Download Propiedades magnéticas de los suelos: origen, significado y

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