Propiedades magnéticas de los suelos: origen, significado y aplicaciones
José TorrentDepartamento de Agronomía
Universidad de Córdoba
Propiedades magnéticas:
•Diamagnetismo
•Paramagnetismo
•Ferromagnetismo
•Ferrimagnetismo
•Antiferromagnetismo
•Superparamagnetismo
Magnitudes magnéticas básicas Magnitud Símbolo Dimensiones
Susceptibilidad magnética (volumen) κ adimensional Susceptibilidad magnética másica χ m3 kg–1
Intensidad de campo magnético H A m–1
Inducción magnética B T (Tesla) = N m–1 A–1
Imantación (magnetización) M A m–1 Imantación de saturación Ms A m–1 ó A m2 kg–1 Remanencia de saturación Mrs A m–1 ó A m2 kg–1 Coercitividad Bc ó Hc A m–1
ó T Coercitividad de la remanencia Bcr ó Hcr A m–1 ó T
B = μ0(H + M)
B = μ0(H + κH)
Histéresis magnética
Propiedades de los minerales magnéticos más comunes
Mineral χ (10–6 m3 kg–1)a Ms (kA m–1)b Tc (°C)b
Magnetita (Fe3O4) 674 480 580
Maghemita (γ-Fe2O3) 632 380 590–675
Hematites (α-Fe2O3) 0.97 ~2.5 675
Goethita (α-FeOOH) 1.17 ~2 120
Titanomagnetita 422 — —
Pirrotita (Fe7S8) 32.1 ~80 320
Greigita (Fe3S4) 108 ~125 ~330 aPeters and Dekkers, 2003; bEvans and Heller, 2003.
Ferrimagnéticos:
MagnetitaMaghemita
Antiferromagnéticos:
Hematites (débil ferromagnetismo-spin canting > –15 °C)Goethita
CONCENTRACIONES DE ÓXIDOS DE HIERRO EN ALGUNOS SUELOS
Suelo Goethita Hematites
Magnetita/
Maghemita
‐‐‐‐‐‐ g kg1 ‐‐‐‐‐‐‐ 108 m3 kg1 g kg1
Yuanbao (Paleosol) 8.7 4.0 99 1.6
Udult (horizonte B) 23.4 34.8 557 9.6
Xeralf (horizonte B) 16.2 10.2 113 1.9
Ustoll (horizonte A) 5.5 5.1 54 0.9
Udalf (horizonte B) 19.8 0.0 72 1.2
Origen:
•Herencia
•Neoformación
•Transformación
Ambientes aeróbicos:
FERRIHIDRITA (~5Fe2O3•9H2O)
HEMATITES(α-Fe2O3)
GOETHITA (α-FeOOH)Fe3+
– H2O
¡Clima!
Los minerales ferrimagnéticos
MAGNETITA (Fe3O4)
Comúnmente litogénica o “detrítica” pero es, a veces, edafogénica
0.5 mm
MAGHEMITA (-Fe2O3)
Típicamente edafogénica
Pero se requieren condiciones reductorasestacionales
MAGNETITA (Fe3O4)
1. Bacteria magnetotácticas
2. Formación extracellular
3. Rutas inorgánicas
Bacteria magnética terrestre
Cristales de magnetita
Kobayashi 2006
Movimiento de una bacteria magnetotáctica en un campo magnético rotatorio
Estructuras lineales de magnetita en el meteorito ALH84001 (Foto NASA)
Fh
Bajo condiciones rédox cambiantes:
Ferrihidrita (Fh) u otros óxidos
e–Fe2+
O2
Fe3+
LEPIDOCROCITA (γ-FeOOH)
– OH
MAGNETITA (Fe3O4)
MAGHEMITA (γ-Fe2O3)
O2
MAGHEMITA(γ-Fe2O3)
111___
111_ _
111__
111_
011 _
110_
101_
100_
001 _
010 _
RUTAS “CLÁSICAS”:
·Oxidation de magnetita a baja temperatura
•Por fuego (MO + otros óxidos de Fe)
•Deshidroxilación de lepidocrocita (200–300 ºC)
Tiempo de exposición (min)
Susc
eptil
ilida
dm
agné
tica
5 – 15 cm, 600 ºC
5 – 15 cm, 300 ºC
0 – 5 cm, 300 ºC
0 – 5 cm, 600 ºC
Cambios en la susceptibilidad magnética de dos horizontes de un suelo forestal de Indonesia en función del tiempo a temperaturas de 300 y 600 ºC. [Tomado de Ketterings et al. (SSSAJ 64:1108, 2000)]
__Ap (0-25 cm)
---AB (25-40 cm)
__Bt1 (40-90 cm)
---Bt2 (90- cm)
Gravilla magnética en el horizonte superior de un Palexerult (suelo de raña) de la Provincia de Cáceres (Foto cortesía de R. Espejo)
NUEVA RUTA (Barrón & Torrent, 2002; Barrón et al., 2003; Torrent et al., 2006; Liu et al., 2008):
Ferrihidrita Hidromaghemita de dominio simple
Hematites+ ligandos “bloqueantes”(como PO4, citrato o tartrato)
“Hidromaghemita”superparamagnética
Susceptibilidad magnética en función del tiempo de envejecimiento para los productos formados a partir de ferrihidrita fosfatada (P/Fe = 0.03) a diferentes temperaturas (Barrón and Torrent, 2002).
Tiempo (días)
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de ferrihidrita ferrimagnética (“hidromaghemita”) obtenida a partir de ferrihidrita de 2 líneas dopada con citrato a 150 °C (cortesía de V. Barrón)
Estructura y orientaciones posibles de los espines y momentos magnéticos en la ferrihidrita ferrimagnética (Michel, Barrón, Torrent et al., PNAS, 2010)
La pregunta clave:
¿Existe ferrihidrita ferrimagnética en los suelos o maghemita derivada de la misma?
Un punto importante:
Sabemos que partículas magnéticas edafogénicas (bien maghemita, ferrihidrita ferrimagnética o maghemita resultante de la transformación de ésta) son, en parte, de tamaño superparamagnético
Y estas partículas se caracterizan por una propiedad fácilmente medible:
La susceptibilidad dependiente de la frecuencia, χFD
Y, consecuentemente, tanto χ y χFD sonindicadores de la edafogénesis. Un ejemplo clásico del uso de magnitudes magnéticas ha sido la identificación de paleosuelos y, más concretamente, la reconstrucción del ambienteclimático en que se éstos se formaron.
Un clásico ejemplo:
La famosa sección de Luochuan en la meseta de loess de China(modificado de Evans y Heller, 2003)
Luochuan
Susceptibilidad magnéticaSusceptibilidad magnética
Profundidad (m)
Es a partir de los años 80 cuando geofísicos y paleoclimatólogos se lanzan a establecer relaciones entre variables climáticas (fundamentalmente precipitación) y variables magnéticas (χ , χFD, χFD%, MRA, S, etc.):
Precipitación media anual (mm)
Susc
eptib
ilida
d m
agné
tica
(m3
kg-1
)
Relación entre susceptibilidad magnética del suelo y precipitación media anual (Balsam et al., Quaternary Science Reviews, 2011)
Relación entre susceptibilidad magnética y precipitación media anual (Balsam et al., Quaternary Science Reviews, 2011) para suelos de zonas tropicales (a) y templadas (b)
Sus
cept
ibilid
ad m
agné
tica
(m3
kg-1
)
Precipitación media anual (mm)
Desafortunadamente, las aproximaciones manifiestamente simplistas han prosperado: pocos edafólogos expertos en génesis, morfología y mineralogía han intervenido en estas reconstrucciones climáticas……
Fhferri SP
Minerales primarios con Fe(II)
Ferrihidrita
Hematites
Regímenes de temperatura, y humedad
Temperatura, humedad, ligandos, otros solutos
?
La ruta Fh → FhFerri (ó Mh) → Hm :
Magh? y Fhferri SP y DS
K1
K2
K3 K4
Goethita
Efecto del ambiente edáfico en la relación Hm/FD
Temperaturamedia anual
Régimen de
humedadFed/Fet Hm/FD
Tipo de suelo Área geográfica (ºC) (g /10–7 m3)
Udolls ( sobre pizarras) SW Inglaterra 11 Udic 0.70–0.80 ~1
Ustolls/Ustalfs (Paleosols)
Meseta de loess de China 8 – 12 Ustic 0.25–0.35 2–4
Xeralfs en terrazas fluviales NW de España 11 Xeric 0.65–0.80 ~5
Paleudult SE de Estados Unidos 16 Udic 0.65–0.80 2–4
Terra Rossa (Xeralf) Portugal central 16 Xeric ~0.80 ~5
Terra Rossa (Xeralfs) S de Italia 16 Xeric >0.7 9–10
Xeralfs sobre calcarenitas SW de España 17 Xeric 0.30–0.40 ~12
Xeralfs en terrazas fluviales SW de España 17 Xeric 0.40–0.70 ~25
Ustoxs S de Brasil >20 Ustic >0.80? >15
Otro aspecto edafoambiental: los ferriimanes de los suelos no sólo se forman sino que se disuelven: una ocasión para detectar el régimen hídrico del suelo
La susceptibilidad magnética permite separar suelos de los humedales de suelos de zonas con mejor drenaje (Grimley y Vepraskas, SSSAJ, 2000).
Susceptibilidad magnética media cerca de especies nativas en Illinois (de Grimley et al., Restoration Ecology, 2008.
N S