Propiedades magnéticas de suelos de los piedemontes plio-pleistocenos y de las terrazas fluviales cuaternarias del centro de la Península Ibérica. Implicaciones paleoambientales


Memoria presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias Físicas. Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica I – Facultad de Ciencias Físicas – Universidad Complutense de Madrid
Directores: María Luisa Osete López Alfredo Pérez González
María Felicidad Bógalo Román Opción A
2000

INTRODUCCIÓN
 
      En estas últimas décadas se está dedicando un especial esfuerzo por conocer los cambios climáticos que están teniendo lugar tanto a escala global como local. Estos cambios medioambientales pueden estar enmarcados dentro de ciclos naturales de largo periodo, o bien, pueden ser producto de la actividad humana. Para conocer el origen de estas variaciones en el medio ambiente es necesario utilizar nuevas técnicas de investigación que nos permitan extender dichos estudios hacia el pasado.

      Los cambios ambientales que tuvieron lugar en épocas geológicas pasadas no se pueden estudiar por medio de observaciones directas, tan solo, únicamente, a partir de los efectos permanentes que dichos cambios hayan producido. En este sentido son de gran importancia los registros geológicos, ya que constituyen una memoria fósil de las variaciones ambientales. Para la interpretación de dicha memoria fósil habrá que hacer uso de diferentes marcadores, en los cuales quede impresa la huella de los cambios ambientales.

      A finales de los años 80 comenzaron a aplicarse de manera sistemática las técnicas de magnetismo de rocas en materiales recientes (sedimentos marinos y lacustres, secuencias de loess y paleosuelos, suelos, etc), relacionando el tipo de minerales magnéticos y sus propiedades magnéticas con efectos ambientales. En la actualidad ya se ha acuñado un término para este tipo de estudios: magnetismo ambiental, que se ha convertido en una nueva línea de investigación muy fructífera dentro del ámbito de las ciencias del medio ambiente. Esta técnica cuenta con la ventaja de ser rápida, barata y no destructiva.

      El magnetismo ambiental consiste en el estudio de las propiedades magnéticas de ciertos materiales cuya respuesta magnética está relacionada con parámetros medioambientales, tales como temperatura, precipitación, dirección y velocidad del viento, etc. Por lo tanto, esta disciplina puede ser muy útil en las investigaciones paleoclimáticas.

      La primera descripción explícita del magnetismo ambiental como un campo de estudio diferenciado la realizó Thompson et al. en 1980. Estos autores mostraron cómo los parámetros magnéticos de los minerales se pueden usar para la comprensión de cuestiones concernientes a un amplio rango de estudios ambientales. Ello es así debido a que los minerales magnéticos se encuentran presentes en casi todos los materiales naturales. Las condiciones ambientales influyen en los procesos de transporte, depósito y transformación de dichos materiales determinando la concentración, tamaño y tipo de minerales magnéticos presentes en ellos. Además, determinados conjuntos de minerales magnéticos son característicos de ciertos materiales originales y/o mecanismos de transporte.

      En los sistemas que estudia el magnetismo ambiental, tales como sedimentos de lagos, mar y secuencias continentales (loess-paleosuelos, suelos), existen conexiones entre el origen de los sedimentos, su alteración, los procesos de transporte y deposicionales y los registros de las propiedades magnéticas. Aunque menos frecuentes debido a la dificultad para encontrar sistemas de terrazas continuas y bien conservadas, los estudios de propiedades magnéticas en suelos de terrazas han mostrado que también es posible utilizar estos sistemas con objetivos paleoambientales.

      En este trabajo se desarrolla por primera vez un estudio sistemático y detallado de propiedades magnéticas de suelos sobre sistemas aluviales en la Península Ibérica que permitirá inferir caracterísitcas ambientales del pasado. En él se investigan tres cronosecuencias de suelos desarrollados en las terrazas de los ríos Tajo, Jarama y Arlanzón.

      Los suelos desarrollados bajo clima mediterráneo son buenos generadores de minerales magnéticos, constituyendo el marco más adecuado para realizar este tipo de trabajos. Por lo cual, los sistemas de terrazas objeto de estudio constituyen un medio favorable para la realización de una investigación detallada de magnetismo ambiental. Por otra parte, estas cronosecuencias de suelos investigados abarcan desde el Plioceno hasta el Holoceno (Tajo y Jarama) y desde el Pleistoceno medio hasta el Holoceno (Arlanzón). Esto permitirá discriminar entre cambios paleoambientales locales y globales en el centro de la Península Ibérica.

      Esta memoria se divide en nueve capítulos:

      Capítulo 1, se realiza un breve repaso histórico acerca del magnetismo ambiental aplicado a suelos y se presentan algunos de los resultados más importantes obtenidos hasta la actualidad.

      Capítulo 2, se describen algunos de los fundamentos teóricos acerca del magnetismo de rocas y técnicas de análisis de tamaño de grano e identificación de minerales.

      Capítulo 3, se exponen los fundamentos básicos de edafología, utilizados en este trabajo y se describe el marco geológico y edafológico de las diferentes áreas de estudio.

      Capitulo 4, se señalan los objetivos y se describe la metodología propuesta para el análisis de las propiedades magnéticas de los suelos.

      Capítulos 5, 6 y 7, en los que se describen detalladamente las propiedades magnéticas de cada uno de los suelos correspondientes a los ríos Jarama, Arlanzón y Tajo y se analizan los resultados obtenidos en función de la edad de las terrazas.

      Capítulo 8, se comparan los resultados extraídos para cada uno de los sistemas de terrazas en función de las edades de las mismas y se discute acerca de la evolución de los diferentes parámetros magnéticos con el tiempo y con factores medioambientales.


ABSTRACT
 
No disponible

ÍNDICE
 
INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO 1: Antecedentes 5
1.1.- Minerales ferromagnéticos habitualmente presentes en los suelos 7
1.2.- Estudios de magnetismo en suelos 8
1.3.- Origen de las variaciones de los parámetros magnéticos con la profundidad en los suelos 9
1.4.- Reconstrucción paleoclimática a partir de paleosuelos 9
1.5.- Información paleoclimática durante el Pleistoceno y Holoceno en el centro de la Península Ibérica 10

CAPÍTULO 2: Propiedades magnéticas de las rocas: Fundamentos 13
2.1.- Propiedades magnéticas de los materiales 15
2.1.1.- Diamagnetismo y paramagnetismo 15
2.1.2.- Ferromagnetismo 17
2.1.3.- Antiferromagnetismo 19
2.1.4.- Fen-imagnetismo 21
2.2.- Principales minerales magnéticos presentes en rocas y sedimentos 23
2.2.1.- Magnetita 23
2.2.2.- Maghemita 24
2.2.3.- Hematites 25
2.2.4.- Oxihidróxidos de hierro 26
2.2.5.- Sulfuros de hierro 28
2.3.- Dominios magnéticos 29
2.3.1.- Introducción 29
2.3.2.- Estados magnéticos de una partícula 30
2.3.3.- Granos dominio simple (SD) y estado superparamagnético (SP) 31
2.3.4.- Granos multidominio (MD) 34
2.3.5.- Granos pseudo dominio simple (PSD) 35
2.4.- Histéresis magnética de granos dominio simple (SD) 35
2.4.1.- Susceptibilidad, remanencia y coercitividad de granos SD 35
2.4.2.- Magnetización superparamagnética 38
2.5.- Histéresis magnética de granos multidominio (MD) 39
2.5.1.- Desplazamiento de las paredes, nucleación y rotación de dominios 39
2.5.2.- Susceptibilidad, remanencia y coercitividad de granos MD 40
2.6.- Técnicas de análisis de tamaño de grano e identificación de minerales 42
2.6.1.- Histéresis y granulometria magnética 42
2.6.2.- Análisis de la susceptibilidad magnética 46
2.6.3,- Remanencias magnéticas adquiridas en el laboratorio 50
2.6.4.- Determinación de la temperatura de Curie (Tc) e identificación de minerales 53
2.6.5.- Nuevos parámetros magnéticos defmidos en este estudio 54
2.7.- Resumen de parámetros magnéticos 59

CAPÍTULO 3: Marco edafológico y geológico 61
3.1.- Principios básicos de edafología 63
3.1.1.- Qué es un suelo 63
3.1.2.- Caracterización de los horizontes genéticos 64
3.1.3.- Formación de los suelos 66
3.1.4.- Influencia del material originario sobre las características del suelo 67
3.1.5.- Relación suelo-clima 67
3.1.6.- Relación suelo-tiempo 70
3.2.- Descripción geomorfológica y edafológica de los sistemas de terrazas investigados 73
3.2.1.- Sistema de terrazas del rió Jarama (área de Casa de Uceda) 73
3.2.2.- Sistema de terrazas del río Arlanzón (área de Atapuerca) 77
3.2.3.- Sistema de terrazas del río Tajo (área de Talavera de la Reina) 81

CAPÍTULO 4: Objetivos y metodología 87
4.1.- Objetivos generales 89
4.2.- Metodología en el estudio de propiedades magnéticas de suelos de sistemas de terrazas 89
4.2.1.- Trabajo de campo 89
4.2.2.- Trabajo de laboratorio 90
4.2.3.- Análisis e interpretación de los resultados 92

CAPÍTULO 5: Descripción magnética de los suelos del río Jarama 95<br> 5.1.- Descripción de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 97
5.1.1.- Llanura aluvial (+ 3-5 m) (perfil UC0) 97
5.1.2.- Terraza de +8-10 m (perfiles UC10 y UC11) 103
5.1.3.- Terraza de +32 m (perfil UC13) 113
5.1.4.- Terraza de +80 m (perfiles UC12 y UC23) 118
5.1.5.- Terraza de +90 m (perfil UC21) 128
5.1.6.- Terraza de +110 m (perfil UC 14) 134
5.1.7.- Terraza de +150 m (perfiles UC16 y UC19) 138
5.1.8.- Piedemonte de la Rafla de +180 m (perfiles UC15 y UC18) 148
5.1.9.- Piedemonte de la Rafla de +210 m (Matarrubia) (perfil UC17) 157
5.2.- Experimentos termomagnéticos 163
5.3.- Discusión e interpretación de los resultados 168
5.3.1.- Análisis de los ciclos de histéresis 168
5.3.2.- Análisis de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 170
5.3.3.- Variación de los parámetros magnéticos con la edad 172
5.4.- Conclusiones 178

CAPÍTULO 6: Descripción magnética de los suelos del río Arlanzón 181
6.1.- Descripción de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 183
6.1.1. Llanura aluvial (+0.5-1 m) (perfil ARL0) 183
6.1.2.- Terraza de +3 m (perfil ARL6) 188
6.1.3.- Terraza de +10 m (perfil ARL5) 193
6.1.4.- Terraza de +20 m (perfil ARL4) 199
6.1.5.- Terraza de +35 m (perfil ARL3) 204
6.1.6.- Terraza de +60 m (perfil ARL2) 209
6.2.- Experimentos termomagnéticos 215
6.3.- Discusión e interpretación de los resultados 218
6.3.1.- Análisis de los ciclos de histéresis 218
6.3.2.- Análisis de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 220
6.3.3.- Variación de los parámetros magnéticos con la edad 222
6.4.- Conclusiones 227

CAPÍTULO 7: Descripción magnética de los suelos del río Tajo 229
7.1.- Descripción de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 231
7.1.1.- Terraza de +7-9 m (perfil TR12.1) 231
7.1.2.- Terraza de +20 m (perfil TR11.1) 236
7.1.3.- Terraza de +30 m (perfil TR10.1) 240
7.1.4.- Terraza de +45-50 m (perfiles TR9.1 y TR9.2) 244
7.1.5.- Terraza de +60-65 m (perfiles TR8.1 y TR8.2) 253
7.1.6.- Terraza de +75-80 m (perfiles TR7.1, TR7.2, TR7.4 y TR7.5) 262
7.1.7.- Terraza de +95-100 m (perfil TR6.1) 278
7.1.8.- Terraza de +105 m (perfiles TR5.1 y TR5.2) 282
7.1.9.- Terraza de +115-120 m (perfil TR4.1) 290
7.1.10: Terraza de +130 m (perfiles TR3.1, TR3.2 y TR3.3) 294
7.1.11.- Terraza de +155 m (perfiles TR2.1, TR2.2 y TR2.3) 307
7.1.12.- Terraza de +185 m (perfil TR1.1) 320
7.1.13.- Piedemonte de la Raña de +245-250 m (perfil TR.R) 325
7.2.- Experimentos termomagnéticos 331
7.3.- Discusión e interpretación de los resultados 333
7.3.1.- Análisis de los ciclos de histéresis 333
7.3.2.- Análisis de los perfiles de parámetros magnéticos frente a la profundidad 334
7.3.3.- Variación de los parámetros magnéticos con la edad 336
7.4.- Conclusiones 341

CAPÍTULO 8: Integración y comparación de los resultados obtenidos en los tres sistemas de terrazas 343
8.1.- Estimación de la concentración de minerales ferromagnéticos en estado superparamagnético (SP) 345
8.2.- Caracterización de los horizontes magnéticos de un suelo 347
8.3.- La llanura aluvial en los diferentes sistemas de terrazas 348
8.4.- Variación en la concentración de minerales ferromagnéticos con la edad 349
8.4.1.- Minerales ferromagnéticos en estado dominio simple (SD) 349
8.4.2.- Minerales ferromagnéticos en estado superparamagnético (SP) 356
8.5.- Implicaciones paleoambientales 358
8.6.- Conclusiones 359

CAPÍTULO 9: Conclusiones 363

REFERENCIAS 367


CONCLUSIONES
 
      Este trabajo constituye el primer estudio detallado y sistemático de parámetros magnéticos con fines paleoambientales llevado a cabo en cronosecuencias de suelos en terrazas de ríos de la Península Ibérica. Estas cronosecuencias corresponden a los ríos Tajo, Jarama y Arlanzón.

      APORTACIONES METODOLÓGICAS

      a) Se han muestreado por primera vez y de manera sistemática tres sistemas de terrazas, espaciados geográficamente y con edades comprendidas entre el Plio/Pleistoceno y Holoceno, permitiendo correlacionar los resultados obtenidos para cada uno de ellos.

      b) Se han definido nuevos parámetros magnéticos, ΔIRM (SPbc) y ΔIRMac, que han permitido:
• Evaluar la contribución de granos de minerales ferrimagnéticos en estado superparamagnético (SP) a temperatura ambiente y cuyas temperaturas de bloqueo se sitúan entre 293 y 77 K (SP fino). Estos granos magnéticos poseen, probablemente, un tamaño inferior al límite SP/SD, al cual se refiere el parámetro χfd.
• Estimar la contribución total y en estado SP (en algunos casos) de minerales antiferromagnéticos.

      COMPORTAMIENTO DE LOS PARÁMETROS MAGNÉTICOS

      a) Variaciones de los parámetros magnéticos con la profundidad
Por medio de criterios magnéticos ha sido posible distinguir tres horizontes en cada perfil: un horizonte superficial, con aumento de los valores de los parámetros χ e IRMRT, denominado horizonte de aumento y diferenciado de unos horizontes más profundos con valores estables de χ e IRMRT que son elhorizonte B estable y el horizonte C estable. Además, la metodología seguida en este trabajo ha permitido caracterizar cada horizonte magnético:

      • El horizonte de aumento se caracteriza por una concentración muy elevada de minerales ferrimagnéticos (magnetita y/o maghemita) en estado dominio simple (SD) fino y superparamagnético (SP) cerca del límite SP/SD, mientras que la concentración de estos minerales en estado SP fino es baja. Además, en algún suelo ha sido posible observar cierta contribución de minerales antiferromagnéticos.
• En el horizonte B estable la concentración de minerales ferrimagnéticos en estado SD es menor que en el horizonte de aumento. También se observa un incremento, respecto al horizonte de aumento, en la concentración de minerales antiferromagnéticos (goetita y/o hematites) tanto en estado SD como SP y de minerales ferrimagnéticos en estado SP fino.

      La concentración de minerales ferrimagnéticos en estado SP fino y cuya temperatura de bloqueo se sitúa entre 293 y 77 K es superior en el horizonte B estable que en el horizonte de aumento.

      En general, salvo en algunas terrazas correspondientes al río Tajo, la concentración de minerales paramagnéticos es superior en el horizonte B estable que en el horizonte de aumento.

      • El horizonte C estable se caracteriza por su baja concentración de minerales ferrimagnéticos. En algún caso, como en la llanura aluvial del río Arlanzón, la concentración de minerales ferromagnéticos de alta coercitividad es elevada.

      
La contribución de minerales ferrimagnéticos en estado SP a temperatura ambiente y cuya temperatura de bloqueo se sitúa entre 293 y 77 K es importante en todos los horizontes del suelo, por lo que será necesario tenerla en cuenta para estudios posteriores de parámetros magnéticos con fines paleoambientales.

      b) Variaciones en el material original

      Se han observado variaciones en la concentración de minerales fern- y antiferromagnéticos en los horizontes C de las llanuras aluviales de los ríos Jarama y Arlanzón, ya que dichos ríos drenan áreas con litología diferente. En principio, estos horizontes son el material original a partir del cual se formaron los suelos, puesto que una terraza representa una llanura aluvial del pasado. La goetita encontrada en la llanura aluvial del río Arlanzón puede ser original, o bien, producto de alteraciones debidas a oscilaciones en la posición del nivel freático.

      Estas observaciones permiten orientar trabajos futuros. En este sentido, seria posible muestrear llanuras aluviales de diferentes ríos espaciados geográficamente y evaluar las diferencias en el tipo de minerales magnéticos originales, así como también en el tamaño de grano magnético, en función de su posición geográfica y condiciones ambientales actuales.

      c) Variaciones de los parámetros magnéticos con el tiempo

      La susceptibilidad magnética (χ) y la magnetización remanente isoterma de saturación a temperatura ambiente (SIRMRT) muestran un comportamiento similar con la altura de las terrazas (edad) sobre el nivel actual del río en las tres cronosecuencias estudiadas (Tajo, Jarama y Arlanzón).

      En los tres sistemas de terrazas, tanto los valores de χ y de SIRMRT en el horizonte de aumento, como la diferencia entre estos valores y los calculados para el horizonte B estable, no aumentan de forma continua con la edad de las terrazas como había sido postulado con anterioridad por Singer et al.(1992). Se observan, en cambio, pequeñas variaciones con la edad debidas, probablemente, a la influencia tanto del tiempo como de factores ambientales en los valores de dichos parámetros.

      IMPLICACIONES PALEOAMBIENTALES

      En los ríos Tajo y Jarama, los valores de los parámetros χ y SIRMRT en el horizonte de aumento y la concentración de minerales antiferromagnéticos (goetita y quizás hematites) en el horizonte B estable muestran, desde el Pleistoceno inferior hasta el Plio/Pleistoceno, un aumento continuo con la edad. Este comportamiento indica, probablemente, que los suelos formados en las terrazas correspondientes al Pleistoceno inferior y al Plio/Pleistoceno se desarrollaron bajo up clima más húmedo que el actual que favoreció la creación, fundamentalmente, de goetita. La disminución brusca de los valores de los parámetros magnéticos indicados, para las terrazas correspondientes al Pleistoceno medio/inferior, puede relacionarse con un cambio en las condiciones paleoambientales bajo las que se desarrollaron los suelos, probablemente, con una tendencia hacia un clima árido. Por su parte, los suelos correspondientes al Pleistoceno superior se pudieron desarrollar bajo condiciones climáticas similares a las actuales.