ROCAS Y MINERALES suelo corteza

ROCAS Y MINERALES
El suelo se encuentra sobre la corteza terrestre, esta corteza ocupa
aproximadamente los 40 km superiores de la tierra. La corteza a su vez cubre al manto
(tiene un espesor de 2900 km) constituido por material pétreo y plástico. A su vez el
manto cubre al núcleo exterior y este último cubre finalmente al núcleo interior (la
distancia desde el suelo hasta el centro del núcleo interior es de 6450 km, por tanto esta
distancia corresponde a el radio de la tierra.
La corteza terrestre se forma por los movimientos, distorsión, ruptura y dislocación
de las rocas; por la actividad ígnea que genera y mueve materiales en fusión y
redistribuye fragmentos desintegrados de rocas corticales.
Se cree que el calor generado en el manto es el causante de la movilización de la
corteza y la conformación de los continentes. El calor presente en la actividad ígnea se
produce por la radioactividad y fricción entre bloques corticales en movimiento en el
manto, lo cual provoca que algunas rocas de la corteza se fundan, ayudando a conservar
el manto parcialmente fluido. El peso de la corteza, comprime a los materiales fundidos y
provocan que suban por grietas o fracturas corticales. Parte de estos materiales se
enfrían y solidifican en las grietas, otros salen a la superficie como erupciones
volcánicas. Estos materiales calientes y fluídos son conocidos como magma cuando se
ubican por debajo de la superficie y se denominan lava (cuando sobre salen a la
superficie terrestre) durante y después de las erupciones.
Los materiales rocosos se pueden forman por un proceso de depositación llamado
agradación. El otro proceso formador de rocas se denomina degradación en el cual se
destruye y remueve a los materiales rocosos. Dentro de esta dinámica se origina la
corteza terrestre y se forman las rocas y minerales.
Las rocas son mezclas de minerales consolidados por un proceso natural.
Los minerales son compuestos inorgánicos que tienen una composición y
propiedades físicas más o menos definidas.
De los 92 elementos químicos que se conoce de su existencia en la corteza
terrestre, se puede determinar que la combinación de estos genera hasta 2000 minerales
en la corteza. Sin embargo, pocos son los elementos y los minerales importantes en la
formación de los suelos.
Los principales elementos que constituyen a la corteza terrestre son el oxígeno “O”
(46.6 %); sílice “Si” (27.7 %); aluminio “Al” (8.1 %); hierro “Fe” (5 %); calcio “Ca” (3.6 %);
sodio “Na” (2.8 %); potasio “K” (2.6 %) y magnesio “Mg” (2.1 %).
ROCAS.
El término material parental se usa para designar a las rocas a partir de las cuales
se originan los suelos.
Las rocas pueden dividirse en tres grandes clases de acuerdo a su geo-historia y
modo de formación, como sigue:
1) Rocas Igneas (formadas por magma solidificado).
2) Rocas Sedimentarias (formadas por sedimentos consolidados y no
consolidsados).
3) Rocas Metamórficas (se producen por la transformación de rocas ígneas o
sedimentarias).
A nivel mundial las rocas dominantes son las Igneas y en México predominan las
sedimentarias.
Cuadro.- Extensión territorial aproximada de las rocas sedimentarias, ígneas y
metamórficas en México (Ortiz, 1982).
CLASE
EXTENSION TERRITORIAL (%)
Rocas sedimentarias.
64
Rocas ígneas.
32
Rocas metamórficas.
4
Descripción y denominación de las rocas.
LAS ROCAS IGNEAS.- Se forman por la solidificación, ya sea, de un magma dentro
de la corteza terrestre (intrusivas) o de una lava sobre la corteza terrestre (extrusivas).
Las rocas ígneas intrusitas son generalmente pesadas y duras y las extrusivas
pueden ser desde pesadas y duras hasta ligeras y fragmentadas o pulverulentas, las
rocas ígneas se localizan donde la corteza terrestre se ha fracturado.
LAS ROCAS SEDIMENTARIAS.- Constituyen las capas superiores de la corteza
terrestre, que es donde ocurre su meteorización (intemperismo), erosión y
depositación. Estas rocas pueden encontrarse casi en cualquier lugar y están
formadas por:
1) Materiales Sueltos, constituidos por partículas minerales depositadas en la
superficie o en el agua y posteriormente compactadas y cementadas, también son
conocidas como rocas clásticas.
2) Compuestos Precipitados cristalinos provenientes del agua de mar.
Las rocas sedimentarias se presentan usualmente en capas o estratos.
LAS ROCAS METAMORFICAS.- Son rocas ígneas o sedimentarias que han sufrido
una transformación (metamorfismo) por el calor interno, presión y penetración de
fluídos, sin llegar a fundirse. Se forman en lo profundo de la corteza, especialmente
en zonas donde se desarrollan montañas y posteriormente quedan expuestas por la
erosión. La mayoría son duras y a excepción del mármol, son químicamente
resistentes.
Cada clase de roca se divide en tipos específicos como se muestra a continuación:
Cada tipo de de roca está constituído por diversos minerales:
También existe información sobre la composición mineralógica de las rocas según
Clarke (1924), quién trabajó con rocas ígneas y Jeffries (1947) que trabajó con rocas con
rocas sedimentarias, sus resultados de investigación se muestran a continuación,
(cuadro 3.6).
Comber (1960) cuantificó en porcentaje la composición elemental de rocas ígneas y suelos
formados a partir de ellas (cuadro 3.7).
Nótese que durante la formación del suelo (de roca a suelo), se provoca una disminución de los
macronutrimentos fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg) y una aumento de micronutrimentos hierro
(Fe) y manganeso (Mn) en el caso de basalto.
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MINERALES.
Se conocen actualmente más de 3.000 especies de minerales.
Cada mineral principalmente se caracteriza particularmente por presentar una composición
química, una estructura cristalina y propiedades físicas definidas, lo cual hace que se diferencien los
diferentes grupos de minerales.
Las principales características que distinguen a los minerales son: su composición química, el
tipo de cristal, la dureza y la apariencia (color, brillo y opacidad). En general los minerales son
sustancias sólidas, siendo los únicos líquidos el mercurio y el agua.
Los minerales habitualmente se encuentran en corteza terrestre. Sólo unos cuantos minerales
integran a la mayoría de las rocas.
Los minerales de acuerdo a su origen, se clasifican en primarios y secundarios. Los minerales
primarios se forman a partir del enfriamiento y solidificación del material magmático y los minerales
secundarios provienen del intemperismo químico de los minerales primarios menos resistentes. En la
figura 3.3 se ilustra la estabilidad relativa al intemperismo de minerales primarios.
Una descripción de los principales minerales se reporta a continuación:
A) MINERALES PRIMARIOS (originales).
1. Cuarzo : (constituídos por Si02).
Es el más común de los minerales formadores del suelo, por ser muy duro y tener baja
solubilidad. Constituye alrededor del 13% de la corteza terrestre y en un suelo promedio puede
constituir del 30 al 40%. El cuarzo no contribuye con nutrientes para las plantas en el suelo.
2. Feldespatos : (Son aluminio-silicatos con bases de K, Na y Ca).
Constituyen el 60% de la corteza terrestre. Como consecuencia del intemperismo químico
forman minerales de la arcilla. La plagioclasa se intemperiza más fácilmente que la ortoclasa. La
albita es una plagioclasa. La ortoclasa (KAlSi308) es una fuente importante de K (macronutrimento
para las plantas).
3. Anfíbolas y Piroxenas : (Son silicatos de Ca, Mg y Fe (con algo de Al).
Este grupo constituye el 16% de la corteza terrestre. Se intemperiza más fácilmente que los
feldespatos. Pueden persistir en los suelos como gravas de color obscuro. La horblenda es una
anfíbola de color negro con ruptura precisa. La augita es una piroxena de color claro con ruptura
no precisa.
4. Micas : (Son aluminosilicatos con bases de K, Mg Y Fe).
Se intemperizan fácilmente y forman minerales de arcilla. Si persisten en los suelos son
reconocidos por su brillo. Algunos ejemplos de micas son: la muscovita (mica incolora) la cual
contiene más potasio (K) que la biotita (mica negra), la cual contienen más hierro (Fe) y magnesio (
Mg).
5. Carbonatos : (Presentan el anión CO3)
Comúnmente se encuentran en las calizas y en el mármol. La calcita (CaC0 3) es un mineral
relativamente soluble. Tiene un crucero perfecto y efervesce fácilmente con ácidos fríos. La
dolomita CaMg(CO3)2 es menos soluble que la calcita. Efervesce sólo ligeramente en ácidos fríos
y tiene un crucero no muy preciso.
6. Apatita : (Tiene la siguiente fórmula (Ca 3P2O8)3 . Ca F2 Cl
Es la fuente original de prácticamente todo el fósforo (P) del suelo. Existe en granos
diminutos en muchas rocas. La apatita es soluble en ácidos.
En el cuadro 3.8 se reportan los minerales más comunes, junto con su fórmula molecular y
velocidad de intemperización.
B) MINERALES SECUNDARIOS
1. Yeso : Presenta la fórmula Ca SO4 . 2 H2O
Se forma por la evaporación del sulfato de calcio contenido en las aguas que lo contienen
disuelto. Es un mineral muy suave y se intemperiza fácilmente. Se acumula sin embargo, en
grandes cantidades en las regiones semi-áridas. El yeso puede ser mineral primario o secundario.
2. Oxidos de Fe :
Muchos de los óxidos de Fe se forman a través del intemperismo químico. La hematita
(Fe203) es responsable de la coloración roja en muchos suelos. La limonita (Fe203 . 3 H20 ó FeO .
OH . nH20) proporciona un color amarillo al suelo.
3. Minerales de Arcilla :
Los minerales de la arcilla tales como la kaolinita (H4Al2Si209) son altamente coloidales. Son
formados en primer término, por el intemperismo químico de los minerales primarios. Los
minerales de la arcilla no suministran nutrientes directamente para las plantas pero tienen la
capacidad de adsorber o retener iones nutrientes en sus superficies. Son una parte de los
materiales física y químicamente activos en los suelos.
Con la información proporcionada, podríamos entender, por una parte, que el conocimiento
de las rocas y minerales que las integran, nos conduciría a la definición de los elementos
presentes, útiles para el desarrollo de los cultivos; lo anterior es parcialmente cierto, sobre todo,
desde un punto de vista cualitativo. Cuantitativamente resulta difícil saber, qué cantidad de un
elemento de interés, presente en una roca, quedará en el suelo (el cual a partir de ella “rocas” se
forma). Por otra parte el conocimiento de las rocas no sólo se basa en su química sino también en
su constitución física y en relación a ésta, se han mencionado datos sobre la velocidad y
resistencia al intemperismo de diferentes minerales. La resistencia al intemperismo trae como
consecuencia un diverso tamaño de las partículas dominantes presentes en los suelos. Por
ejemplo, cuando el cuarzo está presente, como tiene gran resistencia al intemperismo, es de
esperarse que se preserve en la mayoría de los procesos de desintegración y aparezca finalmente
como arena (partículas con un diámetro mayor a 50 µ “micras”), aunque partículas de cuarzo
pueden encontrarse en los limos (partículas de 2 a 50 µ “micras”). Mientras que los silicatos al ser
sometidos a hidratación convergen como producto terminal (participan formando) a las arcillas
(partículas con diámetros menores a 2 µ “micras”). Ejemplos de rocas ígneas que ilustran lo
anterior son el Basalto y el Granito. El Basalto está formado por silicatos principalmente sin cuarzo,
de tal manera que los suelos derivados de este tendrán arcillas y limos. El granito por su parte
contiene: cuarzo y feldespato ortoclasa, junto con micas (esto es Sílice y silicatos), que producirán
arenas, limos y arcillas.
Brade-Birks (1962) hizo una representación diagramática que resume lo expuesto y se
presenta en la figura 3.4.
Los Minerales de la Arcilla.
Los procesos químicos del intemperismo son mucho más importantes en la formación de
las arcillas. Por su tamaño, las arcillas (diametro menor a 2 µm) son consideradas como coloides
y como tales nos interesan dos de sus propiedades, específicamente su carga eléctrica (la cual es
principalmente negativa) y su gran superficie específica.
Todos los coloides se cargan eléctricamente, las arcillas y en general los coloides del suelo
están cargadas en forma negativa. De tal forma que atraen cationes y si recordamos a los
nutrientes esenciales para las plantas, la mayoría son elementos de carga positiva (K +, Ca++,
Mg++) o tienden a formar radicales positivos (NH 4+). Esto da por resultado que muchos de los
nutrientes estén retenidos por arcillas o coloides del suelo y dada su cercanía y/o contacto directo con
las raíces de la planta es posible que se provoque un intercambio de nutrimentos con las raíces, es por
esto que estos minerales son de gran importancia.
Por otra parte la otra propiedad fundamental de la arcillas es que poseen por su menor tamaño
una mayor superficie específica, dando por resultado que las arcillas expongan mucha superficie
donde pueden realizarse, entre otras, reacciones de intercambio catiónico.
De manera general, son reconocidos dos grupos de arcillas: las silicatadas características de
regiones templadas y las arcillas de óxido e hidróxidos de hierro y aluminio, encontradas en las
zonas tropicales y semitropicales.
A través de los estudios de Rayos X pudo diferenciarse a varios grupos de arcillas y sus
propiedades características. La clasificación de arcillas que adoptaremos se presenta a continuación:
ESTRUCTURA DE LOS MINERALES SILICATADOS DE LA ARCILLA
Generlamente las arcillas son de forma laminar. Esto indica que exponen una gran
extensión de superficie por peso unitario.
Los minerales silicatados de la arcilla son de naturaleza cristalina.
La estructura del cristal se llama látice o retículo que está constituido de dos clases de
estructuras fundamentales: los tetraedros de sílice y los octaedros de alúmina.
Los tetraedros de sílice contienen un átomo de Si rodeado de 4 átomos de oxígeno que
forman las 4 esquinas del tetraedro. El Si ocupa el intersticio del centro. La carga de tal unidad es
-4. La capa tiene una carga negativa neta y su fórmula es n(Si205)2-.
El octaedro está constituido por 6 hidróxilos alrededor de un átomo de Al. Este acomodamiento puede
visualizarse en la forma siguiente: 4 hidróxilos formando un cuadrado. Un octaedro individual tiene la
fórmula AI(OH)3-.
Los octaedros de Al adyacentes comparten hidróxilos comunes para formar una capa de
octaedros en forma similar el comportamiento del oxígeno en la capa tetraédrica del Si.
Como ha sido indicado las arcillas tienen cargas negativas, las cuales atraen cationes y el
número total de cationes retenidos en la superficie de la arcilla, se expresan como meq/100 g de
suelo, a esta propiedad química se les denomina Capacidad de Intercambio Catiónico.
GRUPO DE LA ARCILLA KAOLINITA.
Es la arcilla del tipo 1:1 (contiene un estrato de Si y otro de Al). Su capacidad de intercambio es
reducida, de unos lO meq/100 g de suelo.
GRUPO DE LA ARCILLA MONTMORILLONITA
Este grupo incluye otros minerales silicatados como son la beidellita, nontronita, hectorita y
saponita. Son arcillas de tipo 2:1, el estrato de Al está entre dos estratos tetraédricos de Si. Los O
y radicales OH se comparten en más de una unidad tetraédrica y octaédrica respectivamente, para
formar la sucesión de unidades estructurales.
Este tipo de arcilla se expande y contrae fácilmente al humedecerse y secarse para dar un
efecto de "acordeón". Las partículas tienden a ser más pequeñas que las de la kaolinita y los
suelos con alto contenido de este tipo de arcilla se fisuran (agrietan) al secarse y tienden a ser
impermeables a humedecerse. El suelo exhibe características de plasticidad muy acentuada. Esto
también indica que en la superficie interior y en el exterior de las partículas hay posibilidades de
adsorción del agua y de nutrientes.
La sustitución del Al octaédrico por Mg en el retículo cristalino produce la estructura de la
montmorillonita. Cuando el silicio tetraédrico es substituido por el Al se genera la beidellita. En
cambio cuando el Al octaédrico es substituido por el hierro se tiene la nontronita.
La capacidad de intercambio de cationes de esta arcilla es de unos 100 meq/100 g de material.
La montmorillonita y minerales de este grupo también se encuentran en clima semi-árido de
escasa lixiviación y material rico en cationes básicos principalmente Ca y Mg, en donde el pH es
alcalino.
GRUPO DE LA ILLITA
A este mineral también se le denomina mica hidratada e hidrómica.
Otros minerales de este grupo son la Muscovita, Seladonita, Biotita y Clauconita.
Se indica que el origen de las illitas probablemente procede de las micas por un proceso
químico con pérdida de K. Estos minerales también son de retículo 2:1 donde los iones de K son
alojados en los huecos que dejan los oxígenos de las superficies internas entre unidades con un
retículo cristalino 2:1 parcialmente expandible, tiene una magnitud de eje c de 14 a 15 Armstrong
por lo que se considera en posición intermedia entre la illita y la Montmorillonita, aunque en sus
propiedades de intercambio son diferentes ya que supera a la montmorillonita (150 meq/100 g).
Es un mineral no abundante en los suelos. Ver cuadro siguiente.
Barshad ha indicado que la vermiculita tiene alrededor de 50% más de CIC que la
Montmorillonita. Investigaciones sobre las propiedades del humus muestran que sus
propiedades de intercambio pueden variar de 100 a 300 meq/100 g de material. Las siguientes
capacidades de intercambio son sugeridas para el humus y los minerales arcillosos más
importantes.
INTEMPERISMO FÍSICO, QUIMICO Y BIOLOGICO Y SU RELACION CON LAS
ETAPAS DE FORMACION DE UN SUELO.
Aunque no existe una manera única y ordenada de formación de los suelos, al menos
teóricamente podríamos considerar tres etapas de acuerdo al tipo de intemperismo, de la
siguiente forma: Al quedar expuestas las rocas al ambiente se inicia un proceso de
desintegración (este proceso se denomina intemperismo físico), siguiéndole un
proceso de descomposición (denominado intemperismo químico) y finalmente la
invasión de vegetación ( definido primordialmente como intemperismo bioquímico).
El intemperismo físico es aquel proceso que rompe y desmenusa a la roca y
puede llevarse a cabo por la acción del agua (golpe o choque de agua), la temperatura y
la gravedad, solos o combinados. Por ejemplo, al introducirse agua en una grieta de una
roca y congelarse, incrementará su volumen ejerciendo de esta forma una presión de
hasta 146 Kg/cm2. Lo cual favorecerá la desintegración de la roca. Otro caso puede ser
el calentamiento y enfriamiento, como todos los cuerpos son elásticos. Las rocas y
principalmente los minerales que las integran tenderán a expanderse y contraerse en
forma diferencial, es decir unos más rápidos que otros, lo que origina nuevamente
presiones. De tal manera que al final de esta etapa se tendrían fracciones de roca.
El intemperismo químico corresponde a la siguiente etapa (después del
intemperismo físico) en la formación de suelos, este proceso se efectúa mediante
reacciones como la hidrólisis, la hidratación, la oxidación, la reducción, la carbonatación
y la disolución, que originan cambios de solubilidad o de las estructuras de los materiales
minerales que integran a las rocas.
El intemperismo biológico o bioquímico ocurre finalmente, por la invasión de la
vegetación que produce la aparición de un nuevo material, la materia orgánica que
provoca cambios bioquímicos en el suelo. Además el agua de lluvia al atravesar a estos
materiales provoca migraciones de arcillas y de materia orgánica que dan por resultado
la diferenciación de capas, mejor conocidas como horizontes.
En la Fig. 2.1., se muestra una ilustración de las etapas de formación de un suelo.