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MCG 2011/2012, Universitat de les Illes Balears, Palma de Mallorca
Modulo I Métodos y registros de reconstrucción paleoclimática y
paleohidrológica
SUELOS E INDICADORES
PALEOAMBIENTALES
Maria J. Machado
Museo Nacional de Ciencias Naturales – CSIC
Índice general
• Suelos y paleosuelos
– Definición
– Procesos de formación de suelos
– Características específicas de los paleosuelos
• Registros Biominerales en suelos
– Biominerales de sílice y oxalato cálcico
– Producción y valor como indicador paleoambiental
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¿Cómo reconstruimos el Cambio Global?
Dendro
Modelos y proyecciones
Local y Regional
Global
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Suelos y Paleosuelos
Suelo
• Material que cubre la superficie del planeta,
resultante de la alteración y/o meteorización del
sustrato rocoso. (G. J. Retallack, 2001)
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Suelos y Paleosuelos
• El suelo es un sistema abierto,
dinámico, constituido por elementos
en tres fases :
sólida (elementos minerales y orgánicos)
líquida (agua, coloides)
gaseosa (O2, CO2, N,..)
• No lineal,
• Y que se modifica en el tiempo
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Suelos y Paleosuelos
.
• En sistema contiene:
Adición de materia orgánica, agua,
energía
Pérdida agua y partículas en
solución por infiltración, evaporación
Transformación minerales
Translocación de minerales,
arcillas, y coloides hacía los niveles
inferiores
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Suelos y Paleosuelos
• El estado de desarrollo de un suelo puede ser
sintetizado en la siguiente ecuación;
– S = f (C + L + B + R + T)
–
–
–
–
–
C Clima
L Sustrato
B Organismos vivos
R Relieve
T Tiempo
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Suelos y Paleosuelos
•
Sustrato
–
–
Puede variar de un sustrato rocoso a uno
poco consolidado como un depósito
fluvial de ladera, eólico, costero,,,
Del tipo de sustrato van a depender:
o
o
Textura
Estructura (migajosa, granular, bloques, coumnar,
prismática)
o
o
Composición mineralógica
Color
Blanco; carbonatos, yeso, sales, o en situaciones hiperhúmedas,
lavado intenso
Negro: M.O., o manganeso (Z tropicales)
Pardo; Oxalatos de hierro hidratados y oxalatos unidos a arcillas o
a M.O.
Rojo: Óxidos férricos, hematites (climas cálidos con prolongadas
sequías)
o
Permeabilidad
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Suelos y Paleosuelos
• Clima
o
o
o
o
o
o
El factor mas importante, que
controla:
tipo y densidad de la vegetación
alteración mineral y orgánica
Altera el Ph de un suelo con igual
sustrato
Infiltración, evapotranspiración
Fenómenos de translocación
(formación de horizontes de
iluviación)
desarrollo de un suelo
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Suelos y Paleosuelos
• Relieve
– La profundidad del suelo depende de su ubicación en la
ladera:
>pendiente > erosión < profundad del suelo
La textura
La infiltración, percolación y escorrentía
Diversidad relacionada con microclimas
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Suelos y Paleosuelos
• Organismos vivos
– Acción de descomposición
de la hojarasca y humus
– Transporte de la materia
orgánica a horizontes
inferiores
– Ventilación del suelo
– Transporte y almacenaje de
CO2 y N
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Suelos y Paleosuelos
• Tiempo
o los suelos se desarrollaran mas fácilmente sobre
materiales no consolidados, que a partir de rocas
duras.
o Formación mas rápida en los climas húmedos y
cálidos que en climas secos y fríos. (1mm/año
hasta 0,001mm/año)
o Es de resaltar como la velocidad de formación
del suelo decrece drásticamente con la edad, ya
que en un principio el material edáfico
evoluciona hacia la formación de un horizonte A
(de alteración de materia orgánica), que es de
rápida formación, y una vez formado este
horizonte el suelo se desarrolla originando
horizontes B (de alteración mineral), de mucha
más lenta formación.
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Suelos y Paleosuelos
•
•
•
•
Horizonte O: horizonte formado por materia orgánica. Algunos horizontes O
están saturados durante largos períodos o lo estuvieron; otros no han estado
nunca saturados.
Horizontes A: horizontes minerales formados en la superficie (o por debajo de
un horizonte O), que carecen total o casi totalmente de la estructura original de
la roca parental y que poseen uno o más de los siguientes atributos: (1) una
acumulación de materia orgánica humificada, íntimamente mezclada con la
fracción mineral (2) propiedades que resultan del laboreo, el pastoreo u otras
perturbaciones similares. Horizonte eluvial
Horizontes E: horizontes minerales en los que el rasgo principal es la
pérdida de arcilla, hierro, aluminio o alguna combinación de esos
componentes, con la consiguiente concentración de partículas de arena
y limo. Color mas claro que el HB.
Horizontes B: horizontes total o casi totalmente desprovisto de
estructura de roca y que posee uno o más de los siguientes atributos;
•
•
•
•
•
•
H iluvial con concentración de arcilla, hierro, aluminio, humus,
carbonatos, yeso, o sílice, solos o en combinación
evidencia de eliminación de carbonatos;
concentración residual de sesquióxidos (hematita, goethita);
alteración que forma arcillas silicatadas, libera óxidos o ambos y que
forma estructura de suelo (prismas, bloques, columnar)
Horizontes C: horizontes o capas, excluyendo roca consolidada, que
han sido poco afectados por los procesos edafogénicos
Capas R: sustrato rocoso
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Suelos y Paleosuelos
• Existen diversas clasificaciones de suelos en función de su
génesis, características físico-químicas, y su zonación climática.
• La clasificación de la USDA es bastante usada en paleosuelospaleoclima por su sencillez.
Aridisoles = suelos de zonas áridas (horizontes cálcicos)
Mollisoles = templados-semiáridos en praderas (potente A)
Alfisoles, Ultisoles, y Spodosoles = forestales (potente B)
Oxisoles = suelos tropicales s (maxima oxidación)
Histosoles = suelos en humedales (Horizontes O/C)
Gelisoles = suelos apea boreales, con permafrost
Andosoles= suelos sobre materiales volcánicos
Vertisoles = suelos en arcillas expansivas
Entisoles = Pobre desarrollo de A sobre horizonte C
Inceptisoles = B poco desarrollado
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Suelos y Paleosuelos
• Suelos representativos de distintas zonas climáticas
I: Suelo poco desarrollado, sobre roca (A/C); D: suelo joven, con un horizonte A
discontinuo, y un horizonte C que presenta claros vestigios de la estructura
sedimentaria de los depósitos fluviales originales. entisoles
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Suelos y Paleosuelos
Suelo de clima templados humedos y
vegetación forestal (hoja caduca) con
horizontes eluviales e iluviales bien
diferenciados en su morfología
Suelo de clima frío y vegetación forestal de
coníferas, con horizonte B (Bhs) de acumulación
de compuestos orgánicos , Fe y Al
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Suelos y Paleosuelos
• Suelo de clima tropical húmedo,
muy desarrollado desde el punto
de vista químico por su
meteorización muy intensa, pero
poco diferenciado en su
morfología. Horizonte A poco
evidente y Bo de concentración
residual de sesquióxidos de hierro
y aluminio
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Suelos y Paleosuelos
• Paleosuelos
o Aquellos preservados en el registro
geológico
o Pueden asumir distintas posiciones
estratigráficas (enterrados o a la superficie)
o Conservan registros que permiten estimar
distintas variables climáticas
(precipitación, estacionalidad, temperatura)
y de la vegetación (natural o introducida
por el hombre)
o Poseen características de color,
composición y de estructura especificas..
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Suelos y Paleosuelos
Posición estratigráfica: A: Paleosuelo poligénico aflorando en superficie. B: Paleosuelo consolidado (welded
paleosol). C: Paleosuelo cerca de la superficie (actúa como h C suelo actual); D: Paleosuelo enterrado,
separado del suelo superior por una unidad estratigráfica no edafizada; E: Paleosuelo enterrado, fosilizado;
F: Paleosuelo exhumado
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Suelos y Paleosuelos
Características específicas de los paleosuelos:
1.
Composición mineralógica y estructural
Materia orgánica
Alteración química
Cementación
Compactación
2.
Visibles en campo
Color
Bioturbación
Horizontes diagnóstico
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Suelos y Paleosuelos
• Materia Orgánica
Menor contenido de materia orgánica en paleosuelos enterrados
(descomposición por microorganismos, y cesa aporte exterior)
• Alteración química
Oxidación de los óxidos y hidróxidos de Fe (formación de hematita)
Hidrólisis de minerales silicatados (ejº silicatos sódicos, albita ->
caolinita)
Deshidratación de minerales: (goetita -> hematita; yeso -> anidrita)
Recristalización (calcita)
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Suelos y Paleosuelos
• Cementación
pérdida de la permeabilidad del suelo debido a la precipitación de
calcita, gipsita, sílice en los espacios antes ocupados por gases o solutos
• Compactación
Acción del peso de los sedimentos u horizontes superiores, y
eliminación de los espacios lacios entre las partículas y aglomerados
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Suelos y Paleosuelos
Color
• indicador climático:
Árido, largos períodos de sequía: colores rojizos (óxidos férricos).
Negro rojizo, presencia de nódulos y películas de compuestos de hierro y
manganeso.
Árido y semiárido, en sustratos calizos u salinos: blancos.
Semiárido-subhúmedo: colores pardos /amarillentos (óxidos de hierro
hidratados unidos a arcillas y/o materia orgánica)
Templado húmedo: oscuro y/o Gley. Oscuro-Presencia de m.o.
Gley (gris verdoso) : agua permanece (freáticas). La reducción del hierro
ferroso es dominante sobre la oxidación del hierro, El hierro precipita en
la capa donde fluctúa el nivel de las aguas freáticas
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Suelos y Paleosuelos
• Bioturbaciones
Rizoconcreciones, pedotubulos, raíces fosilizadas,
termiteros, …
• Horizontes de diagnóstico
existencia de horizontes iluviales, indica un suelo mas
desarrollado y un periodo de estabilidad ambiental
largo:
Bc un horizonte B cálcico desarrollado indica además
condiciones específicas de temperatura y precipitación
(Rm <200 mm y Tmed >15ºC)
Bt: Horizonte argílico (Rm >400 m, desarrollo lento;
Rmm 1000-1200mm, desarrollo rápido)
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Suelos y Paleosuelos
Los suelos guardan además huellas de una
variable fundamental….
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Registros Biominerales
Biominerales de sílice y oxalato cálcico
• Presentan, dependiendo de las condiciones
fitoclimáticas que han estado presentes durante su
etapas de formación, hasta un volumen de 10% de
biominerales en relación al volumen total de la
fracción mineralogica total.
• Estos son de naturaleza silícia o carbonatada.
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Registros Biominerales
•
•
Estos biominerales son los fitolitos
Su valor en las reconstrucciones Paleoclimáticas y de Cambio
Global reside en:

Buena respuesta a cambios ambientales (precipitación, temperatura,
estacionalidad) y a los resultantes de la actividad agrícola y de
cambio de usos del suelo del hombre;
Buena preservación en suelos y sedimentos (se han encontrado en
materiales Cenozoicos, tanto continentales como en sondeos fondos
marinos).
Se encuentran no solo en suelos y ambientes de baja energía
(lacustres), como en sedimentos de alta energía (fluviales, loess, de
ladera)
Son minerales que resultan de decay-in-place, y no sufren transporte
desde otras áreas, en el área o desde otras regiones (como es el caso
del polen)
Muchos contienen charcoal en su interior (datación 14C, valores2713C)




Registros Biominerales
• Los fitolitos son biominerales que se forman tanto
en el interior de las células vegetales como en los
espacios extracelulares.
• La sílice que los constituye se produce a partir de la
disolución del sílice que se encuentra en el suelo y
de su absorción por la planta (sistema radicular)
• El ácido monosilícico es transportado a las distintas
partes de la planta donde se polimeriza (cuarzo
amorfo).
Tamaño 2-400µm (major 5-150)
Indices de refraccion 1.41 – 1.47
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Registros Biominerales
Función de los fitolitos en las plantas
• Aún se desconoce mucho sobre su formación, y razones de
la absorción y uso del sílice por las plantas. Los trabajos
publicados hasta la fecha barajan las siguientes razones:.
• Mantener la turgencia e evitar el colapso de las paredes de
las células ( fisíologistas vegetales Currie & Perry 2007)
• Protección con elementos tóxicos como el aluminio
(Carnelli et al 2002)
• Protección contra herbívoros y fungi (Hunt et al 2008;
Piperno 1988) , a semejanza con lo que pasa con las
funciones de los biominerales de oxalato calcico
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Registros Biominerales
Identificación (microscopio petrográfico)
• Índice de refracción (ca 1.42 )
• Cuando observados bajo luz polarizada: los fitolitos, constituidos
por silica amorfa (opal) se ven completamente oscuros, mientras el
cuarzo (silica cristalizada), se puede individualizar.
• Morfología- los fitolitos son, muchas veces, una copia exacta de la
célula en la cual la silica fue depositada y por lo tanto “heredan”
su forma
• Tamaño (2-500 µm).
• Forma 3D- los fitolitos son cuerpos tridimensionales. Las
muestras deben de ser siempre montadas en un medio liquido.
• Los fitolitos de menores dimensiones de la familia de las Poaceae
(de gran significado en los estudios paleoambientales) suelen
presentar una pequeña burbuja de citoplasma dentro del
biomineral, lo que hace su identificación inmediata.
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Registros Biominerales
Producción y deposición
• El número, tamaño y grado de mineralización depende
de varios factores:
o Suelo (cantidad de sílice soluble en el suelo)
o Agua en el suelo, y drenaje
o Edad de la planta (nº y morfologías)
o La familia o genera de la planta
• La acumulación de fitolitos en los suelos tiene una
carácter local, asociado al sitio donde la planta o fruto
se decompone.
• Estudios locales y regionales.
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Registros Biominerales
Sistemas de clasificación
1.Taxonómico
• No existe todavía un sistema de clasificación taxonómico para
todas las especies.
• Esto se debe a dos importantes propiedades de los fitolitos: la
multiplicidad y la redundancia: la capacidad de cada planta de
un determinado taxon de producir una gran cantidad de
morfologías, y además, de la existencia de una mima
morfología en distintos taxones (redundancia).
• Sin embargo al producir una gran cantidad de morfologías se
pueden identificar para varias morfologías únicas.
• En el caso de los cereales y de algunas especies arbóreas
europeas y norte america, ya es posible la utilización de un
sistema taxonómico.
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Registros Biominerales
2. Morfológico-taxonómico
• Sistemas de clasificación mas utilizados en
estudios de paleoambientes.
• Sistema desarrollado por Twiss (1969), y
complementado por Sese &Kondo (1974),
Mulholland &Rapp (1992) y Madella (2008).
• Criterio descripción y identificación:
1 – Morfología (forma 2D y 3D)
2 – Textura superficie
3 - Anatómica
• Permite una distinción entre especies, según
comunidades vegetales, arbóreas, arbustivas,
herbáceas, y individualizar su ruta
fotosintética (C3/ C4)
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Registros Biominerales
International Code for Phytolith
Nomenclature
M. Madella1, A. Alexandre, T. Ball
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Registros Biominerales
Las herbáceas como indicador privilegiado de
cambio ambiental
Ciclo vegetativo corto,
sensibles a los cambios ambientales (temp, precipitación,
proporción de CO2/O2 en atmósfera
Se altera el balance competitivo entre la proporción de
plantas C3/C4
Sensibles a cambios ambientales menos abruptos
ejºpequeños cambios en la duración o estacionalidad la
precipitación
Divididas en dos grandes grupos, según la forma
metabólica en que fijan el carbono
Son grandes productoras de fitolitos
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Registros Biominerales
• Las plantas de tipo C3 son las más abundantes (cerca del 95% de
las especies) y en ellas se incluyen la casi totalidad de las especies
arbóreas, arbustivas y algunas herbáceas (Pooideae y algunas
Panicoideae), y algas
•
La fijación de carbono en estas plantas se realiza a través del llamado
Ciclo de Calvin, que tiene lugar en las células del mesófilo. Según este
ciclo el CO2 que entra a través de los estomas se pone en contacto con la
enzima RuBisCO fijándose como una forma orgánica de 2 moléculas (3Fosfoglicerato), cada una de las cuales contiene 3 átomos de carbono-
• Las plantas de tipo C3 están mejor adaptadas a regiones con
elevadas concentraciones de CO2 (≥200ppm, Wingler et al.,
2000), temperatura e insolación moderadas (son por lo tanto
dominantes en las regiones de clima templado) y con
disponibilidad de agua en el suelo
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Registros Biominerales
• Las plantas de tipo C4 representan poco mas del 4% de todas las
especies de plantas terrestres (en su mayoría herbáceas, además de
algunos arbustos y juncos), aunque son las responsables del 5% del total
de la biomasa y del 30% del total de CO2 fijado
• Estas plantas están adaptadas a regiones con ambientes cálidos y
relativamente húmedos, y sobre todo con una menor concentración de
CO2
• El surgimiento de las plantas de tipo C4 está relacionado con la
adaptación de las plantas a cambios en la cantidad de CO2 atmosférico y
de temperatura – las primeras plantas de tipo C4 han aparecido hace 100
millones de años (cuando los valores medios de CO2 bajaron de 1000
ppm hasta valores inferiores a los 600-400ppm, pero su presencia no ha
sido significativa en los ecosistemas terrestres hasta cerca de los 12
millones de años BP expandiéndose a todos los continentes entre los 7 5 millones de años BP
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Registros Biominerales
Desde el punto de vista de la interpretación paleoambiental, la
proporción de fitolitos característicos de Poaceae con distinta ruta
fotosintética se puede sintetizar del siguiente modo:
· Predominio de plantas de la sub-familia Pooidea (C3) = fresco y húmedo
• · Predominio de plantas de la sub-familia Panicoideae (C3 y C4) = cálido y
húmedo
• · Predominio de plantas de la sub-familia Chloridoideae (C4) = cálido y seco
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