La meteorización y formación del suelo

GEOLOGÍA FÍSICA
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
2007
Resumen clase anterior
Procesos y rocas metamórficas
- Generalidades
Transformación mineralógica y textural de las
rocas, en estado sólido, como resultado de altas
T y/o p y actividad química
Desde debajo de la superficie hasta el manto,
distintos grados
Rocas metamórficas en cinturones orogénicos y
en escudos (muy antiguas), composición muy
amplia
Resumen clase anterior
Procesos y rocas metamórficas
- Agentes del metamorfismo
Temperatura (intrusiones o aumento de
profundidad)
Presión (litostática o esfuerzos dirigidos), las
rocas fluyen plásticamente
Fluidos químicamente activos en profundidad
(catalizan las reacciones y favorecen las
transformaciones mineralógicas)
Resumen clase anterior
Procesos y rocas metamórficas
- Cambios durante el metamorfismo
Texturales:
Foliadas:
Pizarrosidad
Esquistosidad
Bandeamiento
No foliadas
Mineralógicos:
Formación de nuevos minerales, polimorfismo,
metasomatismo, recristalización
Resumen clase anterior
Roca
Textura
Protolito
Comentarios
Pizarras
Foliada
Lutitas
De grano muy fino
Filitas
Foliada
Lutitas
De grano fino a medio
Esquistos
Foliada
Lutitas, rocas
volcánicas y graníticas
Minerales diversos de grano
grueso
Gneises
Foliada
Lutitas, rocas
volcánicas y graníticas
De grano grueso (no
micáceo)
Mármoles
No foliada
Calizas, dolomías
Compuesto por granos de
calcita intercrecidos
Cuarcitas
No foliada
Arenisca rica en
cuarzo
Compuesto por granos de
cuarzo intercrecidos
Cornubianas
No foliada
Cualquier material de
grano fino
De grano fino
Migmatitas
Débilmente
foliada
Mezcla de rocas
graníticas y máficas
Compuesto por capas con
volutas
Milonitas
Débilmente
foliada
Cualquier material
Roca dura de grano fino
Metaconglomerados
Débilmente
foliada
Conglomerado rico en
cuarzo
Cantos rodados muy
estirados
Anfibolitas
Débilmente
foliada
Rocas volcánicas
máficas
De grano grueso
Resumen clase anterior
Procesos y rocas metamórficas
- Tipos de metamorfismo
De contacto: aureolas cerca de cuerpos ígneos,
soluciones hidrotermales, altas T
Dinámico: en zonas de falla, 3 tipos de
deformación (frágil, frágil–dúctil, dúctil), altas p
Regional: más importante, asociado a procesos
orogénicos (núcleos cordilleranos), altas T y p
Gradaciones de intensidad
Minerales índice (clorita – sillimanita)
Facies metamórficas
Resumen clase anterior
Procesos y rocas metamórficas
Facies metamórficas
X. Meteorización y suelos
- Generalidades
- Meteorización física y química
- Factores que controlan la meteorización
- Suelos
- Factores que controlan la formación de suelos
- Perfil de suelos
- Tipos de suelos y clasificación
- Erosión de suelos
Generalidades
Fuerza “constructivas”: Levantamiento
tectónico y actividad volcánica
RELIEVE
Fuerza “destructivas”: Meteorización, fuerzas gravitacionales,
erosión, transporte... ACTUAN EN CONJUNTO
Generalidades
Meteorización
Fragmentación mecánica (desintegración) y/o
alteración química (descomposición) de las
rocas, debido a su exposición al ambiente
superficial (aire, humedad, materia orgánica)
Normalmente ambos procesos actúan
simultáneamente, aunque según las condiciones
climáticas prevalece uno u otro
Respuesta de los materiales a un ambiente
dinámico (cambiante) y distinto a su ambiente
de formación
Meteorización física y química
Meteorización física o mecánica
Conjunto de procesos que rompen la roca en
trozos cada vez más pequeños, que conservan la
composición del material original
Aumentan el área superficial expuesta a ataques químicos
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
1. Fragmentación por heladas (Gelifracción)
Los ciclos repetidos de congelación y descongelación
del agua presente en las fracturas de la roca
producen su fracturamiento en fragmentos
angulares
El hielo ocupa más volumen que el agua, por lo que
ejerce presiones importantes en el medio que lo
contiene (roca)
Común en zonas montañosas de altas latitudes
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
1. Fragmentación por heladas (Gelifracción)
Canchal: acumulación de material
angular en el pie de las pendientes
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
2. Descompresión
La reducción en la presión
de confinamiento o los
cambios en la condición
de esfuerzos hacen que
las rocas experimenten
expansión y lajamiento
(fracturas paralelas a la
superficie)
También puede ocurrir por
contracción durante el
enfriamiento y por fuerzas
tectónicas (orogenias)
Las fracturas permiten el
flujo de agua y la MQ
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
2. Descompresión y cambios CE
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
2. Descompresión y cambios CE
Basalto
columnar
formado por
contracción
térmica durante
el enfriamiento
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
2. Descompresión y cambios CE
3 familias de
diaclasas
(tectónicas) +
planos de
estratificación
en areniscas
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
3. Expansión térmica
Los ciclos diurnos de temperatura causan expansión
(calentamiento) y contracción (enfriamiento) de las
rocas. Cada mineral tiene un distinto índice de
expansión, lo que genera esfuerzos que pueden
fracturar la roca
Proceso poco importante según los ensayos de
laboratorio (requiere MQ previa)
Es posible en desiertos cálidos con variaciones
diarias de T importantes (30°C)
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
4. Actividad biológica*
Árboles: Crecimiento de raíces de entre las fracturas
existentes en las rocas
Animales excavadores: desplazamiento de material
fresco hacia la superficie
Microorganismos: producción de ácidos que ayudan
en la MQ
Actividad antrópica: minería, carreteras, ...
Meteorización física y química
Procesos de meteorización física
4. Actividad biológica
Meteorización física y química
Meteorización química
Descomposición de los constituyentes de las
rocas y de la estructura interna de los minerales
Se generan nuevos minerales y se liberan
elementos al ambiente
Los materiales generados son estables en las
condiciones de superficie (no se alteran más, a
menos que sean llevados a condiciones nuevas)
Agente principal: agua y las sustancias que
normalmente lleva disueltas
Meteorización física y química
Procesos de meteorización química
1. Disolución
Sólo algunos minerales son solubles en el agua pura
(atracción iónica de la molécula polar de agua)
Halita NaCl
Con cantidades pequeñas de ácido (ión reactivo H+)
la capacidad de disolución del agua aumenta
Ácidos: H2O + CO2 (lluvia), orgánicos, ...
La mayoría de las rocas se descompone en
soluciones ácidas y produce materiales solubles en
H2O
CaCO3 + 2(H+ HCO3-) = Ca2+ + CO2 + 3H2O
Ca2+: ión soluble, se queda en el agua
Meteorización física y química
Procesos de meteorización química
2. Oxidación
Reacciones en las que un compuesto o radical
pierde electrones (se combina con oxígeno)
La presencia de agua aumenta la velocidad de
reacción
Importante en la descomposición de minerales
ferromagnesianos: Ol, Anf y Px se oxidan y forman
hematita y limonita (requiere liberación previa de
Fe)
4Fe + 3O2 =2Fe2O3
Pirita (FeS2) se descompone por oxidación en
ambientes húmedos y produce H2SO4 y FeO(OH)
Meteorización física y química
Procesos de meteorización química
3. Hidrólisis
Reacción de una sustancia con el agua. El ión H+
ataca y sustituye los cationes dentro de la
estructura cristalina del mineral, que se
descompone
Acelerada cuando hay ácidos disueltos (más H+)
2KAlSi3O8 + 2(H+ HCO3-) + H2O =
Al2Si2O5(OH)4 + 2K+ + 2HCO3- + 4SiO2
Proceso principal del alteración de los silicatos
Formación de arcillas (muy estables en
superficie, constituyentes de los suelos)
Cuarzo: muy estable, poca MQ
Meteorización física y química
Meteorización química
Silicatos: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K y Mg
Ca, Na, K y Mg = en solución (iones)
Fe + O = óxidos de hierro
Al, Si, O = arcillas
Resistencia a la MQ según la serie de Bowen
Mineral
Se meteoriza a
Libera en solución
Cuarzo
Granos de cuarzo
Sílice
Feldespatos
Minerales de la arcilla
Sílice, K+, Na+, Ca2+
Anfíboles y
piroxenos
Minerales de la arcilla
Limonita
Hematita
Sílice, Ca2+, Mg2+
Olivino
Limonita
Hematita
Sílice, Mg2+
Meteorización física y química
Alteraciones por meteorización química
Descomposición de minerales, generación de otros más
estables en superficie
También induce cambios físicos:
Meteorización esferoidal (acción química entre
fracturas) = formas redondeadas o esféricas
Meteorización física y química
Alteraciones por meteorización química
También induce cambios físicos:
Descamación superficial: las arcillas tienen mayor
tamaño que los feldespatos (debido a la presencia
de H2O), lo que causa expansión y debilitamiento
de la capa superficial de roca
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
1. Características de la roca
Composición química y mineralógica (qué
silicatos están presentes)
MQ disminuye a medida que aumenta la
polimerización de los silicatos
Presencia de fracturas (permiten la
percolación del agua meteórica)
Tamaño de las partículas (área superficial
expuesta a ataques químicos)
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
1. Características de la roca
Granito
Caliza
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
1. Características de la roca
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
2. Clima (factor más importante)
Factores climáticos: temperatura y humedad
MFísica: controlan los ciclos de hielo/deshielo y la
contracción térmica
MQuímica: controlan la clase de vegetación
presente, la cantidad de agua disponible, ...
Mucha vegetación: manto de suelo muy
grueso con m.o. descompuesta que produce
ácidos
Óptimo: clima cálido y humedad abundante
Polos: poco agua líquida (no MQ)
Desiertos: poca humedad (no MQ)
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
2. Clima
Zonación vertical de T
Factores que controlan la meteorización
El tipo de proceso y su velocidad depende de:
2. Clima
Factores que controlan la meteorización
Las diferencias en velocidad de meteorización (debido
a mineralogía, grado de fracturación, condiciones
climáticas) pueden generar meteorización diferencial,
aun al interior de áreas pequeñas
Meteorización +
erosión
Arenisca:
resistente,
desarrolla
paredes
verticales
Lutita: menos
resistente, no
soporta altos
ángulos
Suelos
Cubre la mayor parte de la superficie terrestre
Recurso vital
Interfase o límite común a varias partes del sistema
terrestre, todas interactuando entre sí
Tierra sólida + atmósfera + hidrosfera + biosfera + hombre
El suelo se desarrolla en respuesta a dichas
interacciones. Tiende a alcanzar un equilibrio con el
ambiente, pero es dinámico y sensible (responde
rápidamente a cualquier cambio)
Suelos
Geología (Materiales y procesos)
Producto de la meteorización física y química de
las rocas. Constituido por una mezcla de materia
mineral (~45%), materia orgánica (~5%), aire
(~25%) y agua (~25%)
MO: humus (restos descompuestos de animales y
vegetales, fuente importante de nutrientes,
aumenta la capacidad de retención de agua en el
suelo)
Agua: no es pura, muchos elementos solubles
Aire: en los poros sin agua, fundamental para
plantas y microorganismos
Suelos
Agronomía (Relación suelo–vegetación)
Cuerpo natural resultante de interacciones
dinámicas de componentes orgánicos e
inorgánicos, que constituye el medio para el
desarrollo vegetal
Ingeniería (Estabilidad)
Agregado de minerales unidos por fuerzas
débiles, separables por medios mecánicos de
poca energía o por acción del agua
Suelos
Factores que controlan la formación de
suelos
Todos actúan en conjunto
1. Roca madre
Fuente de la materia mineral meteorizada, experimenta
cambios físicos y químicos
Suelo residual: desarrollado directamente sobre la roca
Suelo transportado: desarrollado a partir de depósitos no
consolidados (sedimentos)
Tipo y estado de la roca: velocidad de meteorización
Composición química: afecta la fertilidad del suelo
Una misma RM puede generar suelos muy diversos
Factores que controlan la formación de
suelos
2. Tiempo
Factor fundamental en todos los procesos geológicos. La
naturaleza del suelo depende de la duración de los
procesos que lo forman
Entre más tiempo haya actuado la meteorización, más
grueso (espesor) es el suelo y más distinto es de la roca
madre
Las velocidades de formación del suelo son muy variables
(dependen de muchos factores...)
Factores que controlan la formación de
suelos
3. Clima (T y precipitación)
Factor más importante en la formación de suelos
Determina:
Tipo de meteorización predominante
Velocidad y profundidad de la meteorización
Actividad biológica
Lluvia: influye en el grado de lixiviación (lavado) de
nutrientes al suelo, es decir, en la fertilidad
Ej desierto: MFísica, no hay MQuímica ni actividad
biológica, poco o ningún desarrollo de suelos
Factores que controlan la formación de
suelos
4. Plantas y animales
Proporcionan la materia orgánica, cuya descomposición
aporta nutrientes y ácidos orgánicos que pueden acelerar
el proceso de meteorización
M.O. retiene agua
Microorganismos: descomponen la m.o.
Org. excavadores: mezclan minerales y m.o., airean el
suelo
Factores que controlan la formación de
suelos
5. Topografía (pendiente)
Influye sobre la magnitud de la meteorización y erosión,
sobre el contenido de agua del suelo, ...
Pendientes altas: poco o ningún desarrollo de suelos, bajo
contenido de agua, poca actividad vegetal, mucha erosión
Zonas inundadas: suelos mal drenados, ricos en agua y
m.o.
Desarrollo óptimo: superficies planas o ligeramente
inclinadas
Orientación: determina la cantidad de radiación solar
recibida (afecta T, humedad, vegetación, ...)
Factores que controlan la formación de
suelos
Perfil de suelos
El suelo presenta variaciones en
composición, textura,
estructura y color en
profundidad
Puede dividirse en capas u
horizontes, más o menos
desarrollados según los factores
que determinan la formación
del suelo
Perfil: descripción de los
horizontes del suelo
Existen muchas propuestas de
perfil de suelo distintas, algunas
para zonas extratropicales y
otras para suelos tropicales
Perfil de suelos
Regiones templadas
- Horizonte O: materia orgánica
parcialmente descompuesta y suelta
Capa
superficial
- Horizonte A: materia mineral
mezclada con algo de humus
- Horizonte E: partículas de minerales
de colores claros, sin m.o. Zona de
eluviación (lavado de partículas finas) y
lixiviación (disolución de componentes:
K, Mg, Na, Ca, Si, Al, Fe)
O
A
E
Capa
subsuperficial
B
- Horizonte B: acumulación de arcilla y
materiales transportados desde arriba.
Alta retención de agua
- Horizonte C: roca madre parcialmente
alterada
- Roca madre no meteorizada (regolito)
C
Perfil de suelos
Regiones tropicales
(Deere & Patton, 1971)
- Zona I: Suelo residual (regolito)
Horizonte 1A: Suelo superficial,
raíces y m.o. Zona de lavado y
eluviación
1A
1B
Horizonte 1B: Enriquecido en
arcillas y acumulaciones de Fe,
Al y Si (puede estar
cementado). Ausencia de
estructuras heredadas
Horizonte 1C (saprolito):
Material tamaño limo a arena,
menos de 10% de núcleos de
roca. Estructuras heredadas de
la roca madre
1C
Perfil de suelos
Regiones tropicales
(Deere & Patton, 1971)
- Zona II: Roca meteorizada
2A: Transición de suelo
residual (saprolito) a roca
parcialmente meteorizada.
Núcleos de roca entre 10 y
90%, puede presentar
meteorización esferoidal
2B: Roca parcialmente
meteorizada. Roca blanda a
dura. Alteración en algunas
diaclasas, feldespatos y micas
- Zona III: Roca fresca
No hay signos de alteración
en diaclasas, feldespatos o
micas
Tipos de suelos y clasificación
Clima
Templado húmedo
(>65 cm de lluvia)
Templado húmedo
(<65 cm lluvia)
Tropical (lluvia
intensa)
Vegetación
Bosque
Hierba y arbustos
Hierba y árboles
Tipo de suelo
Pedalfer
Pedocal
Laterita
Capa
superficial
Arenoso, de color
claro; ácido
Comúnmente
enriquecido en
calcita; color
blanquecino
Enriquecido en
hierro y
aluminio; color
rojo ladrillo
Capa
subsuperficial
Enriquecido en
aluminio, hierro y
arcillas; color
marrón
Enriquecido en
calcita; color
blanquecino
Todos los
demás
elementos
eliminados por
lixiviación
Observaciones
Desarrollo
extremo en
bosques, porque
el humus acidifica
el agua
subterránea.
Suelo gris claro
debido a al
eliminación de Fe
El caliche es el
nombre aplicado a
la acumulación de
calcita. Poca
meteorización
química, poco
contenido de
arcillas
Las bacterias
destruyen
aparentemente
el humus de
manera que no
se dispone de
acidez para
eliminar el
hierro
Ártico extremo o
desértico
No se forma
suelo real porque
no hay material
orgánico. La
meteorización
química es muy
lenta
Tipos de suelos y clasificación
Laterita
Pedalfer
Tipos de suelos y clasificación
Clasificación de suelos
Muchos factores involucrados
Bases de la clasificación:
Material parental, constituyentes, madurez,
estructura, clima y vegetación
Muchos enfoques distintos:
Científico: génesis y evolución
Agricultural: fertilidad y uso eficiente
Ingenieril: estabilidad y excavaciones
Tipos de suelos y clasificación
Clasificación de suelos
Soil Conservation Service (EU): 12 órdenes
Grado de meteorización y desarrollo del horizonte B
Muy poco
Entisol
Ligero
Moderado
Grande
Extremo
Aridisol
Inceptisol
Alfisol
Espodosol
Ultisol
Molisol
Oxisol
Suelos definidos por constituyentes especiales
Andisol
Ceniza volcánica – Evolución media
Histosol
Turba, material orgánica – Evolución variable
Vertisol
Alto contenido de arcillas, baja m.o., humus
Gelisol
Suelos en permafrost
Disminuye el contenido de m.o., aumenta
el de óxidos de Al y Fe, cuarzo
Tipos de suelos y clasificación
Orden relativo y factores clave de formación
Vformación entre 0.001 y
0.07 cm/año
En Colombia
En general, clima húmedo tropical (muchas divisiones
y algunas excepciones)
El exceso de lluvia lixivia Mg, Ca, K, Na = s. ácidos
También hay suelos alcalinos (básicos)
Entisoles e inceptisoles: comunes en todo el país
Zona andina: andisoles (+ cenizas volcánicas)
Amazonía y Orinoquía: ultisoles y oxisoles, muy maduros
Caribe: vertisoles, andisoles, molisoles
Erosión de suelos
Pérdida de capa superior fértil
Actividad humana es importante en el proceso
- Laminar: la lluvia arranca partículas de suelo que
arrastra consigo a medida que fluye en láminas finas
- Canales: al desarrollarse corrientes de agua
Velocidad de erosión
Depende del tipo de suelo, clima, vegetación, pendiente
Acelerada por agricultura, construcción,...
En muchas zonas Verosión>Vformación (Chocó)
Erosión de suelos
Erosión laminar y en canales