Genesis of quartz in Mediterranean soils

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.