2. componentes sólidos inorgánicos del suelo

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)