Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC TEMA 2: “Composición mineral del suelo” 1. Introducción. El suelo posee una morfología propia que resulta de la acción combinada del clima, materia viva, roca original, relieve y edad del proceso, teniendo en cuenta criterios ecológicos de múltiple interacción de los sistemas naturales litosfera, hidrosfera y biosfera. El proceso natural por el cual se forma un suelo en la corteza terrestre se denomina génesis edáfica. Los minerales están formados por elementos simples. Los más importantes en la corteza terrestre, ordenados de manera cuantitativa se presentan en la Tabla 1. Tabla Nº1: Composición de la corteza terrestre (%) Elemento (%) Elemento (%) Oxígeno 52,32 Magnesio 1,39 Hidrógeno 16,95 Potasio 1,08 Silicio 16,67 Titanio 0,22 Aluminio 5,53 Carbono 0,14 Sodio 1,95 Fósforo 0,04 Hierro 1,50 Manganeso 0,03 Calcio 1,48 Nitrógeno 0,03 Fuente: Sparks (2003) Cuando las rocas se meteorizan constituyen los materiales de origen y se pueden agrupar en materiales residuales y materiales transportados. La litosfera está compuesta por rocas y éstas por minerales. La interacción de la atmósfera, hidrosfera y la biosfera provocan la alteración de los minerales y la subsiguiente liberación de nutrientes para las plantas. 1.1. Concepto de mineral y roca. Un mineral es una sustancia natural que posee una composición química determinada, o una escala definida de composiciones químicas, 1 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC propiedades físicas igualmente determinadas y que pertenece a la corteza terrestre. Por el contrario, las rocas son combinaciones de minerales y forman la corteza terrestre. 2. Tipos rocas. Las rocas son combinaciones de minerales, aunque algunas puedan estar constituidas por un solo mineral, generalmente en una roca hay una serie de minerales llamados esenciales y otros minerales acompañantes que se denominan accidentales. Las rocas son los materiales iniciales a partir de los cuales se forman los suelos. Se clasifican en: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las rocas ígneas, también llamadas hipogenéticas o magmáticas, proceden del enfriamiento del magma que da lugar a una roca consolidada al enfriarse. El tamaño de los minerales de las rocas ígneas depende de la velocidad de enfriamiento del magma. Se clasifican en plutónicas (o intrusivas), volcánicas (o efusivas) y filonianas. Rocas plutónicas e intrusivas: se forman por el enfriamiento lento del magma en el interior de la corteza solidificándose a grandes profundidades de la superficie de la Tierra. Se caracterizan por su textura granulosa y por ser holocristalinas (cristales casi siempre visibles y de aspecto homogéneo). Granito, granodioritas, sientas, dioritas, gabros, peridotitas. Rocas volcánicas o efusivas. Son las que se han solidificado en la superficie de la corteza, ascendiendo como lavas por grietas abiertas expuestas al exterior, o lanzadas por los volcanes. El enfriamiento es rápido (en o cerca de la superficie terrestre) no pudiendo cristalizar totalmente, presentándose generalmente como cristales finos vidrio volcánico amorfo. Riolitas, dacitas, traquitas, andesitas y basaltos. Rocas filonianas. Se han solidificado en la periferia de la masa magmática ascendente, ocupando grietas abiertas entre las rocas preformadas. Suelen adoptar la forma de vetas o filones. Su textura 2 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real cristalina es generalmente SBMC microcristalina, pudiendo a veces presentar fenocristales. Aplitas y pegmatitas. Las rocas sedimentarias se forman por consolidación de los productos de la erosión de otras rocas. Estos sedimentos son transportados hasta un determinado lugar y depositados más o menos lejos de donde se encontraba la roca que se meteorizó. En el lugar donde han sido depositados se pueden consolidar por varios motivos: recementación (rocas clásicas), precipitación (rocas precipitadas), evaporación del agua (rocas evaporíticas). Se clasifican en función de la forma predominante de producirse el depósito. Detríticas: La sedimentación se produce por disminución de energía del agente transportante. Pueden ser incoherentes (gravas, arenas, limos y arcillas) o coherentes (conglomerados, brechas arcosas, areniscas, cuarcitas, pizarras arcillosas, etc.) Químicas: Por concentración (evaporación del disolvente), precipitación o sobresaturación. Calizas y dolominas Mixtas. Margas. A modo de ejemplo: una roca ígnea (granito) se meteoriza y la arena de cuarzo del granito es transportada por el aire y depositada en el fondo de un mar; con el paso de los años, esa arena de cuarzo puede ser cementada en una masa sólida formando una roca sedimentaria (arenisca). Las rocas metamórficas proceden de rocas ígneas o sedimentarias que han sido sometidas a una temperatura y presión elevada, lo que hace que se produzcan cambios químicos, estructurales y mineralógicos en las rocas. Las principales rocas metamórficas son: mármol, cuarcita, filita, esquisto micáceo. Gneis, anfibolita, etc. 3 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC Con grado bajo de metamorfismo podemos encontrar pizarras compuestas por minerales indicadores de bajo gado de metamorfismo moscovita, biotita) (clorita, como cuarzo y feldespato. 2.1. Ciclo de las rocas. Nuestro planeta está formado por muchas partes interactuantes que forman un todo complejo. El ciclo de las rocas nos permite examinar muchas de las interacciones entre las diferentes partes del sistema Tierra. Además, nos ayuda a entender el origen de las rocas ígneas, sedimentarias o metamórficas, y a ver que cada tipo está vinculado a los otros por los procesos que actúan sobre y dentro del planeta. Ciclo básico. El magma es la roca fundida que se forma a una gran profundidad por debajo de la superficie de la tierra. El magma se enfría y se solidifica (cristalización); las rocas resultantes se denominan rocas ígneas. Si las rocas ígneas afloran a la superficie se meteorizan (la acción de la atmósfera las desintegra y descompone lentamente), los materiales resultantes pueden ser desplazados pendientes abajo por la gravedad antes de ser 4 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC capturados y transportados por algún agente erosivo. partículas y disueltas Las sustancias (sedimentos) experimentan la litificación, el mediante cual el sedimento suele litificarse dando lugar a una roca sedimentaria cuando es compactada por el peso de las capas o cuando es cementado conforme el agua subterránea de infiltrada llena los poros con materia mineral. Si la roca sedimentaria se entierra profundamente dentro de la tierra estará sometida a grandes presiones o a un calor intenso. La roca sedimentaria reaccionará ante el ambiente cambiante y se convertirá en un tercer tipo de roca, las rocas metamórficas. 3. Materiales de origen de los suelos. La facilidad o dificultad para que una roca se erosione o se meteorice depende de su composición mineralógica, las rocas más duras tardarán más en meteorizarse que las rocas más blancas, al igual que las rocas de colores claros se meteorizarán antes que las de color oscuro. Cuando las rocas se meteorizan constituyen los materiales de origen y se pueden agrupar en materiales residuales y materiales transportados. Materiales residuales: también se denominan autóctonos. Se trata de rocas duras, ígneas, sedimentarias o metamórficas que se desintegran y los productos de la meteorización permanecen sobre la roca subyacente. En los suelos formados a partir de dichos materiales, la “roca madre” se podrá encontrar debajo del suelo. 5 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología Materiales E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real transportados: también llamados SBMC alóctonos. Son fragmentos de rocas y minerales de uno o varios tipos (sedimentos: materiales minerales no consolidados) que han sido transportados por las fuerzas mecánicas de la naturaleza y posteriormente depositados en un lugar alejado de donde se meteorizaron las rocas de origen. Se trata, por tanto, de sedimentos sobre los que se pueden formar suelos (no habrá una “roca madre” debajo del suelo). Dichos sedimentos serán muy variados según el tipo de material transportado, y se clasifican en función de los agentes de transporte y sedimentación. Los agentes que pueden realizar el transporte son el agua, el viento, el hielo y la gravedad. a) Materiales transportados por el agua: a su vez se subdividen en: aluviales, lacustres y marinos. Los aluviales son elementos arrastrados y depositados por los ríos y arroyos. Las terrazas son depósitos dejados antiguamente por los ríos en zonas que ya no están sometidas a inundaciones del cauce actual y nos dan una idea de por dónde iba antiguamente el cauce del rio. En general, dan lugar a suelos fértiles. Los lacustres son materiales que fueron arrastrados y depositados sobre lagos glaciares. Cuando el hielo se derretía se producían torrentes que arrastraban sedimentos a los lagos. No todos los suelos formados sobre lacustres van a ser iguales, ya que dependen de los materiales transportados y de las condiciones climáticas a las que son sometidos. Los materiales marinos son sedimentos que han sido llevados por los ríos hasta los océanos. Conforme ha ido cambiando la línea del litoral han ido saliendo a la superficie (por ejemplo, la albufera de Valencia). b) Materiales depositados por el viento: también se denominan depósitos eólicos y se subdividen en loes, cenizas volcánicas y dunas. Los loes son importantes porque ocupan grandes extensiones como origen de suelos. Se cree que el origen de estos depósitos fue después de la última glaciación se produjo un periodo muy árido, frio y con grandes vientos, lo que produjo la erosión y el transporte de materiales finos que cubrieron grandes extensiones. Estos materiales finos suelen ser principalmente limos. Se trata de zonas llanas 6 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC como la llanura de Moscú, el norte de Francia y la zona de Alemania y Bélgica en Europa o la pampa Argentina y gran parte del centro de Estado Unidos en América. Se corresponden con suelos bastante fértiles. Las cenizas volcánicas son poco importantes ya que ocupan pequeñas extensiones. Suelen ser suelos claros y porosos y, por lo general, bastante fértiles. Las dunas arenosas no tienen gran importancia debido a su pequeña extensión, pero son bastante problemáticas ya que son móviles y constituyen un inconveniente para la agricultura pues pueden invadir terrenos fértiles. c) Materiales depositados por el hielo: en este caso encontramos las morrenas y las llanuras de deposición glacial. Las morrenas son depósitos glaciales, es decir, materiales depositados por el hielo y que suelen tener formas irregulares. La morrena puede dividirse en morrena terminal, morrena de glaciar y morrena lateral. Al ocupar pequeñas zonas no son de gran importancia para la agricultura. Las llanuras de deposición glacial suelen ir asociadas a glaciares porque están constituidas por materiales que fueron arrastrados por las aguas del glaciar; arrastrando, a su vez, gran cantidad de sedimentos y depositándolos en las zonas más bajas rellenando valles. d) Materiales depositados por la gravedad: se denominan materiales coluviales y son fragmentos de rocas, piedras y materiales minerales sueltos que se acumulan al lado de una pendiente y que han llegado hasta allí rodando por la pendiente (arrastrados por la gravedad). Se encuentran en zonas áridas, frías y montañosas debido a que con las heladas las rocas se fracturan y son frecuentes los deslizamientos y las avalanchas (por ejemplo, los taludes). 4. Composición mineral del suelo. Los minerales del material de origen van sufriendo transformaciones con el tiempo. A los minerales que forman parte o constituyen el material parental se les denomina materiales primarios. Éstos, en el suelo, se ven sometidos a un proceso de meteorización física o degradación, el cual tiene como resultado 7 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC una reducción de tamaño de los minerales sin que se modifique su estructura ni su composición. Una vez que han reducido su tamaño se denominan materiales heredados; son idénticos al material de origen y comunican al medio algunas características o propiedades (de carácter heredado) como pueden ser color, textura, estructura, etc. Son más frecuentes en suelos jóvenes ya que conforme el suelo va evolucionando estas características heredadas son menos patentes. Por este motivo se dice que en un suelo joven “han sucedido” pocas cosas. Paralelamente a la degradación física, y si hay suficiente agua, los minerales se pueden ver sometidos a procesos de meteorización o descomposición química (oxidación, hidrólisis, carbonatación, etc.) Esta alteración química sí que produce una gran modificación en la estructura y la composición de los minerales. Por lo tanto, en el suelo, como consecuencia de estos procesos, quedan libres sustancias solubles (K+, Mg2+, Ca2+, etc.), minerales parcialmente transformados, minerales nuevos (arcillas) y productos resultantes de la degradación (óxidos de hierro y aluminio). Las sustancias solubles pueden permanecer en el horizonte y estar disponibles para ser tomadas por la planta, o bien pueden ser transportadas por la acción del agua y acumularse a una cierta profundidad, dando un horizonte B de acumulación dependiendo de las condiciones climáticas de la zona; y en tercer lugar pueden intervenir en la síntesis de los minerales nuevos que se forman en el ambiente profundo del suelo y no recuerdan en nada al material de origen; se denominan minerales neoformados. En función de cómo se ordenan internamente sus moléculas los minerales se dividen en: •Minerales amorfos: Sus moléculas se ordenan al azar. •Minerales cristalinos: Las moléculas se distribuyen de forma organizada. 8 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC En el caso de que, en un mineral, la orientación interna de sus moléculas se manifieste por la adopción de formas poliédricas visibles, el mineral se dice que se presenta en forma cristalizada o (bajo forma de cristal). Existen siete tipos de mallas o redes tridimensionales a las que se ajustan todas las posibles estructuras internas de los minerales cristalinos, dando origen a los conocidos sistemas de cristalización: cúbico, hexagonal, tetragonal, trigonal, rómbico, monoclínico y triclínico. A su vez, los minerales pueden clasificarse en función del ion principal que lo forma, Clasificación de STRUNZ, y tenemos: carbonatos, sulfuros, silicatos, etc. Los minerales más abundantes son los silicatos, ya que constituyen el 95% de la corteza terrestre. 4.1. Minerales primarios. Constituyen la mayor parte de las fracciones de limo y arena presentes en los suelos (tamaño de partícula superior a 2 micras), aunque también se pueden encontrar en la fracción arcilla (tamaño de partícula inferior a 2 micras). Los más importantes cuantitativamente hablando son los silicatos. 4.1.1. Silicatos. El cuarzo tiene como fórmula química SiO2, es muy duro y poco soluble. Es muy resistente a la alteración y descomposición química. Es un mineral muy estable. Los feldespatos son los minerales más abundantes. Se alteran más fácilmente que le cuarzo y al descomponerse dejan en libertad algunos elementos nutritivos para las platas (un feldespato potásico cuando se descompone deja en el suelo potasio que pueden absorber las plantas). Las micas se descomponen con más facilidad aún que los feldespatos, por lo que es menos frecuentes encontrarlas en los suelos. Las más importantes son la biotita y la moscovita, y también dejan en libertad elementos nutritivos como el hierro o el potasio. El resto de los silicatos son menos estables y se descomponen químicamente con mayor facilidad. De todos ellos tiene interés agronómico la 9 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC turmalina, ya que es un borosilicato que al descomponerse proporciona boro a los cultivos. Los silicatos poseen una estructura cristalina que se caracteriza por un poliedro de coordinación que es un tetraedro regular, en su estructura básica, cada átomo de silicio se coordina con cuatro átomos de oxígeno mediante enlace covalente de alta energía, lo que explica si elevada estabilidad. La agrupación de tetraedros idénticos compartiendo oxígenos y la unión de cationes dan origen a las distintas estructuras que se agrupan en seis subclases: nesosolicatos, sorosilicatos, filosilicato, tectosilicatos, ciclosilicatos e inosilicatos. 4.1.2. No silicatados. Existen otros minerales no silicatados (es decir, no contienen sílice): hematita, goetita y limonita son una fuente de hierro; la pirofanita es una fuente de manganeso; calcita es fuente de calcio; apatita es fuente de calcio y fósforo; dolomita es fuente de magnesio y calcio; yeso es fuente de azufre y calcio. 4.2. Minerales secundarios. 1 0 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC Los minerales secundarios son aquellos que se han formado en ambientes meteóricos. Pueden proceder de la transformación de los minerales primarios o de los procesos de neosíntesis a partir de productos en solución. Los más importantes son los que se incluyen en el grupo de los llamados minerales de la arcilla. Otros minerales secundarios importantes son: algunos óxidos, hidróxidos, carbonatos, etc. La composición mineral del suelo es muy diferente de unos suelos a otros, ya que depende del material de origen y de las condiciones del medio (clima) que pueden modificar dicha composición (Tabla Nº2). Tabla Nº2: Características del suelo en función del tipo de roca. Tipo de roca Posibles características del suelo Granito Tendencia arenosa Si el régimen de humedad es percolante aparecen suelos ácidos. Basalto y cenizas volcánicas Tendencia arcillosa Color rojo oscuro a pardo oscuro Elevado contenido en hierro Con estación seca: arcillas esmectíticas. Con régimen percolante: caolinita Régimen perhúmedo: alófana Esquistos Tendencia arcillosa Arcillas micáceas (ilitas) y vermiculitas. Con estación seca: esmectitas Areniscas Textura gruesa Muy permeables Régimen percolante: suelos ácidos, pobres en bases Arcosa Rico en arcilla, posible translocación de arcilla. Caliza Sobre caliza dura: suelos muy pedregosos, poco profundos. Régimen húmedo: rico en arcilla. Lulitas (calcilulita = marga) Arena cuarzosa 4.3. Arcillitas: tendencia arcillosa Limilita: tendencia limosa (suelos jóvenes). Escasa posibilidad de evolución. En climas cálidos y húmedos puede llegar a desarrollarse un horizonte A importante. Resistencia de los minerales a la meteorización. 1 1 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC La estabilidad de un mineral (su propia dificultad para descomponerse o alterarse químicamente) depende de su composición química y de su estructura cristalina (que condicionan su color, dureza etc.). En los silicatos la estabilidad está relacionada en primer lugar con el grado de condensación de la red cristalina. En general se cumple: Tectosilcatos > Filosilicatos > Inoilcatos > Nesosilicatos De modo general y muy simplificado, la estabilidad de los minerales primarios más importantes puede representarse en el siguiente cuadro: La solubilidad de un mineral depende de su composición química y de su estructura cristalina. Cuando un mineral es más estable cuanto más cuesta degradarlo. Goldich instituyó un índice de estabilidad: Cuarzo > Moscovita > Magnetita > Ortoclasa > Albita > Anorita > Biotita > Apatita > Alfiboles > Piroxeno > Olivino La descomposición o alteración química de los minerales también depende de los factores del medio, fundamentalmente del clima (precipitaciones y temperatura). 1 2 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC La importancia de conocer cuál es el mineral que hay en el suelo radica en el hecho de que si los minerales se descomponen liberan sus elementos constituyentes, muchos de los cuales pueden ser nutrientes para las plantas. El grado de meteorización de un suelo es un dato importante a la hora de evaluar, como una primara aproximación, la fertilidad natural del mismo, ya que algunos de los elementos minerales más móviles (K, Ca, Mg) son nutrientes para los vegetales. 5. Propiedades de los coloides del suelo debido a sus cargas eléctricas. Todos los constituyentes de la fracción mineral arcilla tienen comportamiento coloidal debido a su pequeño tamaño y a que poseen cargas eléctricas positivas o negativas. Estas características le confieren propiedades físico-químicas especiales denominadas propiedades coloidales. Estos coloides pueden unirse en el suelo a los compuestos orgánicos formando el complejo órgano-mineral del suelo. En el suelo existen componentes que se comportan como coloides, tanto componentes minerales como orgánicos, por lo que todos tienen que tener las siguientes propiedades coloidales: • Pueden formar suspensiones coloidales más o menos estables. • Pueden actuar como cementos de partículas minerales más gruesas para formar agregados estructurales del suelo. • Tienen capacidad para adsorber a su alrededor iones de carga contraria para compensar su carga eléctrica. • La mayoría de los colides tiene capacidad para absorber moléculas de agua e hincharse. 5.1. Clasificación de los coloides Según su carga eléctrica los coloides se agrupan en electronegativos o acidoides y electropositivos o basoides. Se pueden concentrar en el suelo en estado disperso cuando en el medio edáfico predominen los iones que tienen 1 3 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC su misma carga eléctrica (se producen repulsiones); o en estado floculado cuando en el medio predominan los iones de carga contraria a la suya (se producen atracciones). En este caso, los coloides se aglomeran actuando como cementos de partículas minerales más gruesas, formando agregados con lo que el suelo tendrá una buena estructura. Coloides electropositivos o basoides: estos coloides tienen carga positiva en la mayoría de los suelos en condiciones normales de pH. Son oxihidróxidos de hierro y aluminio [Fe(OH) 2+; Fe(OH)++; Al(OH)2+; Al(OH)++]. Debido a que tienen carga positiva en un medio ácido, donde predominan los protones, deben encontrarse dispersos; cuando el pH en básico se encuentran floculados, pero no siempre es así, ya que se comportan como bases débiles, lo que significan que tienen poca tendencia a permanecer disociados y una gran apetencia por grupos OH-, o por otros aniones que compensen sus cargas positivas. En consecuencia, sólo estarán dispersos en medios fuertemente ácidos (pH < 5,0) y van a estar floculados en medios ligeramente ácidos y básicos. Además, estas partículas tienen la propiedad de adsorber a su alrededor una nube de aniones para compensar su carga eléctrica, y estos aniones no sólo van a ser grupos OH-, sino que también pueden ser NO3-, PO42- SO42-, etc. Coloides electronegativos o acidoides: son los minerales de arcilla, la alófana y los compuestos húmicos. Según su carga, en pH ácidos deben encontrarse floculados, mientras que en pH básicos deben de encontrarse dispersos. Su comportamiento es de ácidos débiles, por lo que sólo los encontramos dispersos en pH fuertemente básicos (pH > 9.0) y floculados en pH ligeramente básicos y en pH ácidos. Las partículas coloidales de arcilla y alófana tienen una carga negativa dispersa a su alrededor, lo que le confiere la propiedad de adsorber iones a su alrededor de carga contraria a la suya para compensar esa carga eléctrica, atrayendo así a Fe3+, Al3+, Ca2+, Mg2+, Na+, H+, K+, etc. Esta capacidad de los coloides para adsorber iones es una de las propiedades más importantes del suelo. Se debe a que muchos de estos iones son nutrientes para las plantas y los coloides tienen la capacidad de retenerlos 1 4 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC con una fuerza suficiente que evite su pérdida en los horizontes más profundos del suelo pero que permite que sea absorbido por las plantas. Según su afinidad por el agua los coloides se pueden clasificar en hidrófobos o suspensoides y en hidrófilos o emulsoides. Los coloides hidrófobos son los que tienden a rodearse de una fina capa de moléculas de agua (arcillas); mientras que los hidrófilos se rodean de una capa de agua de gran espesor – capa de solvatación – Se comportan como hidrófilos los compuestos húmicos. Debido a esta propiedad de los coloides de rodearse de una capa de agua, los suelos que tienen mucha materia orgánica van a ser capaces de retener una gran cantidad de agua. Los coloides en su estado floculado son la base de la estructura del suelo porque actúan como cementos de partículas más gruesas. Los coloides tienen capacidad de absorber e intercambiar iones con el medio en el que se encuentran. Los coloides pueden adsorber moléculas de agua e hincharse. 5.2. Floculación de coloides electronegativos por cationes Los coloides electronegativos son los más abundantes en el suelo y se rodean de cationes para compensar su carga eléctrica; pero no todos los cationes tienen la misma fuerza para mantener floculados los coloides. El poder floculante de los cationes depende de su valencia, de forma que los trivalentes (Fe3+, Al3+) tienen más facilidad de mantener floculados un coloide que los bivalentes (Ca2+, Mg2+), y a su vez éstos floculan con más fuerza que los monovalentes (K+, Na+). Los cationes trivalentes pueden flocular arcillas y compuestos húmicos; los bivalentes floculan las arcillas, pero su capacidad para flocular compuestos húmicos es menor. Los monovalentes tienen muy poca capacidad de mantener floculados a arcillas y casi ninguna a los compuestos húmicos. Debido a que tanto la arcilla como los compuestos húmicos son coloides hidrófilos y se rodean de una capa de agua de gran espesor 1 5 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC y los coloides monovalentes no tiene capacidad de flocularlos. Los suelos donde predominan los cationes monovalentes son suelos con una mala estructura. 5.3. Acción combinada de iones antagonistas. En un suelo normal hay al mismo tiempo iones con capacidad floculante e iones dispersantes, por lo tanto, según cada caso predominará una acción u otra. A continuación, vamos a estudiar tres casos en tres suelos diferentes. a) Suelos calizos: se caracterizan por ser suelos con un elevado contenido en calcio y tener pH básico (8.5). Los coloides electropositivos deben estar floculados y los electronegativos dispersos. Atendiendo al pH debería predominar la acción dispersante, el calcio es un catión divalente tiene acción floculante; en este caso predomina la acción floculante del calcio frente a la dispersante del pH, por lo que los suelos calizos tienen, en general, una buena estructura, los coloides actúan como cementos y forman agregados. b) Suelos salinos (o salino – sódicos): Estos suelos se caracterizan por tener un pH básico (< 9.0) y predominancia del catión sodio. Atendiendo al pH debería predominar la acción dispersante, el sodio es un catión monovalente que tiene poca acción floculante; en este caso predomina la acción dispersante del pH frente a la floculante del catión. Los suelos no tienen buena estructura, ya que arcillas y humus están dispersos, es suelo se vuelve asfixiante para las raíces de las plantas, que quedan aprisionadas en una capa sin huecos (sin aire). Todas las partículas están individualizadas. c) Suelos ácidos con mucho aluminio: los coloides van a estar siempre floculados, tienen poco magnesio, calcio, potasio y sodio. Son suelos fuertemente ácidos (pH < 4.5) que tienen una vegetación acidificante y un clima frio y húmedo; en estos suelos hay muchos compuestos húmicos solubles (tipo R-COO-), que son muy ácidos, con abundantes cargas negativas. Al tener las arcillas las mismas cargas que los compuestos húmicos se producen repulsiones y en consecuencia los coloides están dispersos, es decir, predomina la acción dispersante de los compuestos orgánicos solubles muy ácidos, frente a la acción floculante de los compuestos de aluminio y los protones. Al quedar dispersos los coloides electronegativos emigran en la profundidad del suelo 1 6 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC (arcillas, compuestos húmicos y óxidos de hierro y aluminio). Estas condiciones son las típicas de los suelos denominados podzoles. 6. Características, propiedades generales y estructura de los minerales de arcilla. Los minerales de arcilla están incluidos en la fracción arcillas granulométricas de diámetro inferior a 2 micras. Son aluminio-silicatos microcristalinos pertenecientes a la subclase de los filosilicatos. La fórmula genérica de todas las arcillas es: 𝑛 𝑆𝑖𝑂3 𝐴𝑙2 𝑂3 𝑚 𝐻𝑂2 La relación entre sílice y aluminio es característica de cada tipo de arcilla (SiO3/Al2O3) y puede oscilar entre 1 y 5. Todas las arcillas tienen estructura laminar, interviniendo dos tipos de capas: tetraédrica y octaédrica. La diferencia básica entre las dos capas es la disposición de los iones Si, Al, Mg, Fe, O y OH. Dicha disposición varía dado que el tamaño de un catión determina la coordinación de iones O y OH. Capas tetraédricas: el tetraedro de Si es la unidad estructural básica, y consta de un ion Si rodeado de cuatro iones O. Los tetraedros forman una capa compartiendo O basales. Esta capa tiene una carga neta negativa. Capa octaédrica: la unidad básica consiste en una disposición 1 7 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC octaédrica de seis iones O u Oh alrededor de un ion central, normalmente aluminio, magnesio o hierro. En dicha capa todos los iones O u Oh están compartidos entre los octaedros adyacentes. Si el catión central es trivalente (Al): dos tercios de los espacios centrales estarán llenos y la estructura se llama dioctaédrica, hablándose de capa gibsítica. Si el catión central es divalente (Fe, Mg): todos los espacios centrales están llenos se llama estructura trioctaédrica, hablándose de capa brucítica. La variedad de minerales de arcilla se debe a la distinta disposición de las capas tetraédricas y octaédricas. Las dos capas se unen compartiendo lo iones O apicales de la capa tetraédricas. Estos iones forman una red hexagonal, mientras los O de la capa octaédrica forman una red triangular, de este modo uno de casa tres iones en la capa compartida es un ion OH. Las capas se unen formando hojas, láminas o estratos; al espacio que hay entre las láminas se le denomina espacio intralaminar y al espacio que ocupa una lámina y su espacio laminar se le denomina espacio basal. El espacio basal es característico de cada tipo de arcilla y sirve para identificarlo. Según el número y disposición de las capas se distinguen tres tipos fundamentales de minerales: 1:1. En donde una capa tetraédrica se une a una octaédrica. 2:1. Dos capas tetraédricas se une a una capa octaédrica central. 2:1:1. Donde hay una capa octaédrica central no compartida entre láminas adyacentes del tipo 2:1 1 8 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC Todas las arcillas tienen en su superficie un exceso de carga negativa y presentan las siguientes propiedades coloidales: • En su estado disperso forman suspensiones coloidales, mientras que en estado floculado pueden cementar partículas minerales más gruesas. • Pueden adsorber cationes sobre sus láminas y algunas en los espacios interlaminares. Estos cationes son intercambiables con otros cationes del medio; a los cationes adsorbidos se les denomina cationes de cambio y suelen estar disponibles para la nutrición de la plantas. Algunas arcillas pueden adsorber en sus espacios intralaminares moléculas de agua, lo que las hace hincharse. • Pueden deslizarse unas partículas sobre otras, cuando están en contacto con el agua, propiedad que recibe el nombre de plasticidad. Por su estructura tienen una gran superficie específica que es la usan para reaccionar; en este caso en los cristales de arcilla abarca toda la superficie externa de los minerales de arcilla y en ocasiones la superficie interna. 6.1. Origen de las cargas negativas de las arcillas Las arcillas tienen dos tipos de cargas negativas: permanentes y variables. Las cargas variables, normalmente, son dependientes del pH. Las cargas negativas permanentes se presentan por las sustituciones isomorfas en la estructura atómica de las arcillas. Ocurren cuando los átomos centrales de los tetraedros u octaedros son sustituidos por otros cationes de similar radio iónico pero de menor valencia. Por cada sustitución que se produzca quedará una carga negativa libre sin compensar en los oxígenos de la estructura. En las capas tetraédricas el silicio puede ser sustituido por Fe 3+ o Al3+. En las capas octaédricas el aluminio puede ser sustituido por Mg 2+ o Ca2+ y el magnesio puede ser sustituido por Li+. Las cargas negativas variables pueden ser, a su vez, de dos tipos dependiendo de donde se produzca. Si se producen en los bordes de ruptura 1 9 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC lateral de la arcilla, dependiendo del pH del medio, lo que ocurre es que los grupos OH- se ionizan y pierden un protón. Si se producen en la superficie de las capas tetraédricas (tanto superior como inferior) lo que ocurre es que el silicio es más electropositivo que el oxígeno y los dos electrones que comparten quedan más próximos al oxígeno, con lo cual éste queda con una carga residual negativa y el silicio queda con una carga residual positiva. Debido a que los oxígenos se sitúan en la parte superficial de la capa aparece, en esta zona, una carga residual negativa que atraen a los protones para compensar dicha carga. Según sea la estructura de cada arcilla, unas tendrán más cargas negativas por lo que en algunas arcillas estas cargas se puede presentan tanto en los bordes de ruptura lateral como en las superficies. Además, muchas arcillas tienen cargas negativas libres en los espacios interlaminares. Son estas cargas negativas las que dan lugar a una de las propiedades más importantes del suelo: la capacidad de intercambio catiónico, debido a que para compensar esas cargas negativas van a adsorber una serie de cationes (cationes de cambio), que están a disposición de las plantas pero quedan protegidos del lavado y son intercambiables. En algunas de estas arcillas los cationes van a quedar fijados y no van a estar disponibles para las plantas. 6.2. Minerales de arcilla La arcilla es un mineral que puede encontrarse en la capa superficial de la corteza terrestre. Los minerales arcillosos se presentan, generalmente, en forma de hoja y en su mayor parte pertenecen a una subclase de los silicatos llamada filosilicatos (Ruiz, 2001). La clasificación de las arcillas se basa en: • Fórmula genérica y relación sílice-alúmina. • Tipo de hoja o lámina (TE-OC; TE-OC-TE; TE-OC-TE OC). • Tipo de capa octaédrica. • Si existen o no sustancias isomórficas (cargas negativas permanentes). 2 0 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC • Espacio basal (constante o variable) • Propiedades coloidales (CIC, hinchable por el agua). A) Arcillas monofilitas A.1) Caolinita. Es la arcilla más abundante en los suelos. Es una arcilla tipo TE-OC (1/1), con una relación sílice-alúmina de 2. Se caracteriza por no tener sustituciones isomórficas, por lo que su espacio basal es constante e igual a 7 Å, por lo que no es hinchable. Posee una baja capacidad de intercambio catiónico (10-20 meq/100 gr). Tiene pocas cargas negativas variables que, en este caso, dependen del pH del medio por lo que pueden absorber pocos cationes. Las láminas que forman la caolinita están íntimamente mediante puentes de hidrógeno. A.2) Halosita. Se diferencia de la caolinita por la presencia de una capa de moléculas de agua entre láminas unidad por enlaces de hidrógeno. Ello determina un aumento del espacio basal a 10 Å. Con el calentamiento del agua desaparece de forma irreversible dando lugar a la llamada metahalosita. A.3) Montmorillonita o Esmectita. Es una arcilla tipo TE-OC-TE (2/1), con una relación sílice-alúmina de 4. Se caracteriza por tener sustituciones isomórficas, tiene cargas negativas tanto en la parte superior e inferior como en los laterales y en el espacio interlaminar. El espacio basal es variable entre 10 y 19 Å (pueden hincharse). Posee una alta capacidad de intercambio catiónico. Es una arcilla que se expande en húmedo y se contrae en seco, por lo que en los suelos en los que abundan estos tipos de arcillas se pueden producir las llamadas grietas de retracción, lo que significa que corren peligro los camales de riego, las construcciones, etc., por la repetición de ciclos de expansión/retracción. 2 1 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC En las zonas donde existen periodos alternativos de humedad/sequía a lo largo del año se pueden producir rotura en las raíces de los árboles y actualmente estas arcillas se usan para sellar residuos radiactivos por su poder impermeabilizante. A.3) Micácea o Ilita. Es una arcilla tipo TE-OC-TE (2/1), con una relación sílice-alúmina de 4. Se caracteriza por tener sustituciones isomórficas (el 25% se producen en la capa tetraédrica donde el silicio se cambia por aluminio). El espacio basal es constante e igual a 10 Å (pueden hincharse). Posee una baja capacidad de intercambio catiónico (20-30 meq/100 gr). No es hinchable. Las cargas negativas permanentes van a estar próximas a los espacios interlaminales; además posee cargas negativas variables. Para compensar las cargas negativas en los espacios interlaminares van a absorber cationes de potasio, los cuales van a quedar retenidos por la arcilla con gran intensidad, diciendo que están fijados, es decir, que no son intercambiables ni están disponibles para las plantas. Se dice que las ilitas retrogradan el potasio; en ocasiones en lugar de potasio pueden fijar amonio. A.4) Vermiculita. Es una arcilla muy parecida a la ilita. Se caracteriza por su capa trioctaédrica y también tiene sustituciones en la capa tetraédrica, pero en menor número que la ilita, por lo que las cargas negativas quedan más dispersas. En consecuencia, en el espacio interlaminar pueden absorber otros cationes de distinto tamaño al potasio y pueden hidratarse. Tiene mayor capacidad de intercambio catiónico que las micas. El espacio basal es variable entre 10 y 14 Å (pueden hincharse). Se considera a la vermiculita como una arcilla que procede de la alteración de la ilita, ya que cuando ésta se abre – en condiciones de humedad – pierde cationes potasio y deja entrar otros cationes. En los suelos podemos encontrarlas juntas. A.5) Clorita. Es una arcilla tipo TE-OC-TE OC (2/1/1). La parte TE-OC-TE es una lámina de arcillas micáceas y la capa OC puede ser una capa trioctaédrica 2 2 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC brucítica (con magnesio como átomo central) o bien una capa dioctaédrica gibsíca (con aluminio como átomo central). La capa tetraédrica se une con la octaédrica mediante puentes de hidrógeno (igual que en la caolinita), por lo que la arcilla no se puede hinchar y su espacio basal va a ser constante (14 Å). Su capacidad de intercambio catiónico es tan baja como la caolinita (10 – 20 meq/100 gr). Solamente tiene cargas variables. B) Arcillas polifilitas Se llaman también minerales interestratificados o arcillas mixtas. Aparecen cuando la estructura de la arcilla está constituida por distintos tipos de láminas. La interestratificación puede ser regular o irregular. Las propiedades de este grupo dependen de los tipos de láminas que los constituyan. Según el tipo de láminas los espacios basales serán variables o constantes, lo que las hará expandibles o no, y tendrán mayor o menor capacidad de intercambio catiónico. Lo más frecuente de encontrar en la naturaleza son polifilitas constituidas por asociación de láminas de ilita/vermiculita. C) Silicatos fibrosos o minerales pseudofiliticos. Se trata de arcillas fibrosas que están formadas por láminas largas y estrechas. No se apilan unas láminas sobre otras. La longitud suele ser una característica de cada familia. Las más frecuentes en los suelos son attapulgita y sepiolita. C.1) Attapulgita. También se la conoce como paligorkita. Es una lámina de tipo TEOC-TE de 10 Å de espacio basal donde la capa octaédrica es discontinua. C.2) Sepiolita. Es una lámina de tipo TE-OC-TE asociada a una capa octaédrica de brucita. Su espacio basal es de 12 Å. 2 3 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Edafología y Climatología E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real SBMC D) Alófana. Son silicatos de alúmina hidratados parecidos a las arcillas en su composición pero que son amorfos en lugar de cristalinos. Tienen una capacidad de intercambio catiónico próxima a 70-100 meq/100 gr pero la mayoría de las cargas negativas son variables que dependen del pH del medio. Además, bajo determinadas condiciones pueden generar cargas positivas, en lugar de negativas, con lo cual pueden absorber aniones nutritivos para las planta, poseyendo, en este caso, capacidad de intercambio aniónico. 2 4 Tema 2: “Composición mineral del suelo” Esquema de los principales tipos de arcilla de los suelos Minerales secundarios Disposición de los cationes cambiables y no cambiables para tres tipos de arcilla
