Propiedades magnéticas de los suelos: origen, significado y aplicaciones

José TorrentDepartamento de Agronomía

Universidad de Córdoba

Propiedades magnéticas:

•Diamagnetismo

•Paramagnetismo

•Ferromagnetismo

•Ferrimagnetismo

•Antiferromagnetismo

•Superparamagnetismo

Magnitudes magnéticas básicas Magnitud Símbolo Dimensiones

Susceptibilidad magnética (volumen) κ adimensional Susceptibilidad magnética másica χ m3 kg–1

Intensidad de campo magnético H A m–1

Inducción magnética B T (Tesla) = N m–1 A–1

Imantación (magnetización) M A m–1 Imantación de saturación Ms A m–1 ó A m2 kg–1 Remanencia de saturación Mrs A m–1 ó A m2 kg–1 Coercitividad Bc ó Hc A m–1

ó T Coercitividad de la remanencia Bcr ó Hcr A m–1 ó T

B = μ0(H + M)

B = μ0(H + κH)

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

Titanomagnetita 422 — —

Pirrotita (Fe7S8) 32.1 ~80 320

Greigita (Fe3S4) 108 ~125 ~330 aPeters and Dekkers, 2003; bEvans and Heller, 2003.

Ferrimagnéticos:

MagnetitaMaghemita

Antiferromagnéticos:

Hematites (débil ferromagnetismo-spin canting > –15 °C)Goethita

CONCENTRACIONES DE ÓXIDOS DE HIERRO EN ALGUNOS SUELOS

Suelo Goethita Hematites

Magnetita/

Maghemita

‐‐‐‐‐‐ g kg1 ‐‐‐‐‐‐‐ 108 m3 kg1 g kg1

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)

HEMATITES(α-Fe2O3)

GOETHITA (α-FeOOH)Fe3+

– H2O

¡Clima!

Los minerales ferrimagnéticos

MAGNETITA (Fe3O4)

Comúnmente litogénica o “detrítica” pero es, a veces, edafogénica

0.5 mm

MAGHEMITA (-Fe2O3)

Típicamente edafogénica

Pero se requieren condiciones reductorasestacionales

MAGNETITA (Fe3O4)

1. Bacteria magnetotácticas

2. Formación extracellular

3. Rutas inorgánicas

Bacteria magnética terrestre

Cristales de magnetita

Kobayashi 2006

Movimiento de una bacteria magnetotáctica en un campo magnético rotatorio

Estructuras lineales de magnetita en el meteorito ALH84001 (Foto NASA)

Fh

Bajo condiciones rédox cambiantes:

Ferrihidrita (Fh) u otros óxidos

e–Fe2+

O2

Fe3+

LEPIDOCROCITA (γ-FeOOH)

– OH

MAGNETITA (Fe3O4)

MAGHEMITA (γ-Fe2O3)

O2

MAGHEMITA(γ-Fe2O3)

111___

111_ _

111__

111_

011 _

110_

101_

100_

001 _

010 _

RUTAS “CLÁSICAS”:

·Oxidation de magnetita a baja temperatura

•Por fuego (MO + otros óxidos de Fe)

•Deshidroxilación de lepidocrocita (200–300 ºC)

Tiempo de exposición (min)

Susc

eptil

ilida

dm

agné

tica

5 – 15 cm, 600 ºC

5 – 15 cm, 300 ºC

0 – 5 cm, 300 ºC

0 – 5 cm, 600 ºC

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 de dominio simple

Hematites+ ligandos “bloqueantes”(como PO4, citrato o tartrato)

“Hidromaghemita”superparamagnética

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).

Tiempo (días)

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 sonindicadores de la edafogénesis. Un ejemplo clásico del uso de magnitudes magnéticas ha sido la identificación de paleosuelos y, más concretamente, la reconstrucción del ambienteclimático en que se éstos se formaron.

Un clásico ejemplo:

La famosa sección de Luochuan en la meseta de loess de China(modificado de Evans y Heller, 2003)

Luochuan

Susceptibilidad magnéticaSusceptibilidad magnética

Profundidad (m)

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.):

Precipitación media anual (mm)

Susc

eptib

ilida

d m

agné

tica

(m3

kg-1

)

Relación entre susceptibilidad magnética del suelo y precipitación media anual (Balsam et al., Quaternary Science Reviews, 2011)

Relación entre susceptibilidad magnética y precipitación media anual (Balsam et al., Quaternary Science Reviews, 2011) para suelos de zonas tropicales (a) y templadas (b)

Sus

cept

ibilid

ad m

agné

tica

(m3

kg-1

)

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……

Fhferri SP

Minerales primarios con Fe(II)

Ferrihidrita

Hematites

Regímenes de temperatura, y humedad

Temperatura, humedad, ligandos, otros solutos

?

La ruta Fh → FhFerri (ó Mh) → Hm :

Magh? y Fhferri SP y DS

K1

K2

K3 K4

Goethita

Efecto del ambiente edáfico en la relación Hm/FD

Temperaturamedia anual

Régimen de

humedadFed/Fet Hm/FD

Tipo de suelo Área geográfica (ºC) (g /10–7 m3)

Udolls ( sobre pizarras) SW Inglaterra 11 Udic 0.70–0.80 ~1

Ustolls/Ustalfs (Paleosols)

Meseta de loess de China 8 – 12 Ustic 0.25–0.35 2–4

Xeralfs en terrazas fluviales 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