2.- LAS ROCAS 2.1 LAS ROCAS Las rocas son mezclas físicas de minerales, y sus propiedades derivan de los tipos que las componen. 2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS Las rocas se clasifican de acuerdo a su origen. Una determinada roca puede convertirse en otra diferente, dependiendo de las condiciones a que esté sometida. Es así que se diferencian tres grupos de rocas: - ROCAS ÍGNEAS - ROCAS SEDIMENTARIAS - ROCAS METAMÓRFICAS 2.1.1.1. ROCAS ÍGNEAS Las rocas ígneas tienen origen en el enfriamiento y solidificación de una masa líquida e incandescente con alto contenido de silicio (Si), que se denomina magma, proveniente de la profundidad de la Tierra y que cristaliza para formar los diversos minerales que la constituyen. Cabe notar que la corteza terrestre se creó a partir del enfriamiento del magma líquido. Asimismo, cada vez que hay una ruptura o erupción de un volcán, se derrama y expande el magma lo cual forma nuevas rocas aunque no son las mismas que formaron la corteza en un principio, debido a que varía la asociación de minerales que presentarán. Estas rocas, de acuerdo a cómo haya sido su enfriamiento se dividen en intrusivas (enfriamiento dentro de la corteza), y extrusivas (enfriamiento sobre la superficie). 1
2.2.1.1.1.1. ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS O PLUTÓNICAS Las rocas ígneas de carácter intrusivo, son las que se originan por un enfriamiento lento dentro de la corteza terrestre y sometidas a presiones elevadas, dando lugar a rocas bien cristalizadas, ácidas, de grano grueso, de alta dureza y muy resistentes a la meteorización. Estas rocas son las más antiguas y muy ricas en mineral de cuarzo. El tipo de roca más abundante es el granito, constituido en su mayoría por minerales como cuarzo, feldespato y mica. 2.1.1.1.2. ROCAS ÍGNEAS EXTRUSIVAS O EFUSIVAS Estas rocas se forman a partir de un rápido enfriamiento, a presión atmosférica, que se produce cuando el magma sale a la superficie. Eso da lugar a rocas totalmente diferentes, casi sin cristalizar y de menor dureza como es el caso de las lavas basálticas (zona de basalto) y de las riolitas (cerro Arequita). 2.1.1.2. ROCAS SEDIMENTARIAS La formación de las rocas sedimentarias parte de la meteorización física y química de las rocas ígneas. Los sedimentos originados por este fenómeno se erosionan y son transportados para acumularse en zonas depresivas de la corteza terrestre denominadas cuencas. Estos sedimentos se estratifican y quedan expuestos a procesos de compactación y cementación llamado Litificación Las rocas sedimentarias pueden ser de origen mecánico. Se forman debido a sedimentos que han soportado grandes presiones laterales y sobrecarga, producida por glaciares o depósitos. Ejemplo: areniscas, limonitas. O de origen químico. En este caso actúan elementos cementantes como la sílice, el carbonato de calcio, los óxidos de hierro, etc. Ejemplos: calcita, dolomita, areniscas silicificadas. El grupo más grande de rocas sedimentarias son las silíceas (Areniscas, lutitas, argilitas, etc.). 2
2.1.1.3. ROCAS METAMÓRFICAS El calor y la presión al operar sobre rocas ígneas y sedimentarias forman las rocas metamórficas, una de cuyas características más visible y frecuente es la esquistosidad El gneiss es una roca metamórfica bandeada o laminada de composición mineralógica similar al granito. Los micaesquistos son foliados y de grano fino; se alteran rápidamente a través de los clivajes originando suelos ricos en vermiculita y cuarzo. Las pizarras se producen por compresión y alteración de esquistos y lodos, formándose rocas de grano fino con mica y cuarzo. El mármol es una caliza metamorfoseada, en tanto que la cuarcita es arenisca metamorfoseada y enriquecida en sílice intersticial, lo que la hace una de las rocas más resistentes a la meteorización. Otras rocas metamórficas importantes aunque de menor ocurrencia son las anfibolitas, esquistos anfibólicos y cloritoesquistos. 2.2.- LOS MINERALES 2.2.1.- DEFINICIÓN: Un mineral es una sustancia inorgánica natural, con propiedades físicas definidas como lo son su color, dureza, densidad, etc. Desde el punto de vista químico es un compuesto homogéneo con una composición química determinada y una estructura interna específica. Existen miles de minerales diferentes formando parte de las rocas. Desde el punto de vista agronómico, la cantidad de minerales que interesan se reduce a unas pocas decenas, que por sus propiedades o por su abundancia relativa son relevantes en la formación de los suelos y en las características de los mismos. 2.2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES A los efectos de su estudio los minerales se clasifican en base a diferentes criterios. 2.2.2.1. CLASIFICACIÓN DE H. STRUNZ (1938) Divide a los minerales en 9 clases. CLASE Nº DE ESPECIES EJEMPLOS ELEMENTOS NATIVOS 50 ORO, COBRE, HIERRO, AZUFRE SULFUROS Y AFINES 300 PIRITA, GALENA, ARGENTITA HALOGENUROS 100 FLUORITA, SILVINA OXIDOS E HIDRÓXIDOS 250 CUARZO, HEMATITA, GOETHITA NITRATOS, CARBONATOS 200 CALCITA, DOLOMITA, NITRATINA SULFATOS 200 YESO FOSFATOS 350 APATITO, PIROMORFITA SILICATOS 500 FELDESPATOS, MICAS SUST. ORGÁNICAS 20 AMBAR 3
Dentro de cada una de estas clases se contemplan una serie de divisiones denominadas tipos, grupos, series, familias y especie. 2.2.2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES SEGÚN SU ORIGEN Esta clasificación considera dos grupos: - Minerales primarios - Minerales secundarios 2.2.2.2.1 MINERALES PRIMARIOS: Proceden directamente del magma. Se encuentran en el suelo de la misma manera que en la roca original. La alteración sufrida ha sido solo física (cambio de tamaño). Si bien dentro de estos minerales se distinguen varios grupos, desde el punto de vista edafológico importan fundamentalmente dos: El grupo de los Silicatos, (por su abundancia) y el de los Fosfatos, (por ser fuente de fósforo). M INERALES PRIM ARIOS SILICATOS TECTOSILICATOS CUARZO FELDESPATOS FILOSILICATOS FOSFATOS MICAS ARCILLAS Los minerales primarios, heredados de la roca parental, constituyen la mayor parte de las fracciones arena y limo de los suelos. Para cada suelo, el contenido de arena (partículas de 2 a 0,05 mm de diámetro) está determinado por la historia sedimentológica del material parental, en tanto que el de limo (0,05-0,002 mm) depende del efecto combinado de la meteorización y la sedimentación. El contenido de arena más limo controla entonces el contenido de minerales primarios en el suelo. No obstante, debe señalarse que es posible la ocurrencia de minerales primarios en la fracción arcilla del suelo (partículas de diámetro menor a 0,002 mm), en el caso de suelos jóvenes y poco meteorizados. En el Uruguay el contenido de minerales fosfatados es muy bajo, por consiguiente la mayor parte de los suelos tienen un nivel de fósforo bajo a muy bajo. Eso explica la poca presencia de leguminosas en el tapiz natural ya que éstas son muy exigentes en fósforo asimilable. En cambio hay abundancia de gramíneas, las cuales pueden desarrollarse con poco fósforo. 4
2.2.2.2.2 MINERALES SECUNDARIOS: Se originan a partir de la alteración, meteorización, de los minerales primarios. Entre los grupos más abundantes y de mayor significación agronómica se distinguen los grupos de los Carbonatos, Oxidos de hierro y el de los Silicatos secundarios. A diferencia de los minerales primarios, los minerales secundarios son aquellos que se forman en el ambiente superficial (ambiente de formación del suelo), a bajas presiones y temperaturas y en medio acuoso (Ford, 1984). Los minerales arcillosos aparecen en el suelo porque fueron heredados directamente como tales del material parental o por mecanismos de alteración física, química y estructural, vinculados a los procesos de meteorización de las rocas y minerales. M INERALES SECUNDARIOS SILICATOS SECUNDARIOS CAOLINITA ILLITA MONTMORILLONITA CARBONATOS CALCITA DOLOMITA OXIDOS DE HIERRO HEMATITA GOETHITA LIMONITA FIGURA Nº 1 COMPOSICIÓN MINERALÓGICA DE LAS FRACCIONES INORGÁNICAS DEL SUELO 5
Desde el punto de vista mineralógico, existen ciertas relaciones generales entre las fracciones granulométricas del suelo y los minerales que las componen (Fassbender, 1975) tal como puede observarse en la Figura Nº 1. En general, se cumple que en las fracciones de menor tamaño del suelo (tamaño menor a 0.002 mm) dominan los minerales secundarios mientras que en las fracciones de mayor tamaño dominan los minerales primarios. Sin embargo, esto no implica que no existan excepciones; así, es común encontrar algunos minerales primarios en las fracciones más finas, tal es el caso de la presencia de cristales de cuarzo de muy pequeño tamaño en la fracción arcilla de numerosos suelos. En la figura Nº 1 también puede observarse la mayor proporción de silicatos tanto primarios como secundarios sobre otros minerales constituyentes del suelo. Los minerales arcillosos son los minerales secundarios más abundantes en los suelos de las regiones de clima templado y por eso se enfatizará su estudio. Los óxidos, si bien se encuentran presentes en casi todos los suelos, solamente son abundantes en aquellos formados en climas tropicales (lateritas y similares). Los carbonatos son frecuentes en muchos suelos de zonas secas y subhúmedas, a veces en todo el perfil, pero sobre todo en horizontes profundos (C). Lo mismo ocurre en algunos suelos de climas más húmedos, como en Uruguay, desarrollados sobre sedimentos calcáreos o algunos otros materiales que liberan CaCO3 durante la meteorización. ACLARACIÓN ENTRE LOS TÉRMINOS ARCILLA Y MINERAL ARCILLOSO En Edafología el término arcilla hace referencia a un tamaño de partículas, comprendiendo a aquellas de menos de 2 μm (0.002 mm) de diámetro. En los climas templados, esta fracción se encuentra formada mayoritariamente por minerales arcillosos, aunque también es posible encontrar algunos minerales primarios y otros minerales secundarios como óxidos y carbonatos. IMPORTANCIA DE LOS MINERALES ARCILLOSOS Los minerales arcillosos son constituyentes esenciales en los suelos de las regiones templadas e influyen en la mayoría de sus propiedades, por lo cual poseen un enorme significado en la vida vegetal. Algunas propiedades del suelo directamente vinculadas a los minerales arcillosos son: Propiedades físicas: Granulometría Retención de agua. Conductividad hidráulica (permeabilidad). Infiltración. Consistencia. Propiedades químicas: Capacidad de intercambio de iones. Acidez del suelo. Poder buffer o tampón de los suelos. Fijación y disponibilidad de nutrientes para las plantas. Propiedades biológicas: Formación de complejos órgano - minerales. Regulación del hábitat de los microorganismos. DEFINICION DE LOS MINERALES ARCILLOSOS Desde el punto de vista químico, los minerales arcillosos se clasifican como silicatos secundarios, es decir que son sales con estructura cristalina. Los principales cationes que los componen además del Si 4+ son: Al 3+, Fe 3+, Mg 2+, K +, Na + y Ca 2+. 6
En la clasificación estructural de los silicatos, los minerales arcillosos se ubican dentro de los filosilicatos por la disposición laminar o en hojas de los cationes y aniones que los componen y son muy semejantes a las micas o filosilicatos primarios. Otra característica de los minerales arcillosos es su baja cristalinidad la cual se manifiesta en imperfecciones de la red cristalina. Además, sus cristales en general no crecen más allá de unos pocos micrómetros siendo sólo visibles con microscopio electrónico, por lo que su tamaño de partícula así como sus propiedades los ubican dentro del rango de los coloides. Por su estructura laminar y por el pequeño tamaño de partícula, los minerales arcillosos presentan una gran superficie por unidad de peso expuesta al contacto con el medio (superficie específica), siendo ésta una de sus principales características. ESTRUCTURA DE LOS MINERALES ARCILLOSOS En la estructura cristalina de estos minerales se distinguen dos unidades fundamentales Los tetraedros formados por cuatro oxígenos con el catión Si4+ en el centro Y Los octaedros de oxígeno y oxidrilos, al centro de los cuales se pueden encontrar cationes diversos, principalmente Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, etc. TETRAEDRO OCTAEDRO 7
CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES ARCILLOSOS SEGÚN SU ESTRUCTURA De acuerdo al tipo y cantidad de capas que formen la estructura de los minerales arcillosos, estos se clasifican en: MINERALES ARCILLOSOS DE ESTRUCTURA TIPO 1:1 Estos minerales están formados por una capa tetraédrica y una octaédrica La especie de mayor importancia como componente de suelos es la caolinita, la cual aparece casi como único mineral arcilloso en muchos suelos de regiones tropicales y subtropicales. Es común encontrarla asimismo en algunos suelos del Uruguay, a veces como dominante pero más frecuentemente como accesoria. CAOLINITA Es el mineral arcilloso de estructura y composición química más simple. La estructura se conforma por el apilamiento vertical de capas tipo 1:1, es decir, capas formadas por una lámina tetraédrica y una lámina octaédrica que se unen al compartir los oxígenos apicales de la lámina tetraédrica. Las capas estructurales sucesivas se unen enérgicamente mediante puentes de hidrógeno desarrollados entre los oxígenos basales de la lámina tetraédrica y los oxidrilos de la lámina octaédrica, dejando un espaciado basal característico de 7 Å, Presenta Si 4+ en la lámina tetraédrica y Al 3+ en la octaédrica, no presentando casi sustituciones isomórficas, por lo cual la carga neta se considera de valor cero. Sin embargo, la existencia de defectos reticulares y la existencia de grupos funcionales capaces de disociar iones H+ origina algunas cargas negativas en las partículas, lo que permite que la caolinita presente cierta capacidad de intercambio catiónico. PRINCIPALES PROPIEDADES DE IMPORTANCIA AGRONÓMICA Las propiedades más importantes de la caolinita, del punto de vista agronómico, son las enumeradas seguidamente y de las que dependen a su vez propiedades importantes de los suelos y las prácticas de manejo más adecuadas para su uso productivo. Espaciado basal fijo, por lo cual este mineral se presenta como no expansible, debido a la difícil penetración de moléculas de agua en la intercapa dada la existencia de puentes de hidrógeno. Superficie específica muy baja, del orden de 30 800 m2 g-1, debido a su gran tamaño relativo y a que las superficies de intercapa no son "activas". Esta propiedad le confiere una baja "reactividad" con el medio. Muy baja carga negativa estructural, no originada por sustituciones isomórficas sino por imperfecciones de la estructura, que le otorga a este mineral una muy baja capacidad de intercambio catiónico. La CIC varía en el entorno de 3 15 meq/100 grs. según varios autores. MINERALES ARCILLOSOS DE ESTRUCTURA TIPO 2:1 Los minerales que comprenden este tipo de estructura presentan, en general, dos capas tetraédricas y una capa octaédrica. En Uruguay se encuentran dos minerales que son muy comunes en sus suelos: MONTMORILLONITA e ILLITA MONTMORILLONITA La característica distintiva de la montmorillonita es la expansión reversible (aumento del espaciado basal) de la red mineral al adsorber agua y moléculas orgánicas en la intercapa. Esta expansión se da con mayor intensidad que en otros grupos de minerales y constituye la base de su diferenciación. La estructura se conforma por el apilamiento vertical de capas de tipo 2:1. La lámina tetraédrica está compuesta casi exclusivamente por tetraedros con Si4+ como catión central, aunque puede ocurrir un pequeño porcentaje de sustitución de este catión por Al3+, no superior al 5%. Las láminas octaédricas son de tipo dioctaédrico, en las que ocurre el mayor desbalance eléctrico de la estructura por sustitución de parte de los cationes Al3+ por Mg2+ o por Fe2+, esta sustitución puede alcanzar un promedio de 20%. 8
Presenta un espaciado basal variable de acuerdo con la cantidad de cationes solvatados y de agua que exista en la intercapa. Los cationes mencionados son fundamentalmente Ca2+ y Na+, los cuales entran en la intercapa para compensar déficit de cargas generados por sustituciones isomórficas en la red cristalina y pueden moverse con relativa facilidad desde la intercapa a la solución del suelo dada la poca energía con la cual se encuentran adsorbidos. PROPIEDADES DE IMPORTANCIA AGRONÓMICA Al igual que en el caso de la caolinita, la montmorillonita presenta un conjunto de propiedades de gran importancia agronómica. En aquéllos suelos arcillosos donde este mineral sea dominante presentarán como característica una alta capacidad de agrietarse cuando secos y expandirse cuando húmedos. Esta propiedad es debida a la expansión de la red por moléculas de agua. Alta superficie específica, debido a su pequeño tamaño relativo y a que la superficie de intercapa es "activa" a diferencia de lo que ocurre en la caolinita. Alta carga negativa estructural o permanente originada principalmente por sustituciones isomórficas en la capa octaédrica (Al3+ por Mg2+) la cual es compensada por cationes solvatados que pueden intercambiarse con los de la solución del suelo con relativa facilidad. La capacidad de intercambio catiónico de la montmorillonita es de 80 100 cmol Kg-1. CONDICIONES DE FORMACIÓN La formación de montmorillonita se limita a ambientes con adecuado abastecimiento de cationes alcalinotérreos (Mg2+, Ca2+) y hierro, drenaje limitado y pendientes muy suaves. Puede originarse por transformación a partir de la meteorización de las micas primarias (muscovita, biotita), o por neoformación a partir de materiales básicos (ej. basalto). ILLITA Son minerales formados por el apilamiento de capas de tipo 2:1. Presentan Al3+ como único catión octaédrico, y el origen de la carga reticular se encuentra en las sustituciones isomórficas de Si4+ por Al3+ (aproximadamente 20%) que ocurren en los tetraedros. Este déficit de carga es compensado por la entrada de potasio en la intercapa, el cual no se mueve con facilidad hacia la solución del suelo al contrario de lo que ocurre con los cationes compensantes en las intercapas de la montmorillonita. El espaciado basal de la illita es de 10 Å. Estos minerales no presentan la capacidad de expandirse y contraerse como los montmorilloníticos. PROPIEDADES DE IMPORTANCIA AGRONÓMICA La illita posee propiedades específicas de importancia que se reflejan en los suelos en que ocurre dicho mineral, uno de los más frecuentes en los suelos del Uruguay, lo que pone de relieve su importancia agronómica. La presencia de potasio en la intercapa provoca que las illitas sean no expansibles, pues las capas permanecen fuertemente unidas a través de este "cemento iónico" (Jackson, 1965). El potasio se fija debido a que se encuentra muy cercano al lugar de descompensación de cargas y porque por su tamaño y su baja carga no se solvata y se ajusta en cambio muy bien al tamaño de intercapa ocupando las cavidades que se forman entre tetraedros opuestos. Menor superficie específica con relación a la montmorillonita, debido a que la superficie de intercapa prácticamente no puede considerarse activa debido a la presencia de potasio "fijado". Menor carga negativa estructural si se compara con la montmorillonita, originada en sustituciones isomórficas en las capas tetraédricas. Esta carga es compensada por iones potasio que se comportan como difícilmente intercambiables con los cationes de la solución del suelo. Los suelos con arcillas illíticas tienen una muy buena reserva de potasio que puede liberarse en el mediano plazo pero que resulta difícilmente intercambiable a corto plazo con los cationes de la solución del suelo. CONDICIONES DE FORMACIÓN Se deriva comúnmente de la transformación de micas primarias, por pérdida de potasio desde los espacios de intercapa hacia la solución del suelo, con lo cual se inicia una progresiva apertura de las intercapas. 9
BIBLIOGRAFÍA: Material resumido de los teóricos sobre composición del suelo dictados por el Ing. Agr. MsC Artigas Duran. Cátedra de Edafología UDELAR. Montevideo-Uruguay 2004. Manual del Curso de Suelos del Uruguay. UDE. FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS. 10