NotasGeocientficas

Boletn de GeologaVol. 26, No. 43, Julio-Diciembre de 2004

CARACTERIZACIN DE DOS ARCILLAS COLOMBIANAS PORDIFRACCIN DE RAYOS X Y SU RELACIN CON ASPECTOS DE

ORIGEN Y TRANSFORMACIN

Carriazo, J.1; Molina, R.1; Moreno, S.1

1 Centro de Catlisis Heterognea. Departamento de Qumica. Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Colombia. Bogot-Colombia.Autor de correspondencia: jcarriazog@unal.edu.co

RESUMEN

Dos arcillas naturales procedentes del departamento de Crdoba (Colombia) fueron purificadas mediante tcnicasconvencionales que incluyen separacin mecnica y tratamientos qumicos. Los materiales se caracterizaron por difraccinde rayos X (DRX) y por anlisis qumico. Uno de estos materiales se identific como una arcilla esmecttica, mientras queel otro mostr caractersticas vermicultico-aluminosas. El mayor contenido de cationes sodio en la primera arcilla es unfactor determinante que explica la mayor capacidad de expansin de este material. La presencia de pequeas impurezasde cuarzo, illita, calcita, caolinita y posibles materiales alofnicos, reflejan los ambientes de origen y meteorizacin de losminerales primarios y sugieren, que la formacin de las arcillas caracterizadas en el presente trabajo, fue el resultado de latransformacin de minerales micceos.

Palabras clave: Arcillas, minerales de arcilla, esmectita, caracterizacin de arcillas, meteorizacin.

CHARACTERIZATION OF TWO COLOMBIAN CLAYS BY X-RAY DIFFRACTION AND THEIRRELATIONSHIP WITH ORIGIN AND TRANSFORMATION ASPECTS

ABSTRACT

Two natural clays extracted from soils of Colombia (department of Crdoba) were purified by means of conventionalmethods which include operations of mechanical separation and chemical treatments. The obtained materials werecharacterized by X-ray diffraction (XRD) and elemental chemical analysis. One of these materials was identified as asmectite type clay, whereas the other material showed characteristics of aluminous vermiculite type clay. The greatersodium cations content in the first clay than in the second clay is a determining factor to explain the difference onexpansion capacity between these materials. The presence of small quantities (impurities) of quartz, illite, calcite,kaolinite and the possible presence of allophonic material reveal the origin and weathering environments of the primaryminerals and suggest the formation of the characterized clays from the transformation of micaceus minerals.

Keywords: Clay, clay minerals, smectite, characterization of clays, weathering.

144144144144144

Caracterizacin de dos arcillas colombianas por difraccin de rayos X y su relacin con aspectos de origen y transformacin

INTRODUCCION.

Las arcillas tienen gran importancia en la agricultura yen general en las ciencias del suelo. Estos materialesdeterminan en gran parte la fertilidad de los sueloscontrolando la disponibilidad de nutrientes (catinicosy aninicos) mediante reacciones de intercambio inico,as como tambin condicionan la retencin de agua ylas propiedades de textura.

El trmino arcilla se refiere a la fraccin de suelo contamao menor a 2 micras, cuya composicincomprende especies de naturaleza qumica diversa:minerales de arcilla (filosilicatos cristalinos, FIGURA1), aluminosilicatos amorfos (alofana), xidos ehidrxidos metlicos, carbonatos, sulfatos, materiaorgnica, entre otros. Los minerales de arcilla sonesencialmente aluminosilicatos hidratados quepertenecen a la familia de los filosilicatos (Newman,1987; Mott, 1988). tomos de magnesio o hierro puedensustituir al aluminio en grado variable. Los cationesalcalinos y alcalino-trreos se encuentran comnmentecomo iones de compensacin de carga sobre lasuperficie del mineral (Grim, 1953). Todas estascaractersticas permiten tener una amplia variacin enla composicin qumica de los minerales de arcillas, locual determina gran en parte el comportamiento qumicodel suelo.

Origen de los filosilicatos.

Las arcillas, y por tanto los minerales de arcilla, sonproducto de los procesos de meteorizacin de rocas.La meteorizacin conduce a una variacin en cuanto ala composicin y al tamao de las rocas y mineralesque sufren este proceso; dichos procesos dedegradacin se ven favorecidos por factores de tipofsico, qumico y biolgico.

MATERIALES Y MTODOS.

Se extrajeron dos arcillas naturales del departamentode Crdoba (Colombia). Las arcillas (denominadas enadelante G y R) provienen de las localidades de SanSebastin y Cienaga de Oro, respectivamente.Ambas muestras fueron purificadas empleandomtodos convencionales (Kunze, 1965): separacin dearenas y limos, disolucin de sales solubles y carbonatos,remocin de materia orgnica, remocin de xidos dehierro libre y separacin de fracciones por tamao de

partcula (mediante centrifugacin a diferentesvelocidades) para obtener partculas menores a 2micras.

Caracterizacin de las muestras.

El anlisis qumico elemental de las arcillas se llev acabo empleando la tcnica de fluorescencia de rayosX, en un equipo SDX, Siemens SRS 330.

La capacidad de intercambio catinico (CIC) sedetermin empleando una solucin de acetato de amonio2M, a temperatura ambiente y con intercambio concada material durante 12 horas. Luego, las muestrasse lavaron con agua destilada, hasta que las solucionesquedaron libres de acetato. Finalmente el contenido deamonio en las muestras se determin por microKjeldahl.

Los anlisis de difraccin de rayos X se desarrollaronen un equipo Brucker AXS D5005, provisto de unantictodo de Cu (radiacin K). La suspensin dearcilla se deposit sobre una placa de vidrio para obteneruna pelcula orientada (tcnica de placa orientada) yluego, se sec a 70C. Igualmente, se tomaron losdifractogramas de las muestras tratadas con solucinde etilenglicol, despus de ser secadas a temperaturaambiente y ser calentadas a 300C.

RESULTADOS Y DISCUSION.

Los resultados del anlisis qumico de las arcillasnaturales son presentados en la TABLA 1. Lacomposicin qumica de las arcillas est en el rango delos valores reportados por Newman (1987 ) y Besoain(1985) para algunas esmectitas sdicas. Estosresultados sugieren que las arcillas G y R sonesmectitas. Igualmente se puede notar una diferenciasignificativa en el contenido de ciertos componentesmenores como hierro, magnesio y sodio, siendo mayorla cantidad de sodio en la muestra R que en la G, lacual a su vez posee mayor contenido de Mg.

Los resultados de capacidad de intercambio catinicomuestran valores relativamente bajos (53 y 87 meq/100g para R y G, respectivamente) con respecto aaquellos usualmente reportados para arcillas tipoesmectita. Dichos valores probablemente se deben ala presencia, sobre ambos materiales, de fasescontaminantes tales como cuarzo, caolinita y calcita,

145145145145145

Carriazo, J.; Molina, R.; Moreno, S.

identificadas por difraccin de rayos X. La arcilla Rtiene una menor CIC que la arcilla G, aunquesemicuantitativamente se calculan porcentajes similaresde esmectita en ambas muestras a partir de losdifractogramas de rayos X, lo que probablementepuede explicarse teniendo en cuenta que la arcilla R,contiene mayor cantidad de minerales amorfos (comopor ejemplo alfanes), los cuales son imposibles dedetectar por difraccin de rayos X (Grim, 1953;Besoain, 1985). Dicho resultado se confirma al someterlas muestras a un proceso de desgasificacin a 200C

y en atmsfera de nitrgeno, revelndose una mayorprdida de agua para la arcilla R (3.4%) que para laarcilla G (2.8%) lo cual, en principio, debe estarrelacionado con la presencia de materiales alofnicos(Russell y Fraser, 1994).

Los patrones de difraccin de rayos X de las muestrasR y G (FIGURA 2) revelan seales caractersticaspertenecientes a arcillas tipo esmectita, como tambinseales caractersticas de fases contaminantes,principalmente caolinita (d: 7.20 , 4.45 , 3.52 ,

Cationes de intercambio

d001

Aluminio

Silicio

Oxgeno

Hidroxilo

Cationes de intercambio

FIGURA 1. Esquema de un mineral de arcilla tipo 2:1.

Arcilla Al2O3 SiO2 Fe2O3 MgO Na2O CaO CuO

R 20,2 45,6 6,9 1,8 3,9 0,1 0,06

G 20,8 46,6 9,3 2,3 1,6 0,1 0,06

TABLA 1. Composicin qumica (%) de las arcillas naturales.

146146146146146

Caracterizacin de dos arcillas colombianas por difraccin de rayos X y su relacin con aspectos de origen y transformacin

2.28 , 1.67 ) y cuarzo (d: 4.27 , 3.35 , 2.45 ).Los resultados de difraccin de rayos X estn deacuerdo con los reportados en la literatura para unaarcilla tipo esmectita (Grim, 1953; Besoain, 1985;Brown, 1961; Moore and Reynolds, 1997) y confirmanlas conclusiones preliminares obtenidas por anlisisqumico elemental.

Los patrones de difraccin de rayos X de las arcillas Ry G saturadas con solucin de etilenglicol y luego

secadas a temperatura ambiente evidencian unaimportante diferencia. Los espaciados basales (d001)de R y G fueron de 17.5 y 13.0 respectivamente(FIGURA 3). Estos resultados indican que la arcilla Rposee una mayor capacidad de expansin que la arcillaG, lo cual est de acuerdo con el anlisis qumico quemuestra un mayor contenido de sodio para la arcilla R;como catin sodio tiene un mayor radio de hidratacinque el magnesio (Jolivet, 1994), se facilita la capacidadde expansin de la arcilla.

G S am ple

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2 theta scale

Inte

nsity

(a

. u

)

MK

M M

K

M Q

k

M

Q

MM

Q C C C KM

R sam ple

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2 theta scale

Inte

nsi

ty (

a.

u)

M

K

M M

K

MQ

K

M

Q

M

M

Q

C

C

K MC

Arcilla R

Arcilla G

FIGURA 2. Difractogramas de las arcillas naturales R y G. M = esmectita, K = caolinita, Q = cuarzo, C = calcita.

147147147147147

Carriazo, J.; Molina, R.; Moreno, S.

Por otra parte, los resultados de difraccin de rayos Xde las muestras con etilenglicol y tratadastrmicamente permiten identificar plenamente el tipode arcilla, puesto que puede existir dificultad en losanlisis de rutina para distinguir las montmorillonitasde algunos tipos de clorita que muestran expansin de14 a 17 despus de la glicolacin (Brown, 1961;Moore y Reynolds 1997). La distincin puede hacerseevaluando el comportamiento de las muestras cuandose calientan a 300C (Moore y Reynolds, 1997); si laarcilla es una montmorillonita, colapsa a 10 (d001)despus del calentamiento, pero si la arcilla es unaclorita, se obtiene un espaciado de 14. Thorez (2003)aplica un procedimiento similar al anterior paradiferenciar esmectitas de vermiculitas y cloritas, el cualconsiste en observar los espaciados d001 de la arcillaen tres condiciones: natural (sin ningn tratamiento),saturada con etilenglicol y calcinada. La secuenciasimple de identificacin (natural glicolada calcinada)es la siguiente:

As, en los ensayos realizados con las arcillas R y G,ambas colapsaron a 10 despus del tratamiento conetilenglicol y calentamiento a 300C. Estos resultadosconfirman que la arcilla R efectivamente es unaesmectita, mientras que la arcilla G, (con etilenglicol~13 ) probablemente ha sido producto de un procesode vermiculitizacin durante la meteorizacin de losminerales. Sin embargo, los resultados del anlisisqumico muestran porcentajes altos de almina y

porcentajes bajos de hierro y/o magnesio propios deesmectitas. Aunque la divisin entre esmectitas yvermiculitas es un tanto arbitraria, dicho resultadopodra indicar que lo ms probable, es que la arcilla Gse haya formado como vermiculita dioctadrica(vermiculita aluminosa) (Thorez, 2003). Igualmentelas DRX revela una pequea fraccin illtica (figura 3)en ambos materiales, R y G (secuencia: 10 10 10 en la metodologa de Thorez, 2003), lo cual indicaque ambos, son producto de la alteracin(meteorizacin) de minerales micceos.

La presencia de materiales primarios como cuarzo eillita, refleja la degradacin de las rocas inicialesmediante procesos de meteorizacin, portransformacin. La presencia de illita refleja la alteracingradual de materiales micceos hasta sutransformacin en minerales esmectticos. Laformacin de esmectita o vermiculita (aluminosa) estrelacionada con la presencia de cationes como magnesioy calcio en las rocas parentales que dieron origen aestas arcillas. La presencia de calcita, determinada porDRX, revela la existencia de calcio en los ambientesde origen de estas arcillas. Igualmente, la existenciade materiales tipo esmectita o vermiculita estrelacionada con drenajes pobres en los lugares dondese formaron estos minerales.

La presencia de material alofnico en las arcillas R yG, indica la probable influencia de cenizas volcnicasen los lugares de origen (ms en el material parentalde R que en el de G) bajo condiciones de ambientesrelativamente hmedos.

FIGURA 3. Difractogramas de las arcillas naturales saturadas con etilenglicol (e-g) y calentadas a 300C despus de la saturacin.

2 4 6 8 10 12 14 16

2 theta scale

Inte

nsi

ty (

a. u

)

R with ethylene-glycol

R with ethylene-glycol and heated

2 4 6 8 10 12 14 16

2 theta scale

Inte

ns

ity

(a

. u.)

G with ethylene-glycol

G with ethylene-glycol and heated

R con e-g G con e-g

G con e-g y calentada

Seal de illita Seal de illita

R con e-g y calentada

14 14 14 Clorita

14 14 10 Vermiculita

14 17 10 Esmectita

148148148148148

Caracterizacin de dos arcillas colombianas por difraccin de rayos X y su relacin con aspectos de origen y transformacin

CONCLUSIONES.

Los resultados de difraccin de rayos X y anlisisqumico elemental evidencian que la arcilla R es detipo esmecttico y que la arcilla G, es de carctervermicultico aluminoso, ambos materiales conteniendoimpurezas como cuarzo, caolinita y calcita, y unapequea fraccin illtica, los cuales proporcionaninformacin sobre los procesos de degradacin de losmateriales parentales y las condiciones ambientales delos minerales. El origen de estas arcillas (R y G) pareceestar relacionado estrechamente con rocassedimentarias que mediante procesos de meteorizacinpor transformacin permitieron la formacin de estosminerales.

REFERENCIAS

Besoain, E. (1985). Mineraloga de Arcillas de Suelos.Instituto Interamericano de Cooperacin para laAgricultura, San Jos de Costa Rica, p p. 392-397.

Kunze, G. W. (1965). Pretreatment for mineralogicalanalysis. In: Methods of Soil Analysis. Part 1, ed. 5.Edited by: Black, C. A., American Society of AgronomyInc. Publisher, U.S.A., 1205p.

Brown, G. (1961). The X-Ray Identification andCrystal Structures of Clay Minerals. MineralogicalSociety, London, 544p.

Grim, R. (1953). Clay Mineralogy. McGraw-Hill,U.S.A., 384p.

Jolivet, P. J. (1994). De la Solution Loxyde. InterEditions (CNRS Editions), Paris, 387p.

Moore, D. M.; Reynolds, R. C. (1997). X-RayDiffraction and the Identification and Analysis of ClayMinerals. Oxford University Press, New York, 378p.

Mott, C. J. B. (1988). Clay Minerals. An Introduction.Catalysis Today, 2, 199-208.

Newman, A. C. D. (1987). Chemistry of Clays andClay Minerals. Min. Soc., U.S.A., 480p.

Russell, J. D.; Fraser, A. R. (1994). Infrared Methods.in: Clay Mineralogy: Spectroscopic and Chemical

Determinative Methods (M. J. Wilson, editor).Chapman and Hall, London, 367p.

Thorez, J. (2003). Practical XRD analysis of clayminerals. Seminario-taller (volumen 1). UniversidadNacional de Colombia, Bogot, pp. 36-47.

Trabajo recibido: Abril 13 de 2004Trabajo aceptado: Junio 15 de 2004

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Carriazo, J.; Molina, R.; Moreno, S.

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