ORIGEN DE LOS SUELOS Autor: Ricardo Madrid Versión 03-2019 Índice 1 Algunas definiciones ............................................................................................................. 2 2 Los suelos según su génesis .................................................................................................. 3 3 Clases de suelos según su tamaño ........................................................................................ 5 4 Los suelos y sus minerales constitutivos ............................................................................... 5 4.1 Minerales más importantes .......................................................................................... 7 4.2 Minerales arcillosos ....................................................................................................... 8 4.3 Intercambio de iones................................................................................................... 11 4.4 Actividad electroquímica de las arcillas ...................................................................... 12 1 ORIGEN DE LOS SUELOS Los suelos son sedimentos u otras acumulaciones de partículas no consolidadas producidas por la desintegración física y descomposición química de las rocas y que pueden o no contener materia orgánica. Puede considerarse también como un sistema de partículas minerales. En general podemos tener: Suelos producto de la meteorización de las rocas suelos de origen orgánico. 1 Algunas definiciones a) Geodinámica Rama de las Ciencias Geológicas que estudia los procesos evolutivos endógenos y exógenos que afectan y modifican la corteza terrestre e intentan determinar las causas y sus efectos. b) Geodinámica interna Estudia los procesos endógenos, es decir las fuerzas que tienen origen en el interior de la corteza terrestre. Involucra los siguientes procesos: ‐ Orogénesis o formación de montañas o cordilleras. ‐ Diastrofismo o movimientos terrestres, expansión de los océanos: dorsales, fallas, fosas, etc. ‐ Vulcanismo o desplazamiento de magma. ‐ Metamorfismo o transformación de rocas preexistentes en nuevos tipos por acción del calor, presión y actividad química de los líquidos en migración. c) Geodinámica externa Estudia los procesos exógenos que alteran o modifican la parte superior de la corteza terrestre. d) Denudación 2 Proceso de desgaste de la corteza con tendencias siempre a desaparecer las diferencias de nivel. e) Sedimentación Proceso de deposición de materiales detríticos o sustancias en solución. La deposición se entiende como la acción y efecto de que el viento, el hielo, las aguas marinas o lacustres dejen en un lugar el material que llevan en suspensión. Existe proceso de sedimentación en: ‐ Residuos transportados. ‐ Sustancias transportadas en solución (evaporación y precipitación química; intervención de organismos vivos como el caso de la caliza coralina bajo el mar). ‐ Materia orgánica (turba) f) Meteorización Procesos de destrucción que produce derrubios o detritus por causas físicomecánicas y químicas con escaso o nulo transporte. Son de dos tipos: ‐ Físico-mecánicas: temperaturas, agua, hielo, organismos vivos que actúan sobre rocas. ‐ Químicas: disolución y descomposición química de las rocas. g) Erosión Proceso destructivo que se debe a los agentes de transporte como el viento, ríos, glaciares, etc. h) Transporte Proceso de acarreo de materiales erosionados a través de determinados agentes como hielo, viento, agua, gravedad, etc. 2 Los suelos según su génesis Se consideran las siguientes clases: a) Suelos residuales Son aquellos que están constituidos por derrubios o detritus que aun permanecen en el lugar de origen conservando la misma estructura de la roca madre. 3 Son los productos de la meteorización de la roca que no han sufrido dispersión por los agentes de acarreo, y son depositados sobre la roca madre. Son heterogéneas y de forma angular. Generalmente se encuentran en zonas de rocas planas y son retenidas en el lugar por la vegetación, o bajo los bosques. b) Suelos orgánicos Se deben directa o indirectamente al crecimiento y subsiguiente descomposición de plantas y animales, o acumulación de caparazones de animales, etc. Se encuentra en yacimientos terrestres y en el fondo de los mares y lagos. No existe en los desiertos o regiones polares. c) Suelos transportados Son aquellos que están constituidos por derrubios o detritus que han sido llevados más o menos lejos del lecho original de la roca de la cual proceden. Se clasifican según el agente de transporte: ‐ Suelos coluviales (agente: gravedad). Son masas de roca suelta resultantes de la acción transportadora de la gravedad. Son puntiagudas y angulares debido al poco transporte. Son depositadas en laderas y en pie de las montañas. ‐ Suelos aluviales, fluviales, marinos, lacustres, deltaicos (agente: agua). Son formados por acción de las corrientes de agua. Agentes de transporte son, ríos, corrientes marinas. Puede ser llevado en solución (sulfatos, cloruros, otras sales, etc.), en suspensión, o como carga de arrastre. Las partículas (tamaño) varían de acuerdo a la velocidad de la corriente. Limo, arcilla y arena fina -> en suspensión Grava y arena gruesa -> por arrastre Coloides y minerales -> solución ‐ Suelos eólicos (agente: viento). Depósitos formados por el transporte de partículas por los vientos, incluyen arena de las dunas y loes. ‐ Suelos glaciares (agente: hielo). Transportados por los glaciares, en su interior, su superficie y en la parte interna del hielo. En el fondo hay materiales arrastrados por el peso del glaciar, dentro del glaciar están los materiales que han caído en las grietas del glaciar. En la superficie hay materiales que caen de las laderas. El 4 material es heterogéneo en forma y tamaños. Generalmente presentan la forma de pequeñas cordilleras denominados morrenas. 3 Clases de suelos según su tamaño a) Se consideran las siguientes clases ‐ Suelos gruesos: Partículas en las que por su tamaño predomina la fuerza de gravedad. ‐ Suelos finos: Partículas en las que por su tamaño existe una relación Área/Volumen muy grande por lo que en la superficie de ellas se desarrollan fuerzas electrostáticas o electroquímicas. Se da para partículas menores a 2 micras. 4 Los suelos y sus minerales constitutivos Los constituyentes más importantes del suelo y de la roca son los minerales: Un mineral es un elemento o compuesto químico, de estructura cristalina, presente en la naturaleza y formado por un proceso geológico. Las rocas se componen de minerales. La apariencia externa de un mineral bien cristalizado corresponde a su estructura atómica, esto no sucede en los minerales amorfos, en los minerales criptocristalinos o en los redondeados. Cuando los minerales se clasifican de acuerdo a su composición química se subdividen en: silicatos, óxidos, carbonatos y sulfatos. Los minerales más importantes son los silicatos ya que son los más abundantes (90%). Tabla 1. Silicatos: Feldespato (de potasio, sodio o calcio) Clorita Micas Olivino Serpentina También minerales arcillosos: Caolinita, montmorillonita. Óxidos Cuarzo (SiO2) -> silícico, llamado sílice 5 anhídrido Carbonatos Sulfatos Limonita Magnetita Corindón Calcita Dolomita Anhidrita Yeso Barita Si consideramos la división por tipo de tamaño encontramos los siguiente: ‐ Suelos gruesos: Según el predominio de algún grupo de mineral formado de roca los suelos gruesos están compuestos por estos mismos y sus combinaciones. De allí una composición generalmente heterogénea de los suelos. Estos grupos mineralógicos son: ‐ ‐ Silicatos (feldespato, micas, olivino, serpentina, etc.) ‐ Óxidos (limonita, magnética, etc.) ‐ Carbonatos (calcita, dolomita) ‐ Sulfatos (anhidrita, yeso) Suelos finos: Predomina un solo grupo de minerales denominados arcillas y que son el producto de la descomposición de rocas constituidas por minerales de naturaleza silícica y alumínica y caracterizados por un acomodo tipo laminar reticulado. Los minerales de las arcillas provienen de los silicatos, que pueden ser hídricos (Contiene H y O) o anhidros (sin agua). De los silicatos anhidros el más frecuente son los feldespatos. Los feldespatos sometidos a la acción del agua portadora de dióxido de carbono CO2, se alteran y formas minerales arcillosos. 2𝐾𝐴𝑙𝑆𝑖 𝑂 Feldespato 2𝐶𝑂 3𝐻 𝑂 4𝑆𝑖𝑂 Sílice 2𝐾𝐻𝐶𝑂 Bicarbonato Potásico 𝐴𝑙 𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂 ∙ 2𝐻 𝑂 Silicato de aluminio hidratado (Mineral Arcilloso) 6 La descomposición química de las rocas es una alteración química de los minerales de la roca para tener nuevos minerales, que generalmente tienen propiedades físicas y químicas completamente diferentes de los que dieron origen. Esta alteración es causada por la reacción de los minerales con el agua, el anhídrido carbónico y el oxígeno del aire, los ácidos orgánicos de plantas en descomposición y las sales disueltas que se encuentran en el agua. 4.1 Minerales más importantes a) La sílice (dióxido de silíceo) es uno de los más importantes constituyentes de las rocas y de la mayor parte de suelos. Se presenta en la naturaleza en dos formas: cristalina (cuarzo) y amorta (pedernal, sílex y calcedonia). Es inerte a la meteorización química e insoluble al agua, aunque ligeramente soluble en un medio básico. En la forma cristalina y en la mayoría de los casos de la amorfa, es dura y tenaz, no presenta exfoliación y resiste la meteorización mecánica. Se rompen algunas veces en fragmentos irregulares, angulosos y tenaces, que resisten la abrasión. b) Los feldespatos, están constituidos por polisilicatos de aluminio, potasio, sodio y calcio. Son frágiles, con planos de exfoliaciones pronunciadas y se rompen fácilmente para formar pequeñas partículas prismáticas. Son muy susceptibles a la descomposición química. Los productos de la descomposición de los feldespatos se pueden incluir en tres grupos: Silicatos complejos de aluminio hidratado, carbonatos solubles o semisolubles de sodio y metales similares y sílice (generalmente en suspensión coloidal). Los silicatos de aluminio hidratados constituyen una familia que se llaman minerales arcillosos que físicamente son muy diferentes a los feldespatos de donde provienen. Es raro encontrarlos en suelos de regiones húmedas. c) Las micas constituyen una segunda familia de silicatos minerales que corrientemente contienen hierro y magnesio además de potasio. Las láminas de mica son blandas y flexibles con una pronunciada exfoliación; se separan fácilmente y se rompen para formar láminas más pequeñas y finas. La descomposición química produce minerales arcillosos, carbonatos y sílice; también se forman óxidos de hierro cuando las micas tienen este metal. Se pueden encontrar en los suelos de las regiones húmedas. 7 d) Minerales ferromagnesianos (incluyen horblenda, el olivino y el piroxeno) son silicatos complejos de aluminio que contienen además hierro y magnesio; son moderadamente duros y resistentes, no tiene exfoliación pronunciada y se rompen mecánicamente en fragmentos irregulares de color oscuro. La descomposición química produce óxido de hierro, minerales arcillosos y los otros productos de la descomposición de silicatos. 4.2 Minerales arcillosos Los minerales de las arcillas son, principalmente: silicatos hídricos de aluminio, y ocasionalmente silicatos hídricos de magnesio o de hierro (silicatos de aluminio hidratado, o de magnesio, etc.). Son cristalinos salvo raras excepciones. Podemos describir a las arcillas como diminutas láminas. Los átomos de estas láminas aparecen ordenadas en unidades. En los minerales de las arcillas estas láminas son de dos variedades: láminas de sílice y láminas de alúmina. En general las propiedades de arcillas y suelos arcillosos están relacionadas en gran parte a su mineralogía y química superficial, además de su interacción con el agua. a) La lamina de sílice está constituida por tetraedros: Tetraedro Oxigeno – Silicio, 4 átomos de Oxigeno + 1 Átomo de silicio, los átomos de oxigeno O guardan distancias iguales entre sí, y tienen la misma distancia al átomo de Si. 5 Angstrom Los tetraedros forman unidades hexagonales, los átomos de oxigeno 1 se unen a los átomos de oxigeno 2 y 3. Luego se unen mediante los átomos de oxigeno 4 a otras unidades. 8 b) Lamina de alúmina, se compone de unidades ordenadas en octaedros formados por seis átomos de oxigeno o del oxidrilo (OH) y un átomo de aluminio. La combinación de estos, forma la Gibbsita o lamina de alúmina. Las láminas se extienden indefinidamente en el plano X, Y por los bordes de cristal que no tienen satisfecha su unión iónica (es decir están en desequilibrio químico). La forma de crecimiento se caracteriza por ser de naturaleza reticular o de red. En la dirección Z las capas son unidas a otras capas a través de enlaces químicos. 9 De acuerdo a la estructura de los minerales las arcillas se pueden clasificar en tres grupos. a) Caolinitas. Se forman al combinar una lámina de sílice con una lámina de alúmina (Gibbsita). (Tetraedro + Octaedro) esto se repite indefinidamente las caolinitas forman arcillas muy estables ya que su estructura no permite la introducción de agua. Cuando están húmedas son moderadamente plásticas y poseen un coeficiente de fricción interno mayor que otros minerales arcillosos. Formula química: Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O ó H4Al2Si2O9 b) Montmonilonitas. Se componen de una lámina octaédrica de alúmina entre dos láminas tetraédricas de sílice. La ligazón entre las láminas es débil, por lo que resulta inestable en presencia de agua, la cual es absorbida causando expansión. Poseen gran plasticidad y bajo coeficiente de fricción. Cuando se seca se contrae y produce agrietamientos. Formula química: (OH)4Si8Al4O20 ∙ nH2O 10 c) Ilitas. La unidad estructural es análoga a la Montmonilonita, pero con algunos cambios en la composición química (las unidades adyacentes están unidas por átomos de potasio por lo que forman paquetes) tienen tendencia a formar copos o grumos independientes. Tal estructura expone una superficie menor a la atracción del agua que la de las Montmonilonitas, por lo que es menor su capacidad de hidratación y limitada su expansión. Formula química: (OH)4Ky (Si8-y ∙ Aly) (Al4 ∙ Fe4 ∙ Mg4 ∙ Mg6) O20 4.3 Intercambio de iones Los iones metálicos (+), Si(+4), Al(+3) de las láminas antes descritas no son exclusivas en dichas laminas, es decir, pueden existir otros iones metálicos como el Mg(+2) o Fe(+) que pueden sustituir al Al, por ejemplo. También puede ocurrir la sustitución de un Al trivalente por un Si cuadrivalente ocasionando que la capa quede con una carga neta negativa. Lo anterior se conoce mayormente como Sustitución Isomórfica desde que no se producen cambios en la forma del mineral. Por tanto, asegurar solo la existencia de Láminas de Aluminio hidratado es incorrecto desde que la Lamina puede no contener Al. La generación de carga neta negativa significa que cationes solubles pueden ser atraídos o adsorbidos en la superficie de la estructura mineral arcillosa sin alterar la estructura básica del mineral arcilloso. Los iones solubles o cationes (+) adsorbidos con el agua en la interfase de capas afectan el arreglo del agua adsorbida en varias formas. Principalmente los iones solubles 11 actúan como unión, de resistencia variable entre capas, además de controlar el espesor de agua adsorbida. En ese sentido se pueden contrastar el catión Na (+) como en el caso de la Montmorillonita sódica en la que se adsorben grandes cantidades de agua a causa de las uniones débiles que ocasiona y cationes Ca (++), Mg (++) que ocasionan uniones fuertes en el sistema arcilla-agua, generando sustancialmente humedades menores. Los Cationes o iones positivos pueden categorizarse según su facilidad de remplazo, como sigue: ‐ Na y K – pueden ser remplazados por todo excepto por Li ‐ Ca, Mg y H – pueden ser remplazados con dificultad ‐ Fe y Al – virtualmente irreemplazables Los intercambios de iones están sujetas a las reglas que rigen los enlaces químicos, los cuales se generan básicamente por: ‐ Atracción electrostática entre iones cargados opuestamente tomando el nombre Enlace Iónico ‐ Por compartición de electrones entre átomos tomando el nombre de enlace covalente. La capacidad de intercambio se ve más favorecida cuanto mayor es la acidez de los cristales, es decir, es muy alta cuando ellos poseen Ph menores que 7. 4.4 Actividad electroquímica de las arcillas Como ya se ha comentado, por razones de que el oxígeno es el elemento de unión en el reticulado/malla este tendrá una superficie con carga eléctrica negativa, por tanto, es evidente que habrá disposición para atraer iones positivos del agua como el H(+) y Cationes de diferentes elementos químicos como Na(+), K(+), Ca(++), Mg(++), Al(+++) y Fe(+++). Esta interacción química se conoce como electroquímica permitiendo que los elementos arcillosos puedan rodearse entonces con una capa de moléculas de agua constituida. 12
