caracterización física, química y microscópica de un suelo

Revista Tendencias en Docenciae Investigación en Química

2018

Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México27

Año 4Número 4

Caracterización física, química y microscópica de un suelo conformado por diatomeas fósiles en la Ciudad

de MéxicoAlmanza Hernández Fernando*, Ramírez Calderón Omar Gabriel

Universidad Autónoma Metropolitana, Departamento de Ciencias Básicas. Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de México. C.P. 02200. México.

* Autor para correspondencia: [email protected]

Recibido: 13/mayo/2018

Aceptado: 01/agosto/2018

Palabras clave:Campylodiscus, Diatomea, MEB .

Keywords:Campylodiscus, Diatom,MEB

RESUMEN

En este trabajo se presentan las propiedades físicas, químicas y microscópicas de un suelo conformado por diatomeas fósiles en el subsuelo de la Ciudad de México, utilizando pruebas convencionales de la mecánica de suelos como el contenido de agua, límites de consistencia, granulometría por método del hidrómetro entre otras; y complementado con el uso de microscopio electrónico de barrido para su caracterización morfológica y química de estos suelos. Los resultados obtenidos de las pruebas de mecánica de suelos muestran que en un principio esté suelo está formado principalmente por limos de alta plasticidad (MH), con un contenido de agua de 269 %, gravedad especifica de 2.32, pH 6.5 y una alta relación de vacíos del orden de 5.28. Por microscopia electrónica de barrido (MEB), se observaron diatomeas Campylodiscus Clypeus en gran proporción, así como en menor cantidad Stephanodiscus Excentricus, Surirella, y Anomoeoneis Sphaerophora cuyos tamaños varian de 18 a 127 µm formadas por silice hidratado y observándose framboides de pirita de forma aislada, indicando que las condiciones del lago donde se formarón existia un ambiente azufroso y abundante materia orgánica.

ABSTRACT

In this paper we present the physical, chemical and microscopic properties of a soil made up of fossil diatoms in the subsoil of Mexico City, using conventional tests of soil mechanics such as water content, consistency limits, granulometry by soil method. hydrometer among others; and complemented with the use of scanning electron microscopy for its morphological and chemical characterization of said soils. The results obtained from the soil mechanics tests show that initially soil is mainly formed by high plasticity (MH) silts, with a water content of 269%, specific gravity of 2.32, pH 6.5 and a high ratio of vacuums of the order of 5.28. By scanning electron microscopy (SEM), Campylodiscus Clypeus diatoms were observed in a large proportion, as well as in smaller quantities Stephanodiscus Excentricus, Surirella, and Anomoeoneis Sphaerophora whose sizes vary from 18 to 127 μm formed by hydrated silica and observed pyrite framboides isolated, indicating that the lake conditions where there was a sulfur environment and abundant organic matter.

Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México


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Introducción

La cuenca de México, donde se sitúa la Ciudad de México, ocupa un área de 9,600 km2, donde predomina una planicie lacustre, localizada a 2,250 m sobre el nivel medio del mar (Figura 1).

Figura 1. Topografia del Valle de México. (Ruiz y López, 2015)

Existe una diversidad de estudios sobre el subsuelo de la ciudad de México, destacándose el trabajo “Estratigrafía y Problemas de la ingeniería de los depósitos de arcilla lacustre de la ciudad de México” (Zeevaert, 1952), con el cual propone la estratigrafía del centro de la Ciudad de México (Figura 2), posteriormente se presenta el trabajo “El subsuelo de la ciudad de México” (Marsal y Mazari, 1959), donde se propone el modelo estratigráfico de la ciudad de México, dando a conocer una gran parte de la caracterización del subsuelo en las diferentes zonas de la Ciudad de México (Figura 3 y 4), destacándose que la presencia de la parte de la fracción fina está constituida por materiales amorfos, volcánico, montmorillonitas, ostrácodos y fragmentos de diatomeas. En estudios posteriores, se encuentra que el mineral dominante son las esmectitas y microfósiles como los ostrácodos y diatomeas (Mesri et al., 1975); e igualmente en investigaciones recientes, se determina con muestras a distintas profundidades que los minerales constituyentes son: esmectitas, montmorillonitas, ilitas, cloritas, caolinitas, micas, nontronitas y microfósiles (Peralta y Fabi, 1989).

Figura 2. Perfil estratigráfico del centro de la ciudad de México.(Zeevaert, 1952).

Figura 3. Estratigrafia de la zona de transición de la Ciudad de México. (Marsal y Mazari, 1959).



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Figura 4. Estratigrafia de la zona del lago de la Ciudad de México. (Marsal y Mazari, 1959).

Si bien todos estos autores coinciden que el subsuelo de la Ciudad de México contiene arenas, limos y arcillas es importante hacer notar la presencia de diatomeas en diferentes zonas del subsuelo de la Ciudad de México. Varios investigadores sugieren que la existencia de la gran cantidad de fósiles entre las partículas sólidas, es la responsable de las propiedades elásticas y de deformaciones importantes en el subsuelo que exhiben un gran número de arcillas de la Ciudad de México debido a la proporción de vacíos y una gran capacidad de absorción y una extensa área superficial (Antonides, 1998).

Las propiedades mecánicas de los suelos se fundamentan en la composición química de los mismos y en las propiedades físicas de las partículas que los constituyen. El subsuelo de la Ciudad de México, presenta propiedades atípicas comparándolo con otros suelos del mundo, las que destacan grandes contenidos naturales de agua, límites de consistencia y relación de vacíos elevados.

Un aspecto interesante sobre la composición de los suelos del Valle de México, y que ha llamado la atención de diversos investigadores no solo desde el punto de vista técnico sino también estético, ha sido la presencia de las diatomeas.

En su investigación (Díaz et al., 1998) concluyen que los sedimentos de la Ciudad de México es uno de los geomateriales más fascinantes, siendo mezclas complejas de minerales cristalinos y amorfos con una gran variedad de microorganismos.

Las diatomeas son microorganismos unicelulares de una extraordinaria pequeñez, las cuales adoptan una gran variedad de formas y estructuras, con ornamentación o decorado muy vistoso (Figura 5), y hasta podría decirse elegantes; las hay de forma redonda (Figura 6), ovaladas, elípticas, triangulares, alargadas en forma de barra etc.

Figura 5. Ornamentación en la cara valvar de una diatomea, 25 Kx. (Fuente propia).

Figura 6. Diatomea circular, 8 Kx. (Fuente propia).

Es indudable que las diatomeas como microorganismos, no fueron conocidas sino hasta después del descubrimiento del microscopio, pero sus yacimientos fósiles como tierra de naturaleza especial fueron conocidas mucho tiempo atrás.

En México existen grandes depósitos de tierra de esta naturaleza, conteniendo gran variedad de diatomeas entre las capas de los depósitos lacustres. Los antiguos



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mexicanos ya hacían uso industrial de estas tierras designando con la palabra Tizatl, que en lengua indígena quiere decir tierra blanca, de la cual hacían uso los mexicanos para designar una tierra ligera blanca que empleaban como material colorante.

La existencia de estos microorganismos se remonta a tiempos bastantes remotos de la vida de la tierra, desde el periodo Jurásico, Cretácico y aun en el Cámbrico. En cuanto a su carácter general, una diatomea es una célula formada de dos partes penetradas una dentro de otra a manera de caja y su tapa denominadas valvas, estos esqueletos están conformados por sílice siendo resistentes a la disolución y ataque bacteriano, preservándose en muy buen estado.

En la mecánica de suelos la microestructura determina el comportamiento ante cargas estáticas y dinámicas. Los fósiles interrumpen la continuidad de propiedades entre los minerales, ya que generalmente estos no se adhieren a ellos y tomando en cuenta que las propiedades de un material como es el suelo dependen en gran medida del tamaño de sus componentes, por lo que el comportamiento mecánico puede variar drásticamente según el tamaño y distribución de las partículas del cual esté formado el suelo (Peralta y Fabi, 1989).

Como parte del primer objetivo de esta investigación es mostrar los resultados del estudio de caracterización microestructura y química de estos suelos formados en su mayoría por diatomeas fósiles las cuales son vegetales fotosintéticos, es decir, obtienen su energía principalmente de la luz solar. Sin embargo, en ausencia de luz, algunas de ellas son capaces de alimentarse temporalmente de materia orgánica, por lo que cuando encontramos una gran cantidad de éstas, podemos suponer con toda confianza que el lago donde se desarrollaron contenía una gran cantidad de sales y materia orgánica. La morfología de las diatomeas es de gran interés en los estudios paleolimnológicos, ya que estas características pueden ayudar a reconstruir la naturaleza y/o variabilidad ambiental de un lago o de su entorno en el pasado a partir de sus sedimentos acumulados durante cientos o miles de años (Caballero et al., 2013).

Un aspecto interesante de la composición de los suelos de la Ciudad de México ha sido la presencia en el suelo de microfósiles como las diatomeas deben tener una gran influencia sobre las propiedades mecánicas como son la compresibilidad y la resistencia al esfuerzo cortante en los suelos.

El área de estudio se localiza al sur poniente de la Ciudad de México, en prolongación división del norte esquina con la calle 20 de noviembre, colonia jardines del sur, en la delegación Xochimilco de la Ciudad de México. (Figura 7), con cercanía a la estación del tren ligero Francisco Goitia.

Figura 7. Localización de la zona de estudio.

Metodología

Para el estudio de estos suelos se recuperaron muestras inalteradas de suelo empleándose una perforadora Acker N5W con un muestreador tipo Shelby hasta una profundidad de 8.0 a 9.0 m. recuperándose 0.80 m de muestra. Posteriormente la muestra fue llevada al laboratorio de Geotecnia de la Universidad Autónoma Metropolitana plantel Azcapotzalco, para su extracción en tramos de 20 cm y realizar las pruebas convencionales de la mecánica de suelos.

En la tabla 1 se indican las pruebas realizadas aplicando la normativa de la American Society of Testing Materials, ASTM para suelos.

Del material restante se separó y se secó por 16 horas en horno de temperatura constante a 105 °C, para posteriormente cribarse por la malla número 200, del material que paso la malla 200 se seleccionaron muestras aleatorias para el estudio de Microscopía Electrónica de barrido (MEB) y Espectrometría de Energía Dispersiva (EDS)

El estudio de la morfología de las diatomeas fósiles se realizó utilizando el microscopio electrónico de barrido ZEISS (Figura 8) del Laboratorio de Microscopia Electrónica de la División de Ciencias Básicas e



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Ingeniería, plantel Azcapotzalco, modelo SUPRA 55 VP a una distancia focal variable de 2.0 a 4.5 mm y con un kilo voltaje de 1.5 a 2.0 para evitar la carga de electrones en muestras no conductivas, esto debido a que no se recubrieron con oro, utilizando para la toma de imágenes en alta definición el detector de electrones secundarios SE2.

Tabla 1. Pruebas realizadas a la muestra de suelo y su normativa correspondiente.

PRUEBA DE LABORATORIO NORMA ASTM

Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos. D422

Determinación de la gravedad específica de las partículas sólidas de los suelos, empleando un picnómetro con agua.

D854

Determinación del contenido de agua en suelos y rocas. D2216

Consolidación unidimensional de los suelos. D2435

Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de suelos. D4318

Prueba de compresión triaxial no drenada para suelos cohesivos. D4767

pH de los suelos D4972

Figura 8. Microscopio Electrónico de BarridonSUPRA 55 VP.

El Sistema de Espectrometría de Energía Dispersa (EDS), se encuentra acoplado al Microscopio Electrónico de Barrido, de esta manera se puede obtener información detallada de los elementos existentes en la muestra de suelo en estudio, con una distancia de trabajo de 8.5 mm y 20 Kv y una abertura de 60 mm, esto con el fin

de obtener buenos resultados en la cuantificación de elementos presentes en la muestra.

Resultados y discusión

Propiedades Físicas y Mecánicas

En la tabla 2 se presentan los resultados de las pruebas convencionales de la mecánica de suelos para la muestra en estudio,

Tabla 2. Propiedades Físicas y Mecánicas realizadas a la muestra de suelo.

Contenido de agua (%)

Limite líquido (%)

Limite plástico (%)

Indice plástico (%)

Gs

Gravas (%)

Arenas (%)

Arenas finas (%) – (0.2 a 0.02 mm)

Limos (%) – (0.02 a 0.002 mm)

Arcillas (%) – ( 0.002 a 0.0002)

Cohesión (T/m2)

Ángulo de fricción interna (°)

pH

Relación de vacios

Indice de compresibilidad

Sistema de clasificación de suelos

269

294

108

186

2.32

0.0

1.0

20

75

4

4

7.5

6.5

5.28

6.25

MH

Los resultados confirman varias características semejantes a una arcilla o limo típico del Valle de México, lo que sugiere un desacuerdo entre el sistema de clasificación de suelos (SUCS) ya que no contempla la clasificación de suelos de origen diatomea dentro de la gama de tipos de suelos existentes; la proporción mayor por tamaño indica que el suelo está conformado por el 75% de partículas entre 0.02 a 0.002 mm lo que nos sugiere a primera instancia de un suelo conformado por partículas de limo, pero en la realidad son diatomeas con alto contenido de agua muy cercano a su límite líquido y un índice de compresibilidad y relación de vacíos alto lo que implica deformaciones por asentamiento al ser sometidos a sobrecargas en la superficie por la construcción de obras de infraestructura. El pH y el tipo de diatomeas fósiles encontradas sugiere que el ambiente del lago donde se



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desarrollaron era salino y el cambio de acides elimino gran parte de la actividad biológica en el lago.

Espectrometría de Energía Dispersiva (EDS)

En la figura 9 se puede observar el espectro 1 y en la tabla 3 el contenido de elementos químicos presentes en una sección de una diatomea.

Figura 9. Espectro 1 de EDS realizada sobre la superficie de una diatomea.

Puede observarse que dichas diatomeas están conformadas en su totalidad por sílice que interviene en la constitución de los esqueletos que es obtenido por estos organismos directamente de la que se halla disuelta en el agua en que vivieron o por la acción de ellos mismos sobre las arcillas.

Tabla 3. Porcentaje en peso y % atómico de los elementos químicos encontrados en el espectro 1.

Elemento % en peso % atómicoO 63.25 75.13Al 0.31 0.22Si 36.43 24.65

Total 100 100

De igual manera en la figura 10 se observa el espectro 2 y en la tabla 4 los elementos quimicos encontrados en la muestra representativa del subsuelo del Valle de México.

Figura 10. Espectro 2 de EDS realizada sobre la muestra general del suelo.

Los materiales que conforman el subsuelo del Valle de México son principalmente minerales arcillosos de composición química muy variable, con proporción elevada de agua y sales en solución, como suele suceder en los suelos de origen lacustre, es decir, aquellos que se forman por la sedimentación en los lagos. Tambien es importante hacer notar la presencia de carbonato de calcio originado por la presencia e ostracodos o por la presencia de arenas basáltica y posteriormente pumitica debido a la actividad volcánica que se presento en diferentes epocas.

Tabla 4. Porcentaje en peso y % atómico de los elementos químicos encontrados en el espectro 2.

Elemento % en peso % atómicoC 8.84 13.72O 53.40 62.26

Na 0.56 0.46Mg 1.63 1.25Al 3.29 2.28Si 26.76 17.77S 0.56 0.33K 0.68 0.33Ca 1.42 0.66Fe 2.84 0.95

Total 100 100



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Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)

De la figura 11 a 16 se muestran las micrografías mostrando las diatomeas presentes y framboides de pirita en el subsuelo de la Ciudad de México, siendo las más abundantes las diatomeas del género Campylodiscus Clypeus con diámetros promedio que van desde 18 µm hasta las más grandes de 127µm y en menor cantidad Stephanodiscus Excentricus, Surirella y Anomoeoneis Sphaerophora todas ellas de ambiente salino, encontrandose de forma aislada framboides de pirita los cuales se formarón apartir del contenido de azufre disuelto en el lago en combinación con la acides de la misma agua.

Figura 11. Diatomeas predominantes en el subsuelo de la Ciudad de México.

Figura 12. Diatomea Campylodiscus clypeus con diámetro de 127 µm.

Figura 13. Diatomea Stephanodiscus excentricus con diámetro aproximado de 18 µm

Figura 14. Diatomea Surirella y framboide de pirita.

Figura 15. Diatomea Anomoeoneis sphaerophora con longitud de 70 µm.



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Figura 16. Framboide de pirita con diámetro promedio de 20 µm formada por la presencia de azufre y un ambiente acido en el lago.

Conclusiones

En la Cuenca de México hay capas casi exclusivamente formadas de diatomeas fósiles; sin embargo, es más común encontrar estas diatomeas en mayor o menor abundancia mezclados con los sedimentos lacustres en todos los niveles que las aguas han ocupado.

La constitución química de las diatomeas fósiles, consiste principalmente de sílice hidratada y en menor cantidad silicatos de aluminio y de hierro. La especie de diatomea más notable por su gran tamaño y abundancia es la llamada Campilodiscus Clypeus, pudiéndose confundir a simple tacto y hacer pensar en la presencia de limos y arenas finas. Estas diatomeas se desarrollan en un ambiente salino y azufroso como el que probablemente dominó el lago del Valle de México durante los periodos de actividad volcánica, siendo lo bastante porosas y con peso específico relativo de 2.32 con una relación de vacíos respecto a la fase sólida de 5.28 siendo un suelo susceptible a retener grandes cantidades de agua y a comportarse como un material plástico lo que implica a sufrir deformaciones importantes cuando es sometido a esfuerzos por sobrecarga en la superficie.

Es importante proponer la continuación de esta investigación desde el punto de vista de clasificación de suelos, ya que en la actualidad el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos no contempla los suelos o tierras diatomeas, incorporando dicha clasificación en la carta de plasticidad en base a las características físicas y químicas de diferentes suelos diatomeos encontrados en el subsuelo del Valle de México.

Agradecimientos

A la División de CBI, de la Universidad Autónoma Metropolitana Plantel Azcapotzalco, por el uso del Laboratorio de Microscopia Electrónica Divisional, a la compañía “inGeum”, Ingeniería Geotécnica, por proporcionar las muestras de suelo estudiadas y al técnico de laboratorio de geotecnia de la Universidad Autónoma Metropolitana por el apoyo brindado en la realización de las pruebas de mecánica de suelos.

Referencias

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ASTM D4318, (2017): Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.

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