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COPYRIGHT 2006 Acedemia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
Resumen
Los diferentes componentes de las cenizas volcanicas no tienen igual susceptibilidad a meteorizarse, ello es evidente por los resultados obtenidos en esta investigacion. Se tomaron fragmentos de matriz (FM), vidrios volcanicos coloreados (VVC) y vidrios volcanicos incoloros VVI) y se sometieron a disolucion durante 625 dias en acido humico (AH), en agua acidulada (AA) y en acido oxalico (AO). Se observo que los FM presentan mayor superficie especifica, mayor superficie de reaccion, mayor numero de rasgos de alteracion superficial y producen mayores cantidades de iones de [Al.sup.3+], [Si.sup.4+] y [Fe.sup.3+], por ende, son los mas susceptibles de ser meteorizados, siguen a estos los VVC y luego los VVI. Durante la experimentacion (625 dias), la mayor disolucion se produce a un rango de pH entre o.0-7.2; de los tres reactivos, el AH es el que mas disuelve a los materiales seguido por el AA o el AO que se comportan de manera diferente, durante el primer y tercer ciclo la relacion es: AH>AA>AO, en el segundo ciclo la relacion es: AH>>AO>AA.
La mayoria de los valores experimentales obtenidos de la disolucion se ubican dentro del campo de estabilidad de la imogolita. Al disminuir la actividad del [H.sub.4]Si[O.sub.4] y el pH, se posibilita en algunos casos, la formacion de gibsita y el sistema se acidifica. Cuando disminuye la actividad del [H.sub.4]Si[O.sub.4] y aumenta la del [Al.sup.3+], unos pocos valores se mueven hacia los valores teoricos de la actividad de la haloisita. A medida que aumenta la actividad del [H.sub.4]Si[O.sub.4] y disminuye la del [Al.sup.3+] los valores se acercan hacia los valores teoricos de la actividad de la imogolita, mineral que presenta la menor relacion de actividades, es el mas estable, el que menos se disuelve y presenta menor energia libre. Los diversos reactivos tienen un efecto particular sobre las velocidades de disolucion de los FM, los VVC y los VVI y en la produccion de los iones [Al.sup.3+]. [Si.sup.4+] y [Fe.sup.3+]. En los tres ciclos, los FM liberan iones de [Al.sup.3+]y [Si.sup.4+] a una velocidad mayor que la de los VVC y la velocidad de este es mayor que la de los VVI. Las velocidades para liberar [Fe.sup.3+] son mas altas en los VVI y en los VVC que en los FM.
Palabras clave: Cenizas volcanicas, fragmentos de matriz, vidrios volcanicos, aluminio, silicio, hierro.
Abstract
The results found in this research evidence a different weathering susceptibility of three volcanic ash components in the Andean soils and paleosoils of the Colombian Central Mountain Range. The matrix fragments (FM), the colored volcanic glasses (VVC) and the colorless volcanic glasses (VVI) components were subject to solution in humic acid (AH), acid water (AA) and in oxalic acid (AO) during 625 days. At the end of this period it was found that the FM components are the most susceptible to be chemically weathered because they presented the largest specific surface and reaction surface as well as the largest number of superficial alteration features, and the largest [Al.sup.3+]. [Si.sup.4+] and [Fe.sup.3+] ion quantities; they were followed by the VVC and then the VVI.
During the time of experimental dissolution (625 days), the largest dissolution takes place at a pH range of 6.0-7.2. The AH is the most powerful of the three reagents, depending on the cycle it will be followed either by the AA of the AO: during the first and third cycles the relationship is AH>AA>AO, in the second one is AH >> AO>AA.
During the component dissolution, most of the experimental values took place in the Imogolite stability field. When the [H.sub.4]Si[O.sub.4] activity and the pH were diminished, the formation of Gibsite could occur, and the system was acidified. If the [H.sub.4]Si[O.sub.4] activity diminishes and the [Al.sub.3+] one increases, some values shifted towards the Haloisite activity theoretical values. When the activity of the [H.sub.4]Si[O.sub.4] increases and the Al~| diminishes, the values came closer to the Imogolite activity theoretical values: this last mineral exhibits the smallest activity relationship, therefore it is the most stable, less dissolved and with the smaller free energy. The reagents used have a particular effect on the speed of the FM, VVC and VVI dissolution rates and on the [Al.sub.3+], [Si.sub.4+] and Fe3+ ion production. In the three cycles, the [Al.sub.3+] and [Si.sub.4+] ion production was higher in the FM component followed by the VVC and by the VVI. The production speed of [Fe.sup.3+] is higher in the VVI and in the VVC than in the FM component.
Key words: Volcanic ash, matrix fragments, volcanic glass, aluminium, silicon, iron.
Introduccion
"La meteorizacion del vidrio volcanico, tiende a producir compuestos amorfos entre los productos de meteorizacion, los cuales estan influenciados por la calidad de los vidrios (acidos y basicos), el regimen de temperatura y humedad, la pendiente y el drenaje, Figura 1.
[FIGURA 1 OMITIR]
Los vidrios volcanicos han sido considerados en su conjunto, aceptando la condicion de que, aunque su calidad impone diferencias en el grado de meteorizacion, los productos (materiales amorfos) tienden a ser iguales". Pese a esta consideracion, los autores de esta investigacion consideran que:
"Los fragmentos de matriz, provenientes de los materiales volcanicos de la Cordillera Central colombiana son mas influyentes en la formacion de materiales no cristalinos (n.Si[O.sub.2][Al.sub.2][O.sub.3].n.[H.sub.2][O.sup.+]) ya que aportan mayores cantidades de [Al.sup.3+], [Si.sup.4+] y [Fe.sup.3+] que el vidrio volcanico".
La composicion quimica de los FM, de los VVC y de los VVI, indica que los tres materiales contienen concentraciones apreciables de Si y Al, hecho que los coloca dentro del grupo de materiales alumino-silicatados. Un analisis quimico inicial realizado a estos tres materiales arrojo que los VVI presentan el mayor porcentaje de Si (31.62%) y el menor porcentaje de Al (6.84%), por el contrario, los FM presenta el mayor porcentaje de Al (8.17%) y el menor porcentaje de Si (24.11%). Los VVC se ubican en la parte media tanto por el contenido de Al como por el contenido de Si (7.8% y 25.75%, respectivamente).
Los VVI contienen concentraciones apreciables de potasio (K) y sodio (Na) (3.61% y 3.42%, respectivamente) y en tal sentido, son seguidos de los FM en los contenidos de K (2.18%) y de los VVC en los contenidos de Na (3.29%). De estos tres materiales, los VVC son los que mas porcentaje de hierro (Fe) (1.92%), seguidos de los FM (1.42%) y de los VVI (0.78%); los FM contienen altos porcentajes de Ca (2.18%), este elemento, en los VVC y en los VVI solo esta presente en porcentajes muy inferiores al 1% (0.67% y 0.06%, respectivamente); igualmente, el Cu, Zn, Mg y Mn son reportados en concentraciones menores al 1%.
En cuanto a los contenidos de oxidos totales, estos materiales contienen altos porcentajes de Si[O.sub.2] y [Al.sub.2][O.sub.3], hecho que permite clasificarlos dentro del grupo de los alumino-silicatos. Las concentraciones de [Al.sub.2][O.sub.3] con respecto al Si[O.sub.2] se presentan en una relacion 1 a 5 en los VVI (12.92% y 67.64%, respectivamente) y, de 1 a 3 en los FM y en los VVC (15.43%, 51.57% y 14.73%, 55.08%, respectivamente).
El [Na.sub.2]O y el [K.sub.2]O es relativamente bajo, las proporciones para el [Na.sub.2]O son las siguientes: los VVI tienen el de mayor porcentaje (4.61%), luego estan los VVC (4.43%), y por ultimo, los FM (3.22%). Para el [K.sub.2]O el mayor porcentaje lo presentan los VVI (4.60%), luego los FM (2.62%) y, por ultimo, los VVC (2.09%). Los VVC y los FM presentan porcentajes muy cercanos de [Fe.sub.2][O.sub.3] (2.74% y 2.03%, respectivamente) y ligeramente mayores que las reportadas para los VVI (1.11). Los demas oxidos tienen porcentajes relativamente bajos, pero mayores en los FM, luego en los VVC y, por ultimo, en los VVI.
La mayoria de las rocas magmaticas de la tierra estan constituidas, en mas de 90% del peso, por silicatos; en poco porcentaje de peso pueden participar oxidos de Fe y de Ti, en menor porcentaje, se presentan fosfatos de calcio y otros materiales. En general, la composicion de dichas rocas es Si[O.sub.2], Ti[O.sub.2], [Al.sub.2][O.sub.3], [Fe.sup,2]+[O.sub.3], [Fe.sup.2]+O, MnO, CaO, [Na.sub.2]O, [P.sub.2]O, [P.sub.2][O.sub.5], C[O.sub.2], S[O.sub.3] y [H.sub.2]O. En tal sentido, Harker (1909), distingue dos grandes grupos de rocas uno de composicion netamente alcalina y otro de composicion netamente subalcalina. Para Holmes (1921), las rocas calcoalcalinas se caracterizan porque durante todo el proceso de evolucion magmatica el contenido en Mg y Fe va disminuyendo progresivamente. Fenner (1929), dice que existen series subalcalinas en las que en los primeros momentos de evolucion magmatica el contenido en Fe aumenta, mientras el contenido en Mg disminuye, para despues incrementar en alcalis y disminuir en Fe y Mg, denominandose serie toleitica.
En la actualidad, la clasificacion de las rocas volcanicas se establece, en primer lugar, atendiendo al contenido de Si[O.sub.2], y en este caso se divide en: Ultrabasicas: con contenidos de Si[O.sub.2] [K.sub.2]O) y rocas volcanicas de potasio ([Na.sub.2]0-1,5<[K.sub.2]O). De acuerdo con esta clasificacion todas las rocas volcanicas con menos de 1,5% de elementos alcalinos pertenecen a las rocas volcanicas de potasio. Teniendo como referente esta clasificacion se ubican los valores de oxidos totales obtenidos experimentalmente para clasificar los materiales de interes. La suma de [Na.sub.2]O+[K.sub.2]O versus Si[O.sub.2], en los VVI fue de 8.96% y 67.64%, respectivamente, lo que permite ubicarlos dentro del campo de los traqui-daciticos, muy cercano al campo riolitico, muy acidos tal como se puede observar en la Figura 2. En los VVC la suma de [Na.sub.2]O+[K.sub.2]O es igual a 6.52% y el Si[O.sub.2] de 55.08%, lo que permite ubicarlos dentro del campo de los basaltos traqui-andesiticos. En los FM, la suma de [Na.sub.2]O+[K.sub.2]O es de 5.84% y el Si[O.sub.2]de 51 .57%, permitiendo ubicarlos como traqui-basaltos, los materiales tienen contenidos de silice superiores al 50%, lo que hace que sean considerados desde todo punto de vista como rocas intermedias a acidas, clasificacion que concuerda con los indices de refraccion medidos en los VVI y en los VVC por Florez (2001), como VVI rioliticos con indices de refraccion entre 1.48 y 1.51 y como VVC andesiticos con indice de refraccion entre 1.51 y 1.53. Los contenidos de [Na.sub.2]O+[K.sub.2]O para los tres materiales mayores del 5% les da un ubicacion preferente en el diagrama. La composicion del VVC es muy cercana a la composicion de los FM y la composicion de estos dos se aleja bastante de la del VVI.
[FIGURA 2 OMITIR]
Materiales y metodos
La solubilidad de los FM, de los VVC y de los VVI, se evalua a traves de la medida de dos variables maestras: pH y conductividad electrica y tres variables de control: aluminio (Al), silicio (Si) y hierro (Fe) que se constituyen en las variables respuestas. Para ello se modelo un diseno experimental completamente al azar de efectos fijos y de arreglo factorial 3 (2).
Previamente se requirio montar un experimento prueba de disolucion con reemplazos, con los tres materiales (FM, VVI y VVC) y los tres reactivos (AH, AA y AO), durante 30 dias, con el objetivo de observar diariamente el comportamiento del pH y de la (CE) y los cambios que permitieran definir estados de equilibrio, precipitacion o disolucion. Con los datos obtenidos de pH y CE, se realizaron dos graficas: pH vs Tiempo y CE vs Tiempo; en estas graficas se encontraron dos cambios importantes en la pendiente de las curvas, los cuales coincidian entre si para los tres minerales. Estos cambios permitieron definir tres zonas con comportamientos diferentes, la primera, con una pendiente del 50% definida con los datos tomados entre el dia 1 y 11; la segunda, con una pendiente del 30%, definida con los datos tomados entre el dia 12 y 21 y la tercera, con una pendiente del 12%, definida con los datos tomados entre los dias 22 y 30. Con base en la pendiente observada en cada zona en el experimento prueba, se definieron tres ciclos en la periodicidad de muestreo. Para la zona de mayor pendiente (la primera) se adjudico el mayor numero de muestreo, en este caso muestreos cada cinco dias, para la segunda zona, un muestreo menor, cada 10 dias y, para la menos pendiente el menor numero de muestreo, cada 15 dias. Estos muestreos se relacionaron con dos aspectos importantes, el primero tenia que ver con la periocidad de las lluvias en el tropico, con lo cual se quiso simular el efecto de la lluvia bajo tres escenarios: 1) una lluvia intensa y abundante en un periodo de maxima precipitacion (lluvias con igual intensidad y frecuencia durante el invierno simulado por muestreos cada cinco dias). El segundo tuvo que ver con la residencia en el suelos de un cation o de un anion producido por la meteorizacion in situ de los minerales del suelo y bajo lavado permanente (los muestreos indican maximos y minimos de precipitacion y su influencia sobre el lavado de los nutrientes del suelo) la permanencia de un fertilizante, por ejemplo, en el suelo sometido a lavado El muestreo del experimento completo se realizo durante 625 dias, definidos asi:
El primer ciclo: Tuvo una duracion de 225 dias, en el se muestreo cada 5 dias, obteniendo 45 muestras. El segundo ciclo: Para este ciclo la duracion fue de 220 dias, en el se muestreo cada 10 dias, obteniendose 22 muestras. El tercer ciclo: Fue...
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