Download Propiedades magnéticas de los suelos: origen, significado y
Transcript
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