ALGUNOS ASPECTOS QUÍMICOS Y MINERALÓGICOS DE LAS ARCILLAS DE UN YACIMIENTO DE TABIO EN LA SABANA DE BOGOTÁ

Sergio Gaviria Meló e Inés Bernal da Ramfroi* Depar tamento de química , Universidad (nacional de Colombia, Bogotá .

SUMARIO

Se tomaron varias muestras de arcillas de un yacimiento en Tabio (Sabana de Bogotá) y se analizaron químicamente utilizando el método tradicional gravimétri-co y el método de abjsorción atómica. Para el estudio mineralógico, las muestras fueron pretratadas por el método de Jackson para separar la fracción arcillosa y luego analizadas por espectroscopia infrarroja y por difracción de rayos X. El prin­cipal mineral identificado fue caolinita seudomonoclínica. También se encontró ¡li­ta, pero en menor proporción. Los resultados obtenidos por espectroscopia infrarro­ja fueron confirmados por el método de difracción de rayos X.

ABSTRACT

Several samples of a clay deposit located in Tabio (Sabana de Bogotá) weresub-jected to chemical analysis by using both traditional gravimetric and atomic absor-tion methods. Mineralogical studies were done on pretreated samples accordin to-Jackson's method to sepárate the clay fraction. The, the were analyzed by ínfrased spectroscopy and x-ray difraction techniques. Pseudomonoclinic caolinita was the main mineral identified. Also, illite was present but in minor proportion. X-ray di­fraction analysis confirmed infrared spectroscopy results.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo forma parte del programa de estudio de arcillas colombianas que desarrolla el Departamento de Química y que ha tenido la colaboración del La­boratorio Químico de Ingeominas. Tiene por objeto contribuir al estudio de arcillas

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en la Sabana de Bogotá, teniendo en cuenta la importancia de las reservas que exis­ten en esta región. Este material es de gran importancia industrial y no ha sido so­metido hasta el presente a un estudio detallado con el fin de aprovecharlo como ma­teria prima en diversas industrias especializadas. Actualmente, la mayor parte del material arcilloso se utiliza empíricamente como materia prima en la industria de la contrucción.

Con base en los estudios de composición química y mineralógicos, y de acuerdo con las características y comportamiento, objeto de otros trabajos, será posible me­jorar la calidad de estos materiales para diversos usos por medio de mezclas y trata­mientos específicos para cada caso.

Para el presente estudio se escogieron muestras procedentes de un yacimiemto localizado en el valle del río Chicu municipio de Tabio; más exactamente de la la­drillera Sila situada en la vereda de Riofrío, sobre la variante Riofrío-Zipaquirá a la altura del Km. 5 de la carretera Cajicá-Tabio. Esta zona corresponde a la formación Tilatá y se puede localizar en el mapa-croquis geológico de la Sabana de Bogotá que aparece más adelante. Dicho yacimiento se encuentra situado sobre un cono aluvial compuesto principalmente de gravillas y conglomerados cuya capa de arcilla es del­gada y rica en hierro. Las reservas probadas en la región son de 43 millones de me­tros cúbicos (1).

Desde el punto de vista estratigráfico, la Sabana de Bogotá ha sido descrita por Burgl (2), Hubach (3) y Van der Hammen (•*). Los estudios sobre arcillas se encuen­tran compilados por Cárter et al. (O. De acuerdo con estos trabajos, la zona en estu­dio pertenece a la formación Tilatá que se ubica en las regiones marginales y en los valles un poco más altos de los afluentes del río Bogotá y aflora en niveles más altos que la prropia planicie de la Sabana. Está constituida por arcillas, arenas y cas­cajos principalmente(i).

PARTE EXPERIMENTAL

Los espectros de absorción atómica fueron tomados en un espectrofotómetro Perkin-Elmer, Modelo 306, con lámparas de cátodo hueco y accesorios para llama acetileno-aire y acetileno-óxido nitroso.

Los espectros infrarrojos fueron obtenidos en un espectrofotómetro Perkin-El­mer, Modelo 467 y utilizando pastillas de KBr.

Los difractogramas de polvo se tomaron utilizando una cámara Debye-Scherrer de 57.3 mm en una unidad de difracción de rayos X 12045-Norelco Co).

Los colores fueron determinados por comparación (s) y la textura por el método del Hidrómetro de Bouyoucos (*).

Análisis químico

Las determinaciones de SÍO2 y R2'-'3 fueron hechas por los métodos tradiciona­les gravimétricos C).

Los elementos Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti y Mn fueron determinados por absor­ción atómica. Para este análisis, las muestras fueron tratados por el método de HF (8).

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18 REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA - VOL 11 (1982)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las Tablas I y 2 muestran la identificación de las muestras de acuerdo a su pro­fundidad, color y textura.

La Tabla 3 resume los resultados de los análisis químicos. En cuanto al Si, Al y Fe, se compararon los resultados por los dos métodos (gravimétrico y absorción ató­mica) y los más concordantes fueron reportados en la tabla citada.

Con base en la composición química de las 14 muestras originales, se tomaron 8 para continuar el trabajo. Las tres muestras más superficiales y las tres más profun­das presentaron características similares y en cada caso se tomó la muestra interme­dia: la No. 2 y la no. 13. De las muestras del perfil intermedio, se tomaron las No. 4, 5, 6 y 7 porque presentan variaciones en su composición química, principalmente en los contenidos de Fe. Las muestras 8 y 9 son similares, lo mismo que las 10 y 11. Se tomaron entonces las muestras 8 y 11, respectivamente.

El siguiente paso consistió en someter las muestras a tratamiento para reposar y purificar la fracción arcillosa. Se utilizó el método de Jackson (9), que consiste en remover las sales solubles y carbonatos, materia orgánica, óxidos de hierro libres y aluminosilicatos amorfos con el fin de separar en una etapa posterior las diferentes fracciones granulométricas (10, 11). En cada una se tomó la fracción fina y se les hizo el espectro infrarrojo en pastilla de KBr. Se tomaron, así mismo, espectros mi­nerales patrón para comparación. Fgs. 1, 2 y 3.

Por último, se tomaron los difractogramas en polvo, cuyo estudio comparativo se observa en las Tablas 4, 5, 6 y 7.

Elementos mayores

Todas las muestras presentan un alto contenido en S¡02 (mayor del 60"/()),con valores máximos del 75" / " .

El AI2O3 es el segundo elemento en importancia y varía del 11 al 23"/o. Los resultados muestran que a medida que aumenta el porcentaje de SÍO2 disminuye el contenido de AI2O3.

Todas las muestras contienen cierto porcentaje de hierro que se expresa como Fe203. Se comprobó que el hierro se encuentra casi totalmente en estado de oxida­ción -I- 3. El Fe203 varía desde 1,5 hasta 6,5"/o. Los valores para FeO en todas las muestras están por debajo de O.IS^/o. Los compuestos de hierro originan las diver­sas coloraciones de las muestras. Las muestras superiores presentan una coloración amarillo claro (nos. 1 a 4) y contienen de 2 a 3*'/o de Fe203. Enlas muestras inter­medias, comprendidas entre los Nos. 5 y 9, el color es amarillo naranja y el conteni­do de hierro aumenta de 3,5 a 6,5"/o; y las muestras más profundas, itre los Nos. 10 y 14, presentan una coloración gris clara y su contenido de hierro es bajo, 1,5 a 2 2,0"/o. Tablas 1 y 3.

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20 REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA-VOL 11 (1982)

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22 REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA-VOL 11 (1982)

Elementos menores

El TÍO2 ^stá presente en todas las muestras con un porcentaje más o menos cons­tante alrededor de 1°/o, con excepción de la muestra No. 7 que tiene 0,7°/o y la muestra No. 12 que tiene 1,5"/o.

El K2O varía entre 0,2 y 1,6''/o.

El MgO varía entre 0,1 y 0,6"lo.

El CaO y el Na20 están presentes en concentraciones menores de 0,2°/o y el Mn02 está prácticamente ausente. Tabla 3.

ESPECTROS INFRARROJOS

Todas las muestras dan espectros similares que corresponden por compensación al mineral arcilloso denominado Caolinita.

El análisis de los espectros se hizo con base en los datos reportados en la l iteratu­ra y por comparación directa con algunas nruestras patrones.Casi tcxJas las bandas de absorción pueden asignarse a un t ipo específico de vibración: A 3680 cm - 1 aparece una banda que corresponde a la vibración antisimétrica de un grupo OH unido al Al fuera de fase que para la caolinita se debe a vibraciones de estiramiento de grupos OH pcx:o asociadlos. En la literatura esta banda se sitúa a 3681 cm - 1 (11).

A 3650 cm - 1 se encuentra una banda débil que corresonde a la vibración simé­trica OH-AI cuando la simetría de la estructura no es ideal.

A 3620 cm - 1 se presenta una banda que corresponde a la intercapa de puentes de hidrógeno entre los grupos OH del plano basal y los oxígenos de la siguiente capa. Los OH están situados sobre un lado de la capa tetraédrica. La literatura sitúa este pico exactamente a 3617 cm - 1 (11).

Las muestras presentan sólo bandas débiles debidas a aguas de absorción que se sitúan a 3400 y 1640 cm - •. Por lo tanto, es de esperar que se encuentran en un buen estado de deshidratación indispensable para los estudios mineralógicos. Los si­licatos, tales como la caolinita, donde no existen sustituciones del A l por Si, pre­sentan espectros aguzados en la región entre 1150 y 4(X) cm - 1 . En efecto, todas las muestras presentan fuertes bandas de absorción a 1080, 1030, 1010, 910, 530 y 460 cm. Las tres primeras son debidas a vibraciones en el plano entre Si y O ( n ) .

Las bandas que aparecen a 935 y 910 cm - 1 , se atribuyen a flexiones R-OH de la caolinita OO, pero la primera se muestra sólo como un codo de la banda fuerte a 9 1 0 c m - 1 .

Las bandas de absorción entre 800 y 600 cm - 1 no se han asignado en forma de­finit iva a un t ipo específico de vibración. Sin embargo, el patrón y las muestras pro­blemas presentan los mismos picos a 780, 690 y 600 c m - 1.

Por ú l t imo, en la región por debajo de 550 c m " ' aparecen cuatro bandas típicas de la caolinita, 530,460,430,340 cm~ ' , que coinciden en el patrón y en las muestras. La primera se atribuye a vibraciones Si-0-Al. Las bandas débiles a 370, 305, 290, 280 y 265 cm - ' coinciden satisfactoriamente con el patrón de caolinita.

R E V I S T A C 0 L 0 M B I A N A D E Q U I M I C A - V 0 L 1 1 (1982) 23

Por el estudio infrarrojo no se puede descartar la presencia de otro mineral arci­lloso: la ¡Mita. Las bandas características de este mineral se encuentran enmascara­das por las de caolinita y cuarzo que también está presente en la fracción fina. Las bandas de la illita reportadas por Pérez (12) están a 3620, 1080, 1030 y 800 cm - ' .

Por otra parte, en todas las muestras aparecen bandas que no corresponde ala caoli­nita. Todas ellas pueden ser explicadas debido a la presencia de cuarzo. Esta presen­ta las siguientes bandas: 1160cm " ' , 800 c m ^ ' , 395 c m ^ ' 370 cm~ ' y 780 c m " ' .

La banda a 3650 cm - ' , presente en todas las muestras, indica una ligera disime­tría en la estructura de la arcilla, y en todas las muestras tiene más o menos la mis­ma baja intensidad.

Los resultados obtenidos para el análisis de las muestras de arcillas por espectro­metría infrarroja se confirman en el estudio realizado para las muestras por difrac­ción de rayos X.

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

De acuerdo a los resultados de Rayos X de algunas de las muestras y al estudio por espectroscopia infrarroja se puede asegurar que todas las muestras analizadas constan del mineral arcilloso Caolinita mezclado con una forma cristalina de SÍO2 denomimada —Cuarzo—. Otras impurezas menores no afectan significativamente los resultados del estudio mineralógico.

Los difractogramas que se tomaron fueron los correspondientes a las muestras Nos. 5,7,8,11 y 13. A este respecto se pueden discutir los siguientes aspectos:

Todas las muestras dan líneas de difracción correspondientes a los minerales Caolinita y —Cuarzo—; sinembargo, cuando se compararon las intensidades norma­lizadas de Caolinita y —cuarzo— con los patrones ASTM se obutiveron valores más altos de los esperados para todas las muestras. Por esta razón se recurrió al método de comparación con los difractogramas de patrones en las mismas condiciones de trabajo. Se encontró que las líneas de difracción del patrón de Hita coinciden sa­tisfactoriamente con las líneas encontradas en las muestras y las intensidades norma­lizadas dan valores concordantes.

Como se anotó anteriormente en el estudio por Infrarrojo no se puede descartar la presencia de Hita por ese método, y la difracción de Rayos X dá claros indicios de su existencia en el yacimiento estudiado.

La Caolinita presente en el yacimiento en estudio, según los resultados de las di­fracciones, es la forma seudomonoclínica (distorsionada en el eje b). Así mismo, to­das las muestras contienen el mineral Cuarzo.

Las muestras Nos. 5 y 8 presentan como impureza una forma cristalina de oxido de aluminio: X—AI2O3.

La muestra No. 13presenta otra forma cristalina de S¡02 denominada Cristobalita.

La muestra No. 11 dio un difractograma de baja intensidad en sus líneas de di­fracción. Por esta razón sólo es posible observar las líneas más intensas que también coinciden en Caolinita y Cuarzo, pero no se pueden analizar con más detalle.

La muestra No. 7 no contiene otro tipo de impurezas cristalinas.

En resumen, todas las muestras dan espectros similares que co'-responden por comparación al mineral arcilloso denominado Caolinita. Por el estudio infrarrojo no se puede descartar la presencia de otro mineral arcilloso: Hita; las bandas caracteris-

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28 REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA-VOL 11 (1982)

Tabla No. 5

ESTUDIO COMPRATIVO DEL D IFRACTOGRAMA DE LA MUESTRA No. 7 "

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1,50 ( 20 ) 1.49 ( 100) 1,46 ( 3 0 8 ) 1,45 ( 3) 1.43 ( 20) 1,42 I 1 )

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1,29 ( 1 0 ) 1,29 ( 3 0 ) 1,29 ( 3 ) 1,28 I 10) 1,26 ( 4 ) 1,25 ( 5 ) 1,25 I 10 1 1,24 ( 30B) 1,23 ( 2 )

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REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA-VOL 11 (1982) 29

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30 REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA - VOL 11 (1982)

MuanaNo 13

U S 1.26

1.23 1.20

1.18 1.15

( 301 ( 301

( 2S 1 1 30)

1 361 1 261

TaHatto 7

ESTUDIO COMPRATIVO DEL DIFRACTOGRAMA DE LA MUESTRA No. 13-

CMIMIÍU Rita H ^ t m L - CMfXO Cristobaliu AljSijOsIOHIa NBS SiOj SiOj I -20-C7 «-231 I - 1S -C I 5-4S0 I - 4 3 - f 1 2 11-096

j Á I/I„ dX V \ , O* 1/I„ I»* l / l . ' ^ " "o

7.14 I 601 7.18 I 1001 4, Í6 I 508 I 4,48 ( 808 1 4.25 I 901 4,26 I 40 1 4.26 1 35 I

4,23 I 30 1

4.04 I 60 1 3.66 ( 30e 1 3.58 ( 10t>* I 3,32 1 1001 3,34 1 1001 3.34 I 1001

2 S 3 I 6 I 2,66 ( 3SB I 2,66 I 801 2.57 I 301

2,50 ( 801 2.4b ¡ 408 I 2.45 1 201 2,46 I 12 1

2,39 I 80 1 2.34 ( 101 2.34 I 908 1 2,28 1 40 1 2,28 2.23 I 101 2.21 I 106 1 2,24 2,12 I 401

1.98 I 35 1 1.99 I 401

1,66 I 408 1 1,67 I 608 I 1,65 I 70 1

1.54 I 80 1 1.54 ( 108 1 1.53 ( 20) 1,60 I 401

1,49 I 308 I 1,49 I 1001

1,43 ( 201

1.37 1 10B 1 1,34 ( 101 1,31 I 1081 1,34 I 10 1 1,31 I 108 1 1.28 I 30 1 1,26 I 101 1,25 ( 5 1 1,24 I 308 I

' i , 19 ( 101

1,29 1,26

1,23 1.20 Mis 18

1 31 1 4 1

1 21 t 21

liiwMde

1,17 1,08

4.05 3.53

3.14 2.84

2,48 2,46

1 1001 1 4 1

1 121 ( 14 1

1 20 1 1 61

2.13 I 9 1 2,12 2,02

I 408 1 1,98 1 61 1,93 ( 17 1 1 Í7

1,J6 I 2 I 1,73 I 2 1 1,69 I 4 I

1 7 I 1.63 I 2 I 1.61 I 6 1 1.60 I 41

I 16 1 1,67 ( 2 1 1,53 I 4 1 1,49 I 6 1

l'46 1 201 1,46 1 308 1 1.45 1 31 1.43 1.42 1 I I 1.42 I 4 1

1.40 I 4 1 1,38 ( 2 1 1,36 I 4 1 1,36 1 - 2 1 1,33 ( 4 1 1,30 I 4 1 1.28 1 4 1 1.24 I 2 I 1.23 1 2 1 1.22 ( 4 1 1,21 I 4 I 1,19 I 2 1 1.18 1 2 1

( 10 1 Más 45 líneas de I 10 I Hesta O 7809

* Las condiciones de trabajo de los patrones A.S.T.M. están consignadas en el cuadro

No. 17, apéndice No. 4.

REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA-VOL 11 (1982) 31

ticas de este mineral se encuentran entnascaradas por las de Caolinita y Cuarzo que también están presentes en la fracción fina.

Los resultados obtenidos por el análisis de las muestras de arcilla por espectrome­tría infrarroja se confirman en el estudio realizado para las muestras por Difracción (He Rayos X.

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