Los carbonatos en el suelo pueden ser autóctonos, alóctonos o secundarios, dependiendo de su origen y proceso de formación. aparecen en suelos bajo climas áridos o semiáridos, a menudo sobre rocas carbonatadas (como las calizas), y se acumulan a través de procesos de disolución y precipitación relacionados con el agua y el CO₂. La cantidad y forma de los carbonatos en el suelo están influenciadas por factores como la temperatura, la acidez, la disponibilidad de agua y la actividad biológica.
Los carbonatos del suelo
¿De dónde vienen los carbonatos que encontramos en el suelo?
Los carbonatos del suelo pueden ser autóctonos si se encuentran
en la composición de la roca o el material parental (e incluso pueden haberse
formado in situ a partir de minerales preexistentes) o alóctonos, cuando han
sido transportados por el agua o el viento desde otras áreas. Sin embargo,
cuando han sufrido procesos de disolución en un horizonte y precipitan en otro horizonte (casi siempre inferior) del mismo perfil de suelo, hablamos de carbonatos secundarios.
Las dos españas geológicas
Hablaba Antonio Machado (hijo) de dos españas:
Ya hay un español que quiere
vivir y a vivir empieza,
entre una España que muere
y otra España que bosteza.
Españolito que vienes
al mundo te guarde Dios.
Una de las dos Españas
ha de helarte el corazón.
Antonio Machado. Campos de Castilla (1912).
Y, desde luego, Antonio Machado (padre) le hubiera dado la razón como geólogo y naturalista, porque se puede hablar de dos españas geológicas, la silícea y la caliza. La España silícea es la parte más antigua (data de la era Primaria o Paleozoico) y corresponde con la mitad occidental y está formada principalmente por rocas plutónicas (como los granitos) y metamórficas (pizarras y gneises, que se forman por contacto con las primeras). Algunos ejemplos son el Macizo Ibérico o el noroeste de la Península Ibérica.
Por otro lado, la España caliza corresponde a materiales del Mesozoico (la época de los dinosaurios, para entendernos). Son rocas que se formaron bajo el mar y emergieron posteriormente, como las Cordilleras Béticas. Las rocas calizas es extienden sobre la mitad oriental de la Península Ibérica.
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| Distribución de los principales tipos de materiales que componen el sustrato de España en la Península Ibérica (rocas silíceas, calizas y arcillas). |
La caliza es una roca sedimentaria compuesta principalmente por la acumulación y compactación de sedimentos de carbonato de calcio (CaCO₃,), provenientes de restos de conchas, esqueletos de organismos marinos o precipitación química.
Las rocas son blancas como los suelos calcáreos, formados por diminutos fósiles, que dan los vinos de Champagne y de Alsacia. Se adivina que el mar inundó estas tierras en tiempos geológicos y que andamos sobre reinos perdidos.
Mauricio Wiesenthal. El esnobismo de las golondrinas (2007).
La roca caliza suele tener un color blanco o claro, pero puede presentarse como gris, anaranjada o incluso rojiza, dependiendo de las impurezas que contenga.
La caliza es una roca soluble en ambiente ácido, de modo que suele presentar oquedades, galerías y cuevas.
Las curiosas bocas de cueva, en cuyas cercanías parecían abundar más las insólitas formaciones, presentaban por su regularidad otra incógnita, aunque menos que la primera. Como había dicho el boletín de Lake, eran aproximadamente cuadradas o semicirculares, como si una mano mágica hubiera dotado de una mayor simetría a los orificios naturales. Su abundancia y distribución eran notables, y hacían pensar si toda la zona estaría, a modo de panal, llena de túneles labrados en la piedra caliza por la tenacidad de las aguas.
H.P. Lovecraft. En las montañas de la locura (1936).
Esto, en cuanto a la península. Por supuesto, habría que añadir la España volcánica, que son las Islas Canarias, pero estas llegan una hora tarde (😉).
En cualquier caso, los suelos no son la roca, pues se forman a partir de esta y los sedimentos mediante procesos edáficos. En el caso de los carbonatos del suelo, aparecen normalmente en suelos sobre rocas carbonatadas (como las calizas), pero también pueden "desaparecer" de ellos o "aparecer" en suelos sobre rocas no carbonatadas. Veamos cómo.
¿Cómo se acumula el carbonato cálcico en el suelo? Agua y respiración
En los poros del suelo, ocultos de la luz, no se realiza la
fotosíntesis. De modo que los organismos que viven en el interior del suelo se
dedican, básicamente, a respirar. Las raíces de las plantas y los animales del
suelo respiran como usted y yo. Consumen O₂ y desprenden CO₂ mientras “queman”
azúcar para producir energía. Como consecuencia, la atmósfera del suelo está
empobrecida en el primero y enriquecida en el segundo.
En la atmósfera, la proporción de CO₂ está en torno al 0.035%.
Sin embargo, en los poros del suelo, este porcentaje aumenta muchísimo, siendo
comunes proporciones del 0.2 o 0.3%. En general, se considera que para que sea
posible el crecimiento de las plantas, el porcentaje de CO₂ debe ser menor al
5%. Obviamente, la proporción de CO₂ aumenta con la profundidad y, en general,
depende de la intensidad de la actividad biológica, de modo que en los períodos
de mayor actividad (como ocurre durante la primavera y el verano) la proporción
de O₂ baja y la de CO₂ sube.
El CO₂ de la atmósfera del suelo se disuelve en el agua.
Entonces, el agua adquiere una cierta acidez y es capaz de descomponer los
carbonatos mediante la siguiente reacción:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
Para alérgicos a la química, la reacción anterior quiere decir que cuando hay CO₂ el agua se vuelve un poquito ácida y la calcita se "disuelve" en ella (entrecomillo para que los químicos de verdad no saquen la escopeta, porque es un poco más complejo).
Es decir, el carbonato de calcio (CaCO₃, insoluble) se
disocia y libera cationes de calcio (Ca²⁺) y bicarbonato (HCO₃⁻, soluble). En el agua, el bicarbonato puede desplazarse verticalmente hacia
los horizontes más profundos del suelo y llegar a los horizontes inferiores. Una vez allí, el
bicarbonato precipita formando calcita (o sea, carbonato de calcio) secundaria.
De esta manera, lo que se ha producido en el suelo es la
descarbonatación de los horizontes superiores (ahora empobrecidos en CaCO₃) y
la carbonatación o acumulación de carbonatos en los horizontes inferiores.
¿Qué actores intervienen en el proceso de descarbonatación y
carbonatación?
El agua
En primer lugar, la presencia de agua. Si volvemos a echar
un ojo a la reacción que se ha producido, un incremento de agua desplazará el
equilibrio de la reacción a la derecha (cuanta más agua, más fácil es la descomposición de los carbonatos). Si el agua se pierde (por evaporación, por ejemplo), el equilibrio de la reacción se desplazará a la izquierda (se desprenderá
CO₂ y precipitará el CaCO₃).
El dióxido de carbono
Del mismo modo, según la reacción, un aumento de la concentración
de CO₂ producirá un desplazamiento del equilibrio hacia la derecha (formación de bicarbonato, HCO₃⁻) y se
favorecerá la disolución de los carbonatos. Cuando la concentración de CO₂
disminuya, los carbonatos precipitarán.
Como hemos visto más arriba, la concentración de CO₂ en el
suelo es variable, y depende principalmente de la respiración de los seres
vivos que habitan el interior del suelo. Así que es fácil comprender que
durante los períodos de más intensa actividad de la biomasa, la transformación
de la materia orgánica del suelo y la presencia de agua es cuando se producirá
de forma más intensa el lavado de los carbonatos.
La acidez
La acidez del suelo es otro factor importante a tener en
cuenta. En general, un pH bajo (ácido) favorece la disolución de los
carbonatos, mientras que un pH alto (básico o alcalino) favorece la precipitación. Procesos
como la disolución del CO₂ en el agua favorecen la acidez y, por tanto, la
disolución y movilización de los carbonatos. De este modo, suelos ácidos (bajo pH) y suelos
básicos (alto pH) presentarán comportamientos diferentes. En suelos ácidos, simplemente no hay carbonatos.
Sin embargo, la acidez del suelo puede variar drásticamente debido
a procesos de degradación química (como la contaminación o la salinización, por
ejemplo). A veces, estos cambios pueden ser efímeros, pero muy intensos, como
ocurre tras la acumulación de cenizas después de un incendio. Pero también
puede variar de forma más sutil en momentos concretos. Suelos desarrollados sobre
rocas calcáreas, por ejemplo, donde el pH es alto (baja acidez), pero bajo un
clima húmedo o sujeto a fuerte lavado, pueden sufrir una intensa
descalcificación (como ocurre en puntos del Parque Natural de Grazalema, una sierra calcárea y, a la vez, el punto más lluvioso de España).
...y la temperatura
La temperatura, junto a la disponibilidad de agua, es uno de
los principales factores que afecta a la velocidad de las reacciones químicas
y, por tanto, a todos los procesos que ocurren en el suelo. La temperatura afecta
al equilibrio entre descarbonatación y carbonatación.
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| El Cerro del Hierro es una zona kárstica de la Sierra Norte de Sevilla que fue explotada para la extracción de minerales de hierro desde la época romana hasta los años 80. Antonio Jordán/Imaggeo. |
Un poquito más de química para los muy cafeteros
Bueno, y para no tan cafeteros. Es fácil. Si no estás familiarizado con la química, el comportamiento de los carbonatos al disolverse puede resumirse más o menos así:
El carbonato de calcio (CaCO₃) es una sal relativamente insoluble, pero que se disuelve si el agua tiene cierta acidez. Normalmente, las sales se disuelven mejor cuando el agua está caliente, pero el CaCO₃ se disuelve mejor en agua fría. Por ejemplo, cuando el agua está a 5 °C (como en invierno), se disuelve mejor que cuando está a 25 °C (en un día más cálido).
Cuando la molécula de CaCO₃ se disuelve, se separa en iones de calcio (Ca²⁺) e iones de carbonato (CO₃²⁻). Este proceso depende de la temperatura y también puede ser influenciado por otras sales que haya en el agua. Si hay otras sales que contengan calcio o carbonato, pueden reaccionar con el CaCO₃, haciendo que se disuelva menos o más, dependiendo de las condiciones.
Todos estos factores hacen que en función del clima o la composición del suelo y el agua, en unos casos se depositen los carbonatos y en otros no.
Y ahora, si te interesa un poco más el detalle químico, sigue leyendo.
Formación y descomposición de carbonatos
En general, las sales aumentan su solubilidad con la
temperatura. Esto ocurre generalmente porque un aumento de la temperatura incrementa
la energía cinética de las partículas, favoreciendo que se produzcan impactos
más frecuentes y enérgicos entre las moléculas de soluto y disolvente. Pero el CaCO₃
es uno de los pocos ejemplos de sales que aumentan su solubilidad cuando
desciende la temperatura. En un día de invierno en que el agua esté, por
ejemplo, a 5 °C, el producto de solubilidad del CaCO₃ es 8.1 · 10⁻⁹.
A 25 °C, sin embargo, es 3.36 · 10⁻⁹. ¿Por qué ocurre esto? Como
hemos visto antes, cuando el CaCO₃ se disuelve en agua, se establece un equilibrio
químico entre los iones de calcio (Ca²⁺) y carbonato (CO₃²⁻)
en solución y el sólido no disuelto (CaCO₃):
CaCO₃ (s) ⇌ Ca²⁺ (aq) + CO₃²⁻
(aq)
Este equilibrio puede describirse utilizando el producto de solubilidad (Kps). A una temperatura determinada, el producto de solubilidad es
constante y representa el equilibrio entre las partes disueltas y no disueltas de una sustancia. En el caso de la reacción anterior, sería:
Kps = [Ca²⁺] [CO₃²⁻]
A diferencia de la de la mayoría de las sales solubles, la solubilidad del carbonato de calcio disminuye a medida que la temperatura se incrementa. Cuanto más caliente esté el agua, mayor será la probabilidad de que el CaCO₃ precipite. Por lo
tanto, el aumento de temperatura favorece la precipitación de CaCO₃, reduciendo así
su solubilidad en agua. De este modo, la movilidad de los carbonatos será mayor
en climas fríos que en climas cálidos o, incluso, variará según la época del año. Esta variación de temperatura del agua puede ser grande: a lo largo de 2023, por ejemplo, la temperatura superficial del agua del río Guadalquivir a su paso por Sevilla varió entre 8 °C (el 27 de enero) y 33 °C (el 25 de agosto).
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| La solubilidad del calcio desciende cuando aumenta la temperatura: solubilidad del calcio según la temperatura a 14.7 atm de presión parcial de CO₂ (a partir de Ostroff, A.G. 1979. Introduction to oilfield water technology. Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J.) |
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Otro parámetro que influencia la solubilidad de los
carbonatos es la concentración de otras sales en la solución del suelo. Cuando
se agregan otras sales a una solución que contiene CaCO₃, pueden ocurrir varios
fenómenos que afectan su solubilidad. Es posible que en la solución del suelo exista otra sal que
tiene algún ion común con los productos de la disociación del CaCO₃, como el Ca²⁺
o el CO₃²⁻. Un ejemplo sería el cloruro de calcio (CaCl₂, que se
disocia como anión Cl⁻ y catión Ca²⁺. Los cationes Ca²⁺ reaccionarán con el CO₃²⁻ en la solución para formar CaCO₃.
La presencia de otras sales también puede causar otros efectos
sobre la solubilidad de los carbonatos. Estas interacciones pueden aumentar o
disminuir la afinidad del CaCO₃ por el disolvente (agua), lo que afecta su
capacidad para permanecer disuelto. Por ejemplo, la formación de enlaces
iónicos o puentes de hidrógeno entre los iones carbonato y los iones de otra
sal puede disminuir la solubilidad del carbonato de calcio.
¿Por qué se acumulan los carbonatos en un horizonte del perfil
de suelo?
Existen varias razones posibles, que pueden ocurrir de
manera conjunta. La acumulación de calcita secundaria puede ocurrir cuando se produce la pérdida de agua líquida (por
evaporación o transpiración), cuando se produce un descenso en la presión
parcial de CO₂, cuando existen sales con ion común (como el Na₂CO₃), un aumento del pH (descenso de la acidez) o un aumento
de temperatura.
Tanto el CO₂ como el agua son más abundantes en los
horizontes superiores (donde se concentra la actividad biológica y existe más
contenido en materia orgánica), la disolución de los carbonatos ocurre
preferentemente cerca de la superficie del suelo.
Con la lluvia, por ejemplo, y bajo las condiciones
adecuadas, los carbonatos son transportados a través de los poros y grietas
hacia los horizontes inferiores, donde precipitan. Generalmente, esto se
produce cuando disminuye la cantidad de agua o CO₂ disuelto o se seca el agua (es decir: dos de los reactivos de la reacción de disociación del carbonato de calcio -CO₂ y H₂O- desaparecen y la reacción se detiene):
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
Si la cantidad de agua de lluvia es muy elevada (como ocurre
en climas húmedos), el lavado de carbonatos de los horizontes superiores es muy
intenso, de modo que pueden ser incluso eliminados del suelo.
¿Qué ocurre en climas áridos?
En climas áridos, cuando existe al menos una estación
lluviosa (como en el clima mediterráneo) o cuando existe agua subterránea sica
en bicarbonatos, la evaporación del agua en la superficie puede crear una
succión capilar ascendente desde los horizontes inferiores. Cuando el agua se
evapora en la superficie, se produce la precipitación de los carbonatos en los
horizontes superiores. En los suelos de textura fina, los nódulos de carbonato se forman más o menos así:
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| De izquierda a derecha y de arriba a abajo, deposición de capas de carbonato de calcio en las paredes de los poros y formación de nódulos en suelos de textura fina. |
Sin embargo, cuando los suelos son de textura muy gruesa (es decir, bastante arenosos y con piedras), la acumulación de carbonatos se produce de forma distinta, más o menos así:
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| De izquierda a derecha y de arriba a abajo, acumulación de carbonato de calcio en la parte inferior de las piedras en suelos de textura gruesa. |
La succión que desarrollan las plantas puede ayudar en este
proceso de movimiento vertical ascendente, especialmente en el caso de plantas
adaptadas a la aridez.
¿Qué aspecto tienen las acumulaciones de carbonato secundario en el suelo?
Los carbonatos secundarios pueden acumularse en todo el suelo o en horizontes concretos. E incluso puede haber más de un horizonte de acumulación de carbonatos.
Pai. Esta partícula se pospone á los verbos y da significación de tierra, en tierra, por tierra. [...] Nischipaico, escarbar el suelo; niimopaico, poner en tierra, y responder; niimocopaico, dormir en tierra, o suelo; roromopaico, anegarse la tierra; repomopai, inundarse la tierra; remaserepai, ser tierra colorada; rechomopai, la tierra negra; recatipai ser tierra o suelo blanco.
Antonio Maggio. Arte de la lengua de los indios baures de la Provincia de los Moxos (1880).
Entre los factores que influyen en la forma y el tamaño de las
concreciones de carbonato se encuentra la concentración de la solución del
suelo, el contenido en Na y Mg, la velocidad de precipitación, la temperatura y
la presencia de materia orgánica.
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| Concreciones de carbonato cálcico en un horizonte de suelo. En el centro, el carbonato cálcico ha ocupado el canal dejado por una raíz muerta. Antonio Jordán/Imaggeo. |
A nivel microscópico, el CaCO₃ puede acumularse en forma de microcristales equidimiensionales (micrita) o pequeñas acículas de unas pocas micras de longitud. Por otro lado, a nivel macroscópico, el CaCO₃ puede acumularse en forma pulverulenta, partículas muy finas que dan un color blanco
al suelo.
En otras ocasiones, la precipitación se produce sobre la superficie de los agregados de suelo (en un corte vertical, esto se aprecia como una red de fibras blancas que recuerda al micelio de un hongo, denominada pseudomicelio).
Las concreciones también pueden ocupar poros del suelo y presentar diversos tamaños (menores de un milímetro o de varios centímetros) y formas (bloques poliédricos, gránulos o cilindros que ocupan el hueco de galerías excavadas por pequeños animales o raíces).
Cuando la acumulación es muy intensa, se llegan a formar horizontes petrocálcicos. Es decir, horizontes completamente endurecidos y cementados por carbonatos. No son rocas, no son piedras, siguen siendo suelo, aunque llegan a interrumpir el crecimiento de las raíces, la aireación y la permeabilidad.
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| Fragmento de un horizonte petrocálcico, endurecido por la acumulación intensa de carbonato de calcio secundario (Valencia). Antonio Jordán/Imaggeo. |
En otros casos, la "fosilización" del suelo puede ser muy intensa, como ocurre bajo climas muy áridos en ocasiones. Entonces hablamos de paleosuelos, aunque, personalmente, para mí la diferencia con una nueva roca es bastante difusa, como vemos en las siguientes fotografías.
¿Qué hemos aprendido?
El proceso de formación de carbonatos secundarios se basa en la disolución de carbonato de calcio (CaCO₃) en agua, gracias al CO₂ que respiran los organismos del suelo. Esta agua acidificada se infiltra en el suelo, transportando el CaCO₃ disuelto a los horizontes inferiores, donde precipita cuando el CO₂ se libera o el agua se evapora.
La cantidad de carbonatos en el suelo depende de varios factores, como la cantidad de agua, CO₂, temperatura, acidez y presencia de otras sales. En climas húmedos, los carbonatos pueden ser lavados del suelo, mientras que en climas áridos pueden acumularse en horizontes específicos o incluso formar horizontes petrocálcicos (completamente endurecidos por carbonatos).
Existen diferentes formas en que pueden acumularse los carbonatos en el suelo, desde microcristales hasta concreciones de diversos tamaños y formas.
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