Genesis of quartz in Mediterranean soils
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Molinero García, AlbertoEditorial
Universidad de Granada
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Ciencias de la TierraDate
2023Fecha lectura
2022-11-11Referencia bibliográfica
Molinero García, Alberto. Genesis of quartz in Mediterranean soils. Granada: Universidad de Granada, 2022. [https://hdl.handle.net/10481/79631]
Sponsorship
Tesis Univ. Granada.; Contrato predoctoral BES-2017-080078. Ministerio de Ciencia e Innovación y la Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI /10.13039/ 501100011033)Abstract
The sand fraction of soil (50-2000 μm) is assumed to be inherited from the parent
rock and has historically been considered useful for the provision of information
about the type of parent material and its degree of alteration. However, there is a
gap regarding the potential of this fraction in pedogenetic studies, since it has
rarely been used as an object of study.
Quartz is an important component of soils and is concentrated in the sand fraction
mainly due to inheritance, both as a clastic constituent from the parent rock by
physical disintegration (fragmentation) or by dissolution (as occurs in carbonate
rocks), as by aeolian inputs to the ground surface. Quartz is one of the chemically
purest minerals in nature, after diamond and graphite. It contains, however, lattice
bound trace elements in low concentrations due to atomic substitution of Si and
interstitial elemental incorporation within the crystal structure. In addition, its high
hardness and low solubility in water makes quartz a very stable mineral facilitating
its enrichment in many sediments and clastic rocks. This enables it to collect and
maintain features acquired by alteration (physical or chemical) and/or
precipitation on its surface, which are used with great efficiency in environmental
interpretations of sediments, soils and materials.
This PhD Thesis evaluates the sand fraction, and the quartz contained in that
fraction, in materials from Mediterranean area. Our work is based on soils
belonging to a chronosequence of the fluvial terraces of the Guadalquivir River,
and on aeolian materials deposited in the south of the Iberian Peninsula. The
main hypothesis is that the sand fraction and its main constituent, mineral quartz,
are indicators of the genesis and origin of soil materials and atmospheric dust
from the Mediterranean environment.
Mineralogical (X-ray diffraction -XRD-), elemental composition (major and minor
including rare earth elements -REE-) (inductively coupled plasma atomic
emission spectroscopy -ICP-AES-, inductively coupled mass spectrometry -ICPMS-,
laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry -LA-ICP-MS,
scanning electron microscope backscattered electron -SEM-BSE-, scanning
electron microscopy–energy dispersive X-ray spectroscopy -SEM-EDX-, variable
pressure scanning electron microscope equipped with an EDX detector, and with a structural and chemical analyzer by Raman spectroscopy -VP-SEM-EDX
Raman-, high resolution transmission electron microscopy –HRTEM-) and
morphological (SEM-EDX, SEM-BSE, scanning electron microscope
cathodoluminescence -SEM-CL-, image anaysis –IA-, on mineral species, mainly
quartz) studies are carried out.
Mineralogy and elemental composition (major and minor including REE, and also
geochemical indices of alteration/evolution) studies have demonstrated the
suitability of the soil sand fraction as a provider of pedogenetic information in
Mediterranean environments, allowing: a discussion of the origin of the different
minerals it contains and, therefore of the soil material; and knowledge of the
pedogenetic alteration suffered by this granulometric fraction and the rate at
which its properties and alteration evolve through the establishment of
chronofunctions. In addition, the study of the quartz trace element content as well
as its crystalline structure, in the soil sand fraction of a chronosequence of the
Guadalquivir River, have made it possible to establish both its lithological origin
(six types of quartz have been distinguished: metamorphic quartz, undeformed
granitic quartz, strongly altered granitic quartz, recrystallised –deformed- granitic
quartz, sandstone quartz and hydrothermal quartz) as its provenance (Iberian
Massif, Betic Cordilleras or Cenozoic Guadalquivir Basin).
The granulometric and compositional characterization (mineralogy, major and
minor chemical elements) of the atmospheric dust (and the iberulites contained
in it) deposited in a Mediterranean environment provides information on its origin.
Atmospheric dust samples were from both local and African sources. According
to their mineralogy, the samples came from both the north-northwest of African
and regional soil sources. Moreover, the morphology of the aeolian quartz grains
is indicative of the origin and the alteration suffered in atmospheric transport. The
quartz grains of African origin, with respect to those of local origin, have the
following properties: a) greater presence of bulbous edges and upturned plates
microtextures on the surface of quartz grains; and b) as regards the quartz shape
parameters, minor values for area, perimeter, maximum feret, minimum feret,
major axis, minor axis, and shape factor, and higher values for aspect ratio.
All the above demonstrate the potential of the sand granulometric fraction as a
pedogenesis informant in Mediterranean soils. In addition, they demonstrate the suitability of mineral quartz as an indicator of origin and alteration both in soils
and in aeolian materials, being able to provide (by itself) information of great
interest for Earth Sciences. La fracción arena del suelo (50-2000 μm) se asume que es heredada de la roca
madre y ha sido considerada históricamente útil para proporcionar información
acerca del tipo de material parental y de su grado de alteración. Sin embargo,
existe un gap de información sobre el potencial de esta fracción en los estudios
pedogenéticos, ya que son pocos los trabajos que la han empleado como objeto
de estudio.
El cuarzo es un constituyente importante de los suelos y se concentra en la
fracción arena debido mayoritariamente a herencia, tanto como un constituyente
clástico procedente de la roca madre por desintegración física (fragmentación) o
por disolución (como ocurre en las rocas carbonatadas), como por aportes
eólicos a la superficie del suelo. El cuarzo es uno de los minerales químicamente
más puros de la naturaleza, después del diamante y el grafito. Sin embargo,
contiene elementos traza en bajas concentraciones debido a sustituciones de Si
y a incorporaciones intersticiales de elementos dentro de la estructura cristalina.
Además, su alta dureza y baja solubilidad en agua hacen que el cuarzo sea un
mineral muy estable facilitando su enriquecimiento en sedimentos y rocas
clásticas. Esto posibilita que el cuarzo recoja y mantenga, en su superficie,
rasgos adquiridos por alteración (física o química) y/o precipitación, los cuales
son empleados con gran eficacia en interpretaciones medioambientales de
sedimentos, suelos y materiales.
La presente Tesis Doctoral evalúa, en materiales del ámbito Mediterráneo, la
fracción arena y el cuarzo contenido en ella. Se trabaja sobre suelos
pertenecientes a una cronosecuencia de las terrazas fluviales del río
Guadalquivir y sobre materiales eólicos depositados en el sur de la Península
Ibérica. La principal hipótesis es que la fracción arena y su principal
constituyente, el mineral cuarzo, son indicadores de la génesis y procedencia en
los materiales de suelos y polvos eólicos del ambiente Mediterráneo.
Se realizan estudios mineralógicos (difracción de rayos-X –DRX-), de
composición elemental (mayores y menores incluidas tierras raras, rare earth
elements -REE-) (espectrometría de emisión por plasma de acoplamiento
inductivo -ICP-OES-, espectrometría de masas de plasma acoplado por inducción -ICP-MS-, espectrometría de masas de plasma acoplado por inducción
con sistema de ablación láser -LA-ICP-MS-, microscopía electrónica de barrido
de electrones retrodispersados -SEM-BSE-, microscopía electrónica de barrido
con microanálisis por dispersión de energías de rayos-X -SEM-EDX-,
microscopio electrónico de barrido de presión variable equipado con
microanálisis EDX, y análisis químico-estructural por espectroscopía Raman -
VP-SEM-EDX Raman-, microscopía electrónica de transmisión de alta
resolución –HRTEM-) y morfológicos (SEM-EDX, SEM-BSE, microscopía
electrónica de barrido con detector de catodoluminiscencia -SEM-CL-, análisis
de imagen –IA-, sobre especies minerales, fundamentalmente cuarzo) para
obtener información sobre la procedencia y génesis tanto de los materiales
edáficos como eólicos.
El estudio de la mineralogía y composición elemental (mayores y menores
incluidas REE, con la ayuda de los índices geoquímicos de alteración/evolución)
han demostrado la idoneidad de la fracción arena, del suelo de ambientes
Mediterráneos, como proveedora de información pedogenética, lo que permite:
discutir el origen de los diferentes minerales que contiene y, por tanto, del
material del suelo; y conocer la alteración pedogenética que sufre esta fracción
granulométrica y la velocidad con que evolucionan sus propiedades y alteración
mediante el establecimiento de cronofunciones. Además, el estudio del
contenido de elementos traza del mineral cuarzo así como su estructura
cristalina, en las arenas de los suelos de una cronosecuencia del río
Guadalquivir, han permitido establecer tanto su origen litológico (se han
distinguido seis tipos de cuarzos: cuarzo metamórfico, cuarzo granítico no
deformado, cuarzo granítico fuertemente alterado, cuarzo granítico recristalizado
-deformado-, cuarzo de arenisca y cuarzo hidrotermal) como su procedencia
(Macizo Ibérico, Cordilleras Béticas y Cuenca Cenozoica del Guadalquivir).
La caracterización granulométrica y compositiva (mineralogía, elementos
químicos mayores y menores) del polvo atmosférico (y de los iberulitos
contenidos en él) depositado en un ambiente Mediterráneo aporta información
sobre su procedencia. Las muestras de polvo atmosférico fueron originadas
tanto en focos locales como africanos. De acuerdo con la mineralogía, proceden
del norte-noreste de África y de suelos regionales. Además, la morfología de los granos de cuarzos eólicos es indicativa de procedencia y de la alteración sufrida
en el transporte atmosférico. Los granos de cuarzo de origen africano, respecto
a los de origen local, presentan las siguientes propiedades: a) mayor presencia
de las microtexturas ‘bulbous edges’ y ‘upturned plates’ en su superficie; y b)
para los parámetros de forma del cuarzo (shape parameters), menores valores
de área, perímetro, feret máximo y mínimo, ‘major axis’, ‘minor axis’, y ‘shape
fator’, y mayores valores para ‘aspect ratio’.
Todo ello ha demostrado la potencialidad de la fracción granulométrica arena
como informadora de la pedogénesis en suelos Mediterráneos, así como la
idoneidad del mineral cuarzo, tanto en suelos como en materiales eólicos, como
indicador de procedencia y alteración, pudiendo por si sólo aportar información
de gran interés para las Ciencias de la Tierra.