de las arcillas
Inosilicatos(cadenas)
Filosilicatos (planos)
Estructura de las arcillas
Tectosilicatos(estructuras tridimensionales)
Lorena M. Zavala (Univ. de Sevilla) mostrando fragmentos de vermiculita (Sierra de Ojén, Málaga), Antonio Jordán / Imaggeo
Caolinita. Wadah Mahmoud, www.fei.com
Caolinita y cuarzo. Jim Buckman, www.fei.com
Nanotúbulos de haloisita, The Macaulay Institute
Illita. Fuente: www.minersoc.org
Dickita. Fuente: Frank Friedrich, www.minersoc.org
Dickita. Fuente: Evelyne Delbos, James Hutton Institute
Clorita (rica en Fe y Al). Fuente: www.minersoc.org
Clorita e illita (fibrosa). Fuente: www.minersoc.org
Esmectita. Fuente: Anthony Priestas, Boston University.
Corrensita. Fuente: www.minersoc.org
Paligorskita. Fuente: www.minersoc.org
Estructura de las arcillas
Plano de oxígenos basales
Plano de cationes de
silicio
Plano de oxígenos apicales
Plano de cationes
octaédricosPlano de aniones
octaédricos
Capa de tetraedros
Capa de octaedros
Lámina
Estructura de las arcillas
Mineral de 2 capas(1:1)
Mineral de 3 capas(2:1)
Capa de tetraedros
Capa de octaedros
Unidad TO
Unidad TOT
Estructura de los filosilicatos
Estructura cristalina laminar
Estructura de los filosilicatos
Estructura cristalina fibrosa
Estructura de las arcillas
Espacio interlaminar
Superficies internas
Superficies externas Capa de
tetraedros
Capa de octaedros
Capa de tetraedros
Lámina
Átomo de oxígeno
Estructura de las arcillas
+ + ++
+
++
Doble capa difusa
Arcillas 1:1: caolinita
Láminas unidas mediante puentes de hidrógeno (R1 – O – H – O – R2) .
Pocas sustituciones isomórficas.
Mínima expansión de la red.
No se permite la entrada de cationes ni moléculas de agua en el espacio interlaminar.
S/V < 40 m2 g-1.
CIC = 1 – 10 cmol (+) kg-1.
El grupo de la caolinita incluye también a la dickita, haloisita y nacrita, polimorfos de Al2Si2O5(OH)4.
7.2 Å
Arcillas 1:1: haloisita (tubular)
Caolinita
Haloisita (caolinita
hidratada)
Arcillas 2:1: ilita
Láminas unidas mediante enlaces iónicos con el K+ y otros cationes interlaminares.
Grado de sustituciones isomórficas de silicio por aluminio menor que en las micas.
Retención de K+ más débil que en las micas.
Espacio interlaminar moderadamente amplio, con una moderada expansión de la red.
Limitada entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar.
S/V = 100 – 200 m2 g-1.
CIC = > 5 cmol (+) kg-1 (ilita pura; si aparece interesetratificada con esmectitas, oscila entre 10 y 40).
El grupo de la ilita incluye también a las micas.
K+ K+ 10.1 Å
Arcillas 2:1: mica moscovita
Láminas unidas mediante enlaces iónicos con el K+ y otros cationes interlaminares.
Elevado grado de sustituciones isomórficas de silicio por aluminio.
Elevada electronegatividad, que se compensa con iones de K+, fuertemente retenido.
Espacio interlaminar moderadamente amplio, con una moderada expansión de la red.
Limitada entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar.
CIC = 20 – 40 cmol (+) kg-1.
10 ÅK+ K+
Arcillas 2:1: esmectita
Láminas unidas mediante enlaces iónicos con cationes interlaminares, puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals.
Elevado grado de sustituciones isomórficas.
Espacio interlaminar amplio y variable (puede expandirse a 18 Å).
Fácil entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar.
S/V = 600 – 800 m2 g-1.
CIC = 80 – 150 cmol (+) kg-1.
El grupo de las esmectitas incluye a arcillas dioctaédricas (montmorillonita, nontronita y beidellita) y trioctaédricas (saponita).
14 Å
Arcillas 2:1: vermiculita
Láminas unidas mediante puentes de hidrógeno enlaces iónicos con el Mg2+.
Espacio interlaminar amplio, fácil expansión de la red.
Fácil entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar.
Pocas sustituciones isomórficas.
S/V = 600 – 800 m2 g-1.
CIC = 120 – 150 cmol (+) kg-1.
14 ÅMg2+ · H2O Mg2+ · H2O
Arcillas 2:1:1: clorita
Láminas unidas mediante enlaces iónicos con la capa de hidróxidos y fuerzas de Van der Waals.
Presencia de una capa de hidróxidos de Mg (brucita), Fe y Al polimerizados.
Espacio interlaminar amplio, pero con pequeño grado de expansión de la red.
Fácil entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar.
Moderada proporción de sustituciones isomórficas.
S/V = 70 – 150 m2 g-1.
CIC = 10 – 40 cmol (+) kg-1.
El grupo de las cloritas es muy variable, e incluye un rango de sustituciones de Mg, Fe, Ni y Mn que acaba en cuatro extremos:
• clinocloro, (Mg,Fe2+)5Al(Si3Al)O10(OH)8,• chamosita, (Fe,Mg)5Al(Si3Al)O10(OH)8,
• nimita, (Ni,Mg,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8 y• pennantita, (Mn5Al)(Si3Al)O10(OH)8.
Hidróxidos de Mg y Al polimerizados 14 Å
Resumen
Caolinita Ilita Moscovita Esmectita Vermiculita Clorita
Tipo 1:1 2:1 2:1 2:1 2:1 2:1:1
Unión entre láminas
Puentes de H K+ y otros cationes
K+ y otros cationes
Cationes Puentes de H Fuerzas de
van der Waals
Puentes de HMg2+
Brucita [Mg(OH)2]
Enlaces iónicos
Fuerzas de Van der Waals
Grado de sustituciones isomórficas
Bajo Bajo Elevado Elevado Bajo Moderado
Espacio interlaminar, Å
7.2 10.1 10(10 – 10.2)
14(10 – 15)
14(10 – 14)
14(14 – 14.5)
S/V, m2 g-1 < 40 100 – 200 100 – 200 600 – 800 600 – 800 70 – 150
CIC,cmol (+) kg-1
1 – 10 < 5(10 – 40)
20 – 40 80 – 150 120 – 150 10 – 40
A partir de Porta et al. (2003) y Scott y Pain (2008)
Arcillas fibrosas
Sepiolita.• Estructura 2:1 con giro de los
tetraedros y octaedros cada seis.
• Espesor variable (12-10 Å).
Paligorsquita.• Estructura 2:1 con giro de los
tetraedros y octaedros cada cuatro.
• Espesor fijo (10.5 Å).
Minerales accesorios
Estructura no cristalina• Óxidos e hidróxidos de
aluminio.
• Óxidos e hidróxidos de hierro.
• Alofanas.
• Sílice.
• Carbonatos.
• Sulfatos.
• Compuestos de manganeso.
Cationes adsorbidos
Minerales accesorios
Identificación y análisis de arcillas
Análisis de
arcillas
Analisis químico
Métodos térmicos
Microscopía electrónica
Difracción de rayos X
Análisis químico de arcillas
Arcilla
NaOH + T
Fracción soluble (1)
NH4OH
Al(OH)3, Fe(OH)3, …
SO4H2
Al2O3, Fe2O3, … Ca2+, Na+, Mg2+, K+
Sílice insoluble, SiO2
Fracción soluble (2)
Métodos térmicos: análisis térmico-gravimétrico
A determinadas temperaturas, cada tipo de arcilla sufre determinadas pérdidas de masa que coinciden con cambios en la estructura.• A 110 oC se pierde el agua higroscópica.• A 400-600 oC se pierden los grupos –OH.• A 800 oC se pierde el CO2.
La termogravimetría (TG) se basa en la medida de la variación de la masa de una muestra cuando es sometida a un programa de temperatura en una atmósfera controlada.
El sistema puede acoplarse en línea a un espectómetro de masas o de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR, por sus suglas en inglés) para identificar la naturaleza de productos gaseosos desprendidos.
En combinación con un generador de humedad, también puede utilizarse para estudiar los procesos de sorción.
Analizador TG, IRNAS-CSIC
Métodos térmicos: análisis térmico-gravimétrico
Análisis térmico gravimétrico de arcillas (Gorga, Alicante)
Pérdida de agua higroscópica
(110 ⁰C)
Pérdida de grupos OH
(400 – 600 ⁰C)
Pérdida de CO2
(800 ⁰C)
Métodos térmicos: análisis térmico-dilatométrico
La arcilla se dilata o se contrae con los cambios térmicos en función de la estructura cristalina que posea y los minerales asociados.
Si, por ejemplo, el mineral tiene grandes pérdidas de agua estructural a 400 oC, en lugar de dilatarse con el incremento de temperatura, se contraerá o se dilatará más lentamente al perder OH-.
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Incr
em
en
to d
e lo
ngi
tud
(d
L/L₀
1
0⁻²
)
Temperatura (°C)
Análisis dilatométrico de arcillas; a partir de Cotes et al. (2013), DOI: http:/dx.doi.org/10.3989/cyv.222013
Pérdida de humedad en
torno a 400 °C
Cambios alotrópicos del
cuarzo(500 – 600 °C)
Descomposición del CO3Ca en CO2 y CaO
(730 – 942 °C) y sinterización de
partículas de arcilla
Descomposición de la arcilla y liberación de cationes
(700 – 1000 °C) Formación de fase líquida
Recristalización de fases cálcicas( 1000 °C)
HornoMuestraVarillaSensor de desplazamiento
Salida de gas
AislamientoVacío
Esquema de un dilatómetro
Métodos térmicos: análisis térmico diferencial
El análisis térmico diferencial (DTA, por sus siglas en inglés) se mide la diferencia de temperatura entre la muestra y un material de referencia (térmica, física y químicamente inerte) en función del tiempo o de la temperatura cuando dicha muestra se somete a un programa de temperatura en una atmósfera controlada.• Es decir: mide los efectos endotérmicos o
exotérmicos en la muestra a medida que se incrementa la temperatura.
Es una técnica cualitativa que indica la temperatura a la cual tiene lugar el cambio energético en estudio y si el proceso es endotérmico o exotérmico.
Con un adecuado calibrado es posible convertirla en semicuantitativa y obtener información del calor involucrado en el proceso.
Analizador DT, CITIUS
Métodos térmicos: análisis térmico diferencial
Pérdida del agua absorbida
Degradación de la calcita
[1] Muestra control[2] Muestra calentada a 300 oC[3] Muestra calentada a 500 oC[4] Muestra calentada a 700 oC
Degradación de MOCambios en los óxidos de FePérdida de agua estructural
Análisis térmico diferencial de arcillas (Gorga, Alicante)
Microscopía electrónica
La microscopia electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) se basa en el principio de la microscopia óptica en la que se sustituye el haz de luz por un haz de electrones. Así se pueden conseguir resoluciones hasta de 100 Å, más altas que con los instrumentos ópticos.
Su funcionamiento consiste en hacer incidir un haz de electrones sobre la muestra, generalmente recubierta con una capa muy fina de oro, carbono u otros materiales, lo que le otorga propiedades conductoras.
Al alcanzar el haz la superficie de la muestra se generan, principalmente:• Electrones secundarios.• Electrones retrodispersados.• Rayos X.
El microscopio se encuentra internamente equipado con unos detectores que recogen la energía y la transforman en las siguientes imágenes y datos:• Detector de electrones retrodispersados, con el que se genera una imagen de menor
resolución pero mayor contraste para obtener la topografía de la superficie.• Detector de electrones secundarios, con el que se generan imágenes de alta resolución.• Detector de rayos X, que permite realizar un análisis espectrográfico de la composición de la
muestra.
Microscopía electrónica
Imagen de microscopio electrónico de barrido de óxidos de hierro y arcilla, CITIUS.
Difracción de rayos X
El fundamento de estas técnicas reside en los fenómenos que se producen cuando la radiación X incide sobre la materia.
La muestra puede producir una atenuación de la radiación incidente. La medida de esta intensidad transmitida es la base de las técnicas de absorción de Rayos X.
La atenuación de la radiación se produce por dos mecanismos principales:• Absorción fotoeléctrica. La absorción
fotoeléctrica se traduce en emisión, por la muestra irradiada, de radiación X y de electrones.
• Dispersión. Una parte de la radiación incidente es desviada de su dirección original por la interacción con el material irradiado. En este fenómeno se basa el análisis por difracción de rayos X de materiales cristalinos como la arcilla. Difractómetro de rayos X, CITIUS
Difracción de rayos X
Identificación de minerales (cuenca del Angangueo, México)
Difracción de rayos X
Analisis de difracción de minerales alterados por temperatura (Gorga, Alicante)