El potencial del magnetismo en la clasificación de suelos: una revisión
The potential of magnetism as a means for the classification of soils: a review
Francisco Bautista1,*, Rubén Cejudo-Ruiz1, Bertha Aguilar-Reyes2, Avto Gogichaishvili2
1 Laboratorio Universitario de Geofísica Ambiental, Centro de Investigaciones en Geografía Ambiental, Campus Morelia, Universidad Nacional Autónoma de México. Antigua carretera a Pátzcuaro No. 8701, Col. Ex-Hacienda de San José de la Huerta, C.P. 58190, Morelia, Michoacán, México.*leptosol@ciga.unam.mx.
]]> 2 Laboratorio Universitario de Geofísica Ambiental, Instituto de Geofísica-Unidad Michoacán, Campus Morelia, Universidad Nacional Autónoma de México. Antigua carretera a Pátzcuaro No. 8701, Col. Ex-Hacienda de San José de la Huerta, C.P. 58190, Morelia, Michoacán, México.
Manuscrito recibido: Julio 15, 2013.
Manuscrito corregido recibido: Enero 20, 2014.
Manuscrito aceptado: Enero 24, 2014.
Resumen
Los óxidos de hierro se encuentran en todos los suelos en cantidades diversas, son utilizados como indicadores de procesos pedogenéticos y reflejan los ambientes de formación del suelo. Por otro lado, estos componentes afectan las propiedades y funciones de los suelos, porque influyen en el color, la agregación, la capacidad de intercambio de cationes y la retención de fósforo en el suelo. Una característica de los óxidos de hierro es la formación de minerales ferrimagnéticos; debido a esto, y mediante la utilización de técnicas magnéticas se pueden identificar algunos procesos pedogenéticos. El objetivo de este trabajo es la descripción de las propiedades magnéticas de los suelos y sus aplicaciones potenciales, como parámetros proxy, en la clasificación de suelos. Se mencionan los portadores magnéticos, las propiedades magnéticas, las formas de análisis y sus aplicaciones. Las propiedades magnéticas de los suelos permiten identificar y cuantificar los minerales magnéticos y relacionarlos con los procesos pedogenéticos. Las mediciones magnéticas son fáciles de realizar y son de bajo costo, lo cual permite realizar el análisis de un gran número de muestras, con lo que es posible la elaboración de mapas de suelos, la identificación de procesos pedogenéticos y el mejoramiento de la clasificación de suelos. En países con alta diversidad edáfica como México, es posible la generación de nuevos tipos de aplicaciones de las propiedades magnéticas de los suelos.
Palabras clave: génesis de suelos, mapas de suelo, procesos edáficos, magnetismo.
]]> Abstract
Soils contain variable amounts of Fe oxides, which may be used as indicators of pedogenic processes and the environments related to soil formation. Also, their presence affects soil properties and functions, because it influences the color, aggregation, cation exchange capacity, and phosphorus retention in soils. Since Fe oxides are ferrimagnetic minerals, pedogenetic processes may be revealed using magnetic techniques. The aim of this study was to describe the magnetic properties of soils and their potential applications as proxy parameters in the classification of soils. We describe and discuss here the main magnetic carriers, their properties, forms of analysis and applications. The magnetic properties of soils may be used to identify and quantify the magnetic minerals. The magnetic measurements are easy, fast and inexpensive, which allows the analysis of a large number of samples, thereby allowing mapping of soils, identification of pedogenic processes and improvements in soil classification.
Keywords: soil genesis, soil cartography, soil process, magnetism.
1. Introducción
Los óxidos de hierro son los óxidos metálicos más abundantes en el suelo (Schwertmann y Taylor, 1989) y son utilizados como indicadores de procesos pedogenéticos (Schwertmann, 1985, 1993) porque se encuentran prácticamente en todos los suelos, en cantidades variables con un intervalo medio de 0.5 a 5% (Bodek et al., 1988; Acevedo-Sandoval et al., 2004). Los óxidos de hierro influyen, en algunos grupos de suelo en particular, en el color, agregación, capacidad de intercambio de cationes, retención de fósforo y la nutrición vegetal (Schwertmann, 1985, 1993; Shewertmann y Taylor, 1989; Acevedo-Sandoval et al., 2004). En la actualidad, la identificación y la cuantificación de los óxidos de hierro, mediante métodos químicos, se dificulta debido a la pérdida de material por los procesos de extracción y purificación de las muestras. La identificación de los óxidos de hierro se realiza comúnmente con técnicas de difracción de rayos X y mediante la micromorfología; sin embargo, se requiere que estos óxidos sean abundantes en la muestra y los cristales sean grandes y bien arreglados. En ese sentido, las técnicas magnéticas pueden ser de gran utilidad en la caracterización de los óxidos de hierro ya que dichas técnicas son altamente sensibles, esto permite identificar y describir los minerales magnéticos, aun cuando se encuentran en concentraciones menores al 1% (Evans y Heller, 2003).
La discriminación entre portadores magnéticos es posible, por el comportamiento magnético que presentan los minerales y que pueden tener los siguientes estados magnéticos: diamagnétismo, paramagnétismo o ferromagnétismo (Babanin, 1973; Babanin et al., 1998; Maher y Thompson, 1999; Roberts et al., 2011).
Una característica de los óxidos de hierro es la formación de minerales ferrrimagnéticos, lo cual les permite: a) registrar los elementos de campo magnético terrestre; y b) registrar cambios climáticos y diferentes procesos ocurridos en la naturaleza (paleosuelos y suelos enterrados, incendios forestales y quema agrícola, entre otros).
Las técnicas magnéticas, particularmente la susceptibilidad magnética, aplicadas al análisis de suelos se han desarrollado y empleado desde la década de los setenta (Opdyke et al., 1972; Barton y McElhinny, 1981); sin embargo, en Latinoamérica, los estudios son aun muy escasos (Carlos et al., 1999; Chaparro et al., 2002, 2008). En México, existen muy pocos trabajos que emplean esta técnica para investigar la génesis de suelos (Ortega et al., 2004; Rivas et al., 2006, 2012), y para estudios de suelos enterrados y paleosuelos (Sedov et al., 2009; Ramírez et al., 2011; Solleiro et al., 2011). Cabe mencionar que otros procedimientos como son: la adquisición de magnetización remanente isotérmica (MRI) y de magnetización remanente anhistérica (MRA), así como la obtención de curvas termomagnéticas, que permite una interpretación más completa de procesos que son registrados en suelos y sedimentos; no han sido utilizadas exhaustivamente.
México como país edafodiverso -por la diversidad de grupos, calificadores primarios y calificadores secundarios de suelo, según el esquema de clasificación de la WRB, 2006- ofrece amplias posibilidades para realizar estudios de las propiedades magnéticas para estudios básicos sobre génesis, clasificación y geografía de los suelos.
]]> El objetivo de este trabajo consiste en describir los tipos y características de los minerales magnéticos y mostrar los beneficios de su uso para estudios de clasificación, cartografía y génesis de suelos.
2. Los minerales magnéticos y sus formas de medición
Existen diferentes estados magnéticos. Los tres primeros incluyen momentos magnéticos alineados paralelamente o anti-paralelamente en ausencia de un campo magnético. Las dos categorías restantes comprenden materiales que son magnéticos sólo en presencia de un campo magnético (Tabla 1).
En el suelo suelen estar presentes todos los minerales magnéticos, excepto los ferromagnéticos. La presencia de minerales ferromagnéticos en el suelo está vinculada con los procesos de contaminación. Las técnicas magnéticas han sido desarrolladas y mejoradas con rapidez, por lo que se han convertido en herramientas muy útiles para interpretar distintos procesos que ocurren en el suelo de manera natural o por contaminación. Los minerales de hierro de manera natural presentan transformaciones debido a las condiciones oxidantes o reductoras en las que se encuentran, lo que da lugar a aumento o disminución de la señal magnética (Figura 1). Bajo condiciones oxidantes y con falta de oxígeno como las que se provocan con el fuego agrícola o por el uso de combustibles fósiles se induce la transformación de los minerales de hierro II a III del tipo de la maghemita (γFe2O3) y magnetita (Fe3O4), lo cual da lugar al aumento de la señal magnética (Maher et al., 2003). En condiciones naturales en sitios no contaminados se ha reportado la transformación de los precursores de la ferrihidrita (5Fe2O3•9H2O) en minerales ferrihidrita ferrimagnética (Michel et al., 2010).
Michel et al. (2010) reportan que una secuencia de transformación de minerales de hierro en suelos puede ser: ferrihidrita → ferrihidrita ordenada ferrimagnética → hematita (αFe2O3) es lenta y consistente pero se ha observado en suelos de las diferentes áreas geográficas (Torrent et al., 2006), esta transformación puede producirse a temperatura ambiente. La mezcla de minerales ferrimagnéticos y hematita (αFe2O3) genera un aumento de la señal magnética en los suelos. También es conocida la formación de minerales ferrimagnéticos por actividad biológica (Maher, 1986; Thompson y Oldfield, 1986).
Una propiedad fácilmente medible y que se emplea en otras partes del mundo para identificar diferentes tipos de materiales magnéticos, es la susceptibilidad magnética (es la capacidad que tiene un material para adquirir una magnetización). En una muestra de suelo, la susceptibilidad magnética medida representa la suma de las susceptibilidades magnéticas individuales de los minerales presentes (ferrimagnéticos, antiferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos) (Tabla 2). Este parámetro magnético nos da información sobre la mineralogía (origen y ambiente de formación), así como de la geoquímica. Los valores de la susceptibilidad magnética son altos y positivos para los materiales ferromagnéticos (Fe puro, Ni, Cr) y ferrimagnéticos (magnetita [Fe3O4], maghemita [γFe2O3], pirrotita [Fe7S8], greigita [Fe3S4], entre otros). Los minerales antiferromagnéticos (hematita [αFe2O3], goethita [αFeOOH]) registran valores medios y positivos, mientras que los minerales paramagnéticos presentan valores bajos, también positivos. Por otro lado, los materiales diamagnéticos (materia orgánica, plásticos, cuarzo [SiO2], alkali-feldespatos [Ca, Na, K, Al silicatos], calcita [CaCO3], entre otros) dan valores bajos y negativos (Tabla 2).
La susceptibilidad magnética volumétrica o másica dependiente de la frecuencia (κdf% y χdf%) se utiliza como indicador de los minerales ferrimagnéticos pedogénicos, infiriendo que los minerales pedogénicos se encuentran predominantemente entre los granos supraparamagnéticos y los granos estables de dominio magnético simple (Lu et al., 2012; Guo et al., 2013).
Las curvas termomagnéticas con un comportamiento irreversible sugieren cambios en la mineralogía magnética producida por el calentamiento (formación de minerales de la serie de las titanomagnetitas o titanomaghemitas). Con las curvas magnéticas de calentamiento permiten inferir la presencia de algunos minerales de hierro, como por ejemplo, la primera disminución de la intensidad entre 100 a 150 °C es característica de la goethita (Hunt et al., 1995; Geiss y Banerjee, 1999); la fase entre 250 a 300 °C se asocia con la presencia de lepidocrocita (γFeOOH) (Thompson y Oldfield, 1986); la fase entre 300 a 350 °C se asocia a las pirrotitas (Maher y Thompson, 1999; Evans y Heller, 2003), la fase entre 500 y 580 °C correspondiente a magnetita o maghemita (Hunt et al., 1995), entre otras.
Las curvas de magnetización remanente isotermal MRI pueden identificar la concentración relativa de minerales ferro-ferrimagnéticos y antiferromagnéticos, en términos de su coercitividad magnética (Evans y Heller, 2003). Si la curva se satura en campos muy débiles y adquiere una intensidad relativamente alta, esto indicará la presencia de material ferromagnético (Fe, Ni, Co), si la señal es más baja pero se satura en campos entre 200 a 300 mT entonces se trata de material ferrimagnético (minerales de la serie titanomagnetita/titanomaghemita) y si la muestra se satura en campos muy altos indicará la presencia de material con componentes antiferromagnéticos (hematita, goethita) (Ma et al., 2013).
]]> El valor de la magnetización remanente isotermal de saturacion del suelo, es dependiente del tipo de mineral, de baja coercitividad (ferrimagnético) o de alta coercitividad (antiferrimagnético). La forma de la curva indica el tipo de mineral predominante (Hao et al., 2012).
3. Clasificación y génesis de suelos
La dinámica de los minerales de hierro y sus propiedades magnéticas permiten su utilización como indicadores de procesos, como la depositación, emisión, intemperismo, absorción, disolución, entre otros, relacionados con el ambiente, ya que los encontramos en las rocas, suelos, cuerpos de agua, atmósfera y biota.
Los minerales de hierro se pueden organizar de manera secuencial considerando sus propiedades magnéticas de mayor a menor valor: hierro metálico>magnetita>maghemita>hematita> goethita>lepidocrocita (Tabla 3).
La magnetita es el producto intermedio esencial del ciclo redox, tiene una magnetización de saturación y un valor de la susceptibilidad magnética varias veces menor que el hierro metálico y cientos de veces mayor que los óxidos de hierro trivalentes e hidróxidos. La magnetita se encuentra de manera natural en la litosfera o se produce por la reducción incompleta de los compuestos de hierro trivalentes durante la calcinación con la materia orgánica o también tiene un origen biogénico (Gladysheva et al., 2007).
El hierro en el suelo suele estar presente como óxidos de hierro (Fe2O3) y como oxihidróxidos (FeOOH), ambos se encuentran en los suelos como cristales aislados muy pequeños, se pueden agregar y revestir a otros minerales o translocarse en el perfil. Los óxidos de hierro se emplean como indicadores de la pedogénesis (Schwertmann, 1985; Schwertmann y Taylor, 1989) por ser productos de neoformación, como es el caso del: oxihidróxido férrico amorfo (Fe2O3• nH2O), maghemita (γFe2O3), lepidocrocita (γFeOOH), hematita (αFe2O3), y goethita (αFeOOH). Estos óxidos pueden llegar a tener diversos tamaños: uno o más centímetros (horizonte plíntico) o muy pequeños (menores de dos micras) como recubrimientos de arcilla o como simples moteados. Por lo que su presencia establece que:
]]> • Cuando dominan sirven para identificar a los horizontes ferrálico, férrico, plíntico, petroplíntico, pisoplíntico, spódico y nítico (Tabla 4) (IUSS Working Group WRB, 2006).• Cuando su presencia es moderada pueden ayudar a identificar algunos horizontes cámbicos, lúvicos así como propiedades ferrálicas, ándicas y vítricas (Figura 2) (WRB, 2006).
• Su ausencia es utilizada en la identificación de horizontes como el álbico, antrácuico, hidrágrico; patrón de coloración gléyico, patrón de coloración stagnico, propiedades albelúvicas y condiciones reductoras (IUSS Working Group WRB, 2006) (Figura 3).
La identificación de los óxidos y los oxihidróxidos de hierro es laboriosa y se dificulta por la escasa cantidad presente en los suelos; las técnicas de identificación son semi-cuantitativas. Para la fracción del tamaño de arcilla se utiliza la difracción de rayos X y para la fracción de tamaños limo y arena la micromorfología (forma y color) con microscopio polarográfico.
El hierro pedogenético ha sido investigado empleando métodos de disolución selectiva, que permiten la estimación de sus cantidades a grosso modo (Shuman, 1985; Parfitt y Childs, 1988; Zhang et al., 1997). El tratamiento con ditionito-citrato-bicarbonato (Mehra y Jackson, 1960) extrae hierro (Fed) de la mayoría de los minerales con hierro pedogenético; esta técnica determina óxidos de hierro lábiles debido a que disuelve los óxidos de hierro de las partículas más finas entre las que se incluyen la maghemita y magnetita (Van Oorschot y Dekkers, 1999, 2001).
El oxalato ácido de amonio (Feo) también disuelve las partículas finas, extrae hierro poco cristalino y pobremente ordenado (Smith, 1994); la velocidad de disolución se puede clasificar de la siguiente manera: en primer lugar las partículas de grano de fino óxidos de hierro > en segundo lugar los granos gruesos de maghemita > y en tercer lugar la magnetita de grano grueso se conserva (Van Oorschot y Dekkers, 2001). Este método tiene un buen potencial como herramienta en el magnetismo edáfico ya que puede ser adecuado para disolver todos los óxidos pedogénicos (óxidos de hierro de grano fino) en la primera etapa de extracción, mientras que la magnetita queda prácticamente intacta (Van Oorschot y Dekkers, 2001).
El pirofosfato de sodio o potasio (Fep) extrae el hierro presente en el suelo enlazado a complejos orgánicos y peptidiza el hierro de partículas finas de la goethita y ferrihidrita (Yuan et al., 1993; Smith, 1994). Algunas relaciones de hierro son usadas para determinar la presencia de estos minerales en el suelo, como: Feo/Fed que es el índice de la proporción de ferrihidrita una medida de la proporción del total de hierro pedogénico (poco cristalino más ferrihidrita); Fe2O3(ditionito)/Fe2O3(total) es una medida de la cantidad total de Fe libre que se hidroliza en ditionito, mientras que la diferencia Fed – Feo es usada para estimar el hierro en la goethita y la hematita (Acevedo-Sandoval et al., 2002, 2004).
A pesar de la gran importancia de los óxidos de hierro edáfico, existen escasos reportes sobre las propiedades magnéticas de los suelos asociadas a los horizontes y por ende a la pedogénesis, algunos de ellos, por grupo de suelo son: Gleysol (Maher, 1986) (Figura 3); Histosol (Feng, 2001), Leptosol (Hanesch et al., 2007; Hannama y Dearing, 2008); Cambisol (Soubrand-Colin et al., 2009), Andosol (Soubrand-Colin et al., 2009), Ferralsol, Acrisol y Luvisol (Alekseeva et al., 2010); Antrosol (Morton et al., 2009; Aguilar et al., 2011) (Tabla 4). Por esta razón es posible deducir que en la caracterización de suelos, algunas técnicas magnéticas podrían utilizarse para identificar horizontes, propiedades y materiales de diagnóstico y mejorar las definiciones de grupos de suelo y sus calificadores primarios y secundarios. Además, en suelos enterrados, paleosuelos y aportes de sedimentos las propiedades magnéticas pueden llegar a ser un proxy confiable, barato y complementario que debe ser explorado (Ramírez et al., 2011).
]]> La susceptibilidad magnética se puede llegar a correlacionar con translocaciones y transformaciones de minerales, lo cual permite la identificación de cambios mineraloógicos y la intensidad de los procesos pedogéticos, tanto en suelos actuales como en suelos enterrados y paleosuelos (Kumaravel et al., 2010; Solleiro et al., 2011). Otras técnicas magnéticas pueden ser utilizadas para mejorar la comprensión de los procesos de formación de suelos, como por ejemplo la identificación del tamaño de grano magnético con la suceptibildad dependiente de la frecuencia y la presencia de minerales ferrimagnéticos con la magnetización remanente isotermal de saturación y la identificación de los minerales ferrimagnéticos con la curvas termomagnéticas.
4. Cartografía
En zonas de alta heterogeneidad edáfica en las cuales se desee hacer agricultura de precisión a nivel parcela (Bautista et al., 2005) es necesario tomar alrededor de 100 muestras con una referencia espacial para posteriormente hacer un análisis espacial utilizando la geoestadística; esta situación a menudo resulta costosa en tiempo y dinero, en este caso, las propiedades magnéticas podrían ser de utilidad ya que es posible analizar una gran cantidad de muestras sin un gran esfuerzo económico; sin embargo, hay que considerar muchas propiedades del suelo no están directamente correlacionados con el contenido de los óxidos de hierro pero al menos pueden ser de utilidad para la elaboración de unidades homogéneas.
Los reportes de estudios de geografía de suelos a escalas de 1:50 000 y 1:250 000 con las propiedades magnéticas son muy escasos (Hanesch et al., 2007; Hannama y Dearing, 2008; Aguilar et al., 2011) (Figura 4); habría que explorar su utilidad por medio de la caracterización de las propiedades magnéticas por grupo de suelo. Dos objetivos podrían ser: a) la evaluación de la medida en que las propiedades magnéticas de una región se pueden asignar a través de un planteamiento análogo tradicional con un mapa previamente elaborado; b) La comparación entre las propiedades magnéticas de los suelos y la verificación de la concordancia entre las fronteras magnéticas y las unidades cartográficas vecinas.
Las propiedades magnéticas de los suelos también han sido utilizadas en las últimas décadas para otros fines, como por ejemplo en la identificación de clases de drenaje; estudios de contaminación de suelos por metales pesados (Gladysheva et al., 2007; Aguilar et al., 2011; Aguilar et al., 2013); en estudios de erosión; uso del fuego en la agricultura (roza, tumba y quema); incendios forestales; y en la identificación de suelos enterrados y paleoambientes (Ramírez et al., 2011; Goguitchaichvili et al., 2013; Guo et al., 2013).
5. Conclusiones
]]> Los parámetros magnéticos, como la susceptibilidad magnética dependiente de la frecuencia, la adquisición de magnetización remanente isotérmica y de magnetización remanente anhistérica, la obtención de curvas termomagnéticas, y el cálculo de algunos parámetros magnéticos como la tasa de MRI/χ y S-200, aplicadas a los suelos permitirán medir la intensidad de las ganancias, pérdidas, transformaciones y translocaciones de los portadores magnéticos a lo largo del perfil, constituyéndose en un proxy valioso en la identificación de procesos pedogenéticos, mediante la caracterización de horizontes, materiales y propiedades de diagnóstico.Las propiedades magnéticas al ser de fácil medición, presentan las siguientes ventajas ante otras técnicas: 1) Se puede hacer un análisis de un número muy grande de muestras y en periodo de tiempo muy corto. 2) Las mediciones magnéticas son altamente sensibles, permitiendo detectar pequeñas variaciones menores al 1% de material magnético presente en la muestra. 3) No se requiere de insumos adicionales para preparar las muestras. 4) La cantidad necesaria para hacer mediciones magnéticas es muy pequeña (20g), por lo que no se requiere de grandes espacios para almacenar muestras.
Con los diversos parámetros magnéticos que se pueden medir, es posible la elaboración de mapas de suelos, clasificaciones de horizontes o bien para realizar monitoreo a bajo costos entre otras aplicaciones.
Agradecimientos
Al CONACYT por el apoyo económico a los proyectos clave CB-2011-01- 1699159; y CONACYT-153289. También a la DGAPA-PAPIIT de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), proyecto IN 223110. B. Aguilar agradece al proyecto PAPIIT IN112113. FRG agradece a la DGAPA-UNAM la beca posdoctoral. A dos revisores anónimos por sus observaciones al manuscrito.
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