Geoquímica de Solos

GEOQUÍMICA DOS SOLOS
ADOLPHO JOSÉ MELFI
2009
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INTRODUÇÃO
Origem da Geoquímica – Ramo da geologia que se ocupava
(início do século XIX)
dos estudos sobre a composição
química dos materiais da crosta
terrestre
OBJETIVOS: (Goldschimidt, 1933)
(1) determinar as relações quantitativas dos elementos e
dos núclídios na Terra
(2) estudar a distribuição dos elementos nas esferas
geoquímicas terrestres
(3) analisar as leis que regem as relações quantitativas
e a distribuição dos elementos
Geoquímica dos Solos:
Ramo da geoquímica que aplica os conceitos
básicos da geoquímica no estudo dos solos e
nas suas relações com as demais geoesferas
(atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera)
Química do solo
Composição química
dos horizontes
Elementos trocáveis
X
Geoquímica do solo
Evolução vertical e
lateral (montante-jusante)
Geoquímica da superfície
CROMATOGRAFIA DA PAISAGEM
O que é solo ?
Definição - vários conceitos
Conceitos: dependem das funções que o solo desempenha
FUNÇÕES DO SOLO
Produção de alimentos
Produção de fibras
Produção de
biocombustíveis
Ciclagem de nutrientes
Armazenamento
de água
Reciclagem
de carbono
SOLO
Fonte de materiais
de construção
Filtro biológico
Depósito de
resíduos
Fundações
obras civis
Alimentos, fibras e biocombustíveis
SOLO: recurso finito ou infinito
População mundial
Atual – 6,5 bilhões de habitantes
Superfície de terras emersas
13,5 bilhões de hectares
Superfície de terras aráveis
3 bilhões de hectares
2025 – 8,5 bilhões de habitantes
RECURSOS MUNDIAIS EM SOLOS
Solo
recurso finito, pouco abundante
e não renovável
Interações com o ambiente
Solo é uma fina camada que se situa na interface entre
atmosfera, hidrosfera, biosfera e litosfera
Atmosfera
Hidrosfera
SOLO
Litosfera
Biosfera
Interações com o ambiente
► Solo recebe da atmosfera partículas poluentes (metais pesados) e
compostos tóxicos (NOx, SOx – chuvas ácidas) fixando-os por via física,
química e biológica e/ou transformando-os, essencialmente, por via
biológica
► Atua como reservatório do carbono, fixado pelas plantas e matéria
orgânica do solo. Participa no controle de emissões de CO2 (gás de efeito
estufa)
► Desempenha papel de filtro natural para água e efluentes antes de
atingirem os lençóis de águas subterrâneas
Habitat biológico e reserva genética
► O solo contém 99% da biodiversidade (apenas 1% é estudada).
Qualidade do solo está associada à diversidade e intensidade da
atividade biológica, aspecto fundamental na produção de alimentos
► Microorganismos são importantes na fixação do nitrogênio atmosférico
e na mineralização do N e de outros nutrientes presentes na matéria
orgânica do solo. Solubilização de nutrientes da matéria mineral e na
estabilização do ecossistema solo
Depósito de resíduos e lixo
►Locais apropriados para a deposição de resíduos de diversas atividades
humanas: industriais, urbanos (aterros sanitários), agrícolas
Fonte de material (matéria prima)
► Fornece areia para construção civil e indústria de vidro, argila para a
indústria cerâmica, para vedar barragens, etc.
► Fonte de minérios, como por exemplo bauxita, couraças ferruginosas,
etc.
Solo –
submetido a qualquer ação que tende modificar suas
propriedades físicas, químicas e/ou biológicas pode
sofrer degradações
Para impedir ou minimizar os efeitos dessas transformações, a moderna
ciência do solo deve estudar o solo sob o ponto de vista de sua dinâmica
e evolução, descrevendo seu estado atual de organização (anatomia do
solo) e seu funcionamento (fisiologia do solo) no modelado terrestre, o
qual irá permitir não só reconstruir sua história, mas também prever
sua evolução futura
DA ROCHA AO SOLO E DO SOLO À ROCHA
Para o cientista solo: material constituinte da pedosfera
Solo
É o resultado das transformações químicas,
físicas e mineralógicas sofridas pelas rochas
na superfície da Terra, na interface litosfera,
atmosfera, hidrosfera e biosfera
Definição não é correta - intemperismo
A SUPERFÍCIE DA TERRA
Os ciclos geológicos
Superfície da Terra é constituída por rochas
processos endógenos
Geradas no interior do Terra (prof. entre 16 e 160km)
P entre 5 e 50 kbars e ToC entre 700 e 1200
Quando na superfície tornam-se instáveis
Processos exógenos
Transformações químicas, físicas e mineralógicas
(P = 1 bar e T entre 10 e 20oC em média)
CICLOS GEOQUÍMICOS
Dois ciclos agem na Superfície da Terra
Ciclo externo ou exógeno
Ciclo interno ou endógeno
Três fontes
de energia
Interna – radiatividade
Externa – solar e gravitacional
Ciclo endógeno ou interno : se manifesta pela renovação
dos fundos oceânicos, que permite a criação de uma
nova litosfera ao longo das dorsais oceânicas e nas
bacias marginais. Este ciclo se desenvolve em meio
sólido, e cerca de 1024 kg de manto superior são
reciclados a cada bilhão de anos
Ciclo exógeno ou externo : alteração das rochas na
superfície, transporte dos elementos liberados e
sedimentação. Meio essencialmente líquido
(hidrosfera) ou gasoso (atmosfera) e movimenta-se
através do ciclo da água, o qual é regido por dois
motores: radiação solar e gravidade
Ciclo Externo
No interior do ciclo exógeno: podem ser separados
2 grandes conjuntos
evolutivos
Ciclo exógeno s.l.: envolvendo inclusive a
sedimentação marinha
Ciclo supérgeno: se desenrola na epiderme dos
continentes, o qual atuando sobre
as rochas podem formar rochas,
solos, saprolitos, formações
superficiais, jazidas minerais, etc.
O ciclo supérgeno
se desenvolve
Intemperismo
Pedogênese
por meio
Erosão
quatro processos
principais
Sedimentação
continental
Intemperismo:
Processos físicos, químicos e biológicos que
provocam a transformação das rochas na superfície da Terra, sob ação de agentes atmosféricos, hidrosféricos e biosféricos
Limite de atuação:
superior - superfície da Terra em contato
com a atmosfera
inferior - variável, poucos metros a algumas
centenas de metros
Pedogênese:
 Reorganiza os materiais resultantes da alteração das
rochas, sob a ação de agentes biológicos (organismos
vivos vegetais e animais). Reorganização em horizontes,
que no conjunto denominamos de perfil de solo
 Conceitos de pedogênese e intemperismo em geral se
confundem:intemperismo é mais amplo e, em geral, atua
junto com a pedogênese na formação dos solos
Erosão:
Remoção de materiais na superfície da Terra,
provocado pelo trabalho mecânico das forças
meteóricas, como por exemplo: vento, água, gelo,
etc. (erosão física) ou pela dissolução química
promovida pelas águas e soluções que percolam
as rochas e os solos (erosão química).
Erosão física (mecânica) e erosão química provocam
o abaixamento da superfície da Terra (denudação),
e o aplainamento do terreno pelo transporte de
substâncias sólidas ou dissolvidas de regiões mais
elevadas para regiões mais baixas.
Chuva
Esc oam ento superfic ial:
desloc am ento de
partículas
Infiltraç ão:
dissoluç ão
de m inerais
Erosã o m ec ânic a
Erosão química
Lenç ol freático
Sedimentação:
Trata-se da sedimentação continental, que representa uma acumulação local de fragmentos (sedimentação detrítica) ou de materiais reprecipitados
(sedimentação química) que foram transportados
e depositados por forças erosionais.
A sedimentação continental é freqüentemente
transitória, pois pode ser retrabalhada pela erosão,
sendo o destino final desses materiais os fundos
oceânicos
INTEMPERISMO
O intemperismo atuando sobre a rocha, por um certo tempo, promove
a formação do manto de intemperismo ou de alteração, cujo
estudo é feito por meio do perfil de alteração
Físico
Desagregação das rochas, com
separação dos grãos minerais, antes
coesos. Não ocorrem modificações
químicas e mineralógicas
Tipos de intemperismo:
Químico
Processo dominante na alteração
das rochas. Age por meio de
reações entre a água (chuva) e
os minerais Ocorrem modificações nas composições químicas
e mineralógicas
REAÇÕES ENVOLVIDAS NO INTEMPERISMO QUÍMICO
Equação genérica do intemperismo químico
Mineral
primário
+
Solução de
alteração
Mineral
+
secundário
Solução de
percolação
Reação depende: Leis do equilíbrio químico
Oscilações das condições ambientais
Hidratação
Dissolução
Tipos de reações
Oxidação
Hidrólise
Hidratação, dissolução e oxidação: reações específicas para
alguns minerais ou grupos de minerais
Hidratação – entrada da molécula de água na estrutura de um mineral
anidrita (CaSO4)
Gipso (CaSO4.2H2O)
Dissolução – minerais altamente solúveis (evaporitos)
Halita (NaCl), Calcita (CaCO3)
Oxidação – minerais constituídos por elementos que possuem mais
de um estado de oxidação, como por exemplo Fe, Mn, etc.
Piroxênio (FeIISiO3)
FeIIIO3 (hematita)
Hidrólise – reação que melhor caracteriza o intemperismo. Afeta
todos os silicatos (principais constituintes das rochas)
Água dissociada (H+ e OH-) – desloca os elementos (alcalinos e alcalino
terrosos) da estrutura do silicato, que entra
em colapso e libera Si e Al para a solução
Os elementos em solução: em função de sua mobilidade e das condições
de fluxo das soluções e de pH podem ou não
se reorganizarem para formar minerais
secundários (p.ex. argilominerais)
Hidrólise normal - hidrólise
Em função do pH
Hidrólise ácida - acidólise
Hidrólise alcalina - alcalinólise
Hidrólise
Mecanismo dominante: regiões tropicais, equatoriais e temperadas quentes
pH das soluções entre 5 e 9
Al imóvel
Si e bases comportamento variável
função do fluxo das soluções
3 graus da hidrólise
KAlSi3O8 + 8 H2O
Ortoclásio
2 KAlSi3O8 + 11 H2O
Ortoclásio
2,3 KAlSi3O8 + 8,4 H2O
Ortoclásio
3 H4 SiO4 + Al(OH)3 + (K+ + OH-)
Solução
Gibbsita Solução
4 H4SiO4 + Si2Al2O5(OH)4 + 2 (K+ + OH-)
Solução
Caolinita
Solução
3,2 H4SiO4 + Si3,7Al0,3O10Al 2(OH)2 K0,3 + 2 (K+ + OH-)
Solução
Beidellita
Solução
(1)
(2)
(3)
Reação 1 – Hidrólise total - alitização
 Si e cátions são eliminados
 Permanece Al sob a forma de gibbsita (Al(OH)3
 O Fe também permanece
Reação 2 – Hidrólise parcial - monossialitização
 Cátions eliminados totalmente
 Sílica parcialmente (66%)
 Sílica e alumínio se combinam – caolinita (argilomineral 1/1)
Reação 3 – Hidrólise parcial - bissialitização
 Cátions eliminados parcialmente (87%)
 Sílica parcialmente (46%)
 Sílica, alumínio e cátions se combinam – esmectita (argilomineral 2/1)
Acidólise (hidrólise ácida)
Mecanismo: regiões frias, boreais com evolução lenta da matéria orgânica
formação de ácidos orgânicos hidrossolúveis
pH inferior a 5 faixa onde Al (Fe) podem ser solubilizados
graus da acidólise dependem do pH (abaixo de 3 e entre 3-5)
2 graus da acidólise
KAlSi3O8 + 4 H+
Ortoclásio
9 KAlSi3O8 + 32 H
Ortoclásio
3 H4SiO4 + 4 H2O + (Al3+ + K+)
Solução
6,5 H4SiO4 + 3 Si3,5Al0,5O10Al 2(OH)2 [Al(OH)2]0,5 + (1,5 Al3+ + 9 K+)
Solução
Beidellita aluminosa
Solução
(1)
(1)
(2)
(2)
Reação 1 –acidólise total - podzolização
 pH inferior a 3 - todos elementos em solução - são eliminados
 Não há formação de minerais secundários
Reação 2 – acidólise parcial - aluminossialitização
 pH entre 3 e 5 – eliminação do alumínio não é completa
 Si e Al podem se combinar para formar argilominerais 2/1 aluminosos
Alcalinólise (hidrólise alcalina)
Mecanismo: pequena representatividade geográfica, regiões áridas e semi-áridas
ocorrência não contínua, soluções com reagentes básicos
pH superiores a 9,6
Dissociação do H4SiO4
H3SiO3-
Alumínio, pelo menos parcialmente como Al(OH)4-
2 graus da alcalinólise
OH-
6H3SiO4- + 2Al(OH)4- + 2(K+ , OH-)
solução
6SiO2.Al2O3K2O
Ortoclásio
(1)
OH-
6SiO2.Al2O3K2O
Ortoclásio
(Si2Al)6Na.H2O + 4H3SiO4- + Al(OH)4- + Na+ K+ , OH- (2)
Analcita
Solução
Reação 1 –alcalinólise total - solodização
pH superior a 11,3
Sílica e alumínio em solução na forma aniônica
 Não há formação de minerais secundários
Reação 2 – alcalinólise parcial – bissialitização
zeolitização
 Meio não é suficientemente alcalino para que todo Al e Si estejam como ânions
 pH entre 9-10 – alcalinidade nítida, meios menos concentrados - bissialitização
 pH superiores a 10, meios mais concentrados, Al na forma aniônica reage com
a sílica para formar um silicato (tectossilicato) - zeolitização
FATORES QUE CONTROLAM O INTEMPERISMO
Rocha:
Fator passivo, reage à ação dos outros agentes em função de sua
composição química e mineralógica, textura e estrutura
Clima:
Fator ativo mais importante, fundamental na formação do saprolito.
Condiciona sua distribuição no globo. Age por meio da quantidade e
qualidade das água (temperatura). Definem o tipo da hidrólise
Relevo: Atua sobre as condições hidrodinâmicas do meio (velocidade de fluxo),
sobre as condições de transporte (erosão) e sobre as condições
climáticas
Organismos:
Influenciam a qualidade da água de alteração, seu pH; rochas
colonizadas por liquens e algas são mais facilmente alteradas
Tempo:
Fator importante para o desenvolvimento do manto de alteração. Sua
influência varia de acordo com o tipo de rocha e de clima
Os tipos de reações hidrolíticas controlam a
formação dos minerais secundários.
Os argilominerais são praticamente onipresentes
e permitem separar os grandes domínios de
alteração em 5 grandes zonas
(associadas ao clima)
Regiões do globo onde inexiste água líquida -14%
(10% zonas recobertas por gelo e 4% zonas áridas)
Regiões frias do globo com degradação lenta da matéria orgânica e
formação de compostos ácidos hidrosolúveis (hidrólise ácida) - 16%
Regiões temperadas, estépicas e semi-áridas (bissialitização) – 39%.
Nas zonas mais secas bissialitização pode ser acompanhada de
formação de crostas calcárias (alcalinização)
Regiões tropicais úmidas, com estações secas alternadas. Domínio da
(monossialitização) - 18%. Nas regiões onde estação seca é marcada
pode ocorrer couraças ferruginosas (lateritização)
Regiões equatoriais muito úmidas, a caolinita pode ser acompanhada
por expressivas quantidades de gibbsita (alitização) – 13%
Distribuição dos principais processos de formação dos minerais secundários das alterações
e dos solos na superfície da Terra. 1) Zona de alitização, 2) Zona de monossialitização, 3)
Zona de bissialitização, 4) Zonas áridas sem alteração química, 5) Zona de acidólise total
(hidrólise ácida), 6) Zona coberta por gelo, sem alteração química e 7) Áreas tectonicamente
ativas, nas quais os tipos de alteração encontram-se modificados.
O manto de alteração (saprolito) apresenta características diferentes
nas diferentes zonas climáticas do planeta
Saprolito: definições
Geologia: rocha alterada “in situ” pela ação
do intemperismo, podendo ou não
preservar a estrutura da rocha original
Ciência do Solo: confunde-se com o horizonte
C, isto é, horizonte mineral não afetado
pelos processos pedogenéticos
Zonas tropicais: saprolito é, em geral, material de
origem do solo
Saprolito: Variações faciológicas
o tipo de rocha
Saprolito varia com
a posição geográfica
 Saprolito grosso
 Saprolito fino
Saprolito Grosso: definição
 Material de textura grossa, cujos elementos
apresentam granulometria variando de
centimétrica a decimétrica, constituído
por minerais primários individualizados
ou parcialmente desagregados, ou por
fragmentos de rochas, com minerais
primários associados e parcialmente
alterados
Saprolito Fino: definição
 Material de textura fina, com granulometria
milimétrica a submilimétrica, constituído
por minerais primários resistentes à
alteração (quartzo), mas sobretudo por
minerais secundários. De acordo com a
localização geográfica do perfil, e com o
tipo de rocha, o saprolito fino pode
apresentar -se subdividido em vários
fácies
Saprolito: importância
 Material de origem da maior parte dos
solos tropicais
 Material de construção (estradas, etc.)
 Depósito de resíduos
 Concentrações de minerais economicamente aproveitáveis (bauxita)
Saprolito - material de origem de solos
Saprolito - material de origem de solos
Saprolito - material de construção
Saprolito - formação de minérios (bauxita)
PEDOGÊNESE
Dokuchayev –– solo como função de cinco fatores principais
(Pai da pedologia)
Rocha matriz
Clima
Organismos
Relevo e altitude
Tempo
Jenny (1941) – S= f (M.O., C, R, O,T.....)
Salientou a importância do próprio clima do solo (temperatura e
drenagem), os organismos e o relevo.
Formação do solo
O QUE DIFERENCIA O SAPROLITO DE UM SOLO?
Saprolito – material friável, móvel, anidro, mineral e abiótico
Solo – corpo organizado, vivo e ativo, friável, poroso, hidratado, mineral
e orgânico, capaz de assegurar a alimentação mineral dos
organismos vivos autotróficos e, em particular, dos vegetais
superiores
Quatro mecanismos são fundamentais para a reorganização do saprolito
e promover a formação de um corpo organizado (SOLO)
Adição de matéria
Perda de matéria
Transformação de matéria
Translocação de matéria
Os quatro mecanismos permitem, com o tempo, o aparecimento de uma
organização em camadas, sensivelmente paralelas à superfície do terreno
e que se diferenciam entre si por características físicas, quimicas,
mineralógicas
A organização ocorre tanto verticalmente,
como lateralmente, função do modelado do relevo
Topossequência de Kossélili (Bocquier, 1971)
acumulação lateral de matéria
Solos latossólicos
Solos lixiviados
hidromórficos
Solos planossólicos
Solonetz
solodizado
Saprolito torna-se solo
Capaz de assegurar a alimentação das plantas
Saprolito
Solo
Capaz de assegurar a alimentação das plantas
Vida
água + elementos minerais
ar
Solo
água
rocha
estágio intermediário (sólido-líquido)
Esqueleto
Complexo argilohúmico
Papel do complexo argilohúmico do solo na alimentação
dos organismos autotróficos
Matéria sólida
inerte
Mineral (rocha)
Orgânico (tecidos)
Liquido
Alteração
Complexo (Plasma)
K+
Argila
Humus
Solução
PO4-
NO3-
Decomposição
Pós-morte
Matéria
viva
Alimentação
Fase mineral
Fase orgânica
Alteração das rochas
e dos minerais
primários
Decomposição da
matéria orgânica
fresca
e humificação
argilas
Humus e
polissacarídeos
Associações
organo-minerais
complexo argilohúmico
Pedoplasmação
(agregação)
Principais etapas de formação do solo
Complexo argilohúmico
parte ativa do solo com propriedades específicas, que o caracteriza:
Sistema hidratado
Sistema dinâmico
Sistema reativo
(adsorção, troca iônica, catálise)
Sistema evolutivo
(no tempo)
1) Sistema hidratado – mesmo em meios fortemente evaporantes.
Água contida nestes meios é fortemente ligada a estrutura
cristalina das argilas
2) Sistema dinâmico – umectação e desidratação provocam
variações de volume
3) Sistema reativo - do ponto de vista físico-químico devido às
características da interface sólido-líquido (adsorção, troca
iônica, catálise, etc.). Reatividade varia com o grau de
hidratação do meio
4) Sistema evolutivo (no tempo) – estrutura em camadas dos
argilominerais permite adaptações cristaloquímicas
contínuas e progressivas
Solo corpo vivo que evolui com o tempo
Fase Jovem:
► Componente mineral dominante (minerais primários)
► Alta reserva de nutrientes (cátions alcalinos e alcalino terrosos
► Esqueleto abundante
► Complexo arghilohúmico pouco desenvolvido
► Material praticamente inerte. Biosfera pouco desenvolvida
Fase Madura:
► Meio equilibrado
► Reserva em elementos nutrientes importante
► Fertilidade elevada
► Complexo argilohúmico bem desenvolvido
► Biosfera atinge sua plenitude
Fase Senil:
► Equilíbrio é rompido, lixiviação contínua esgota reserva do complexo
► Complexo argilohúmico começa a se desestruturar
► Quebra das ligações complexo-esqueleto do solo
► Liberação de argila na forma dispersa (vertical e lateralmente)
► Permanece “in situ” esqueleto (arenoso ou siltoso)
► Esqueleto com minerais primários resistentes (quartzo, muscovita) ou
secundários (gibbsita, óxidos de ferro, calcita) dependendo do clima
► Material inerte impróprio para o desenvolvimento da biosfera
Com o tempo solo evolui para materiais anidros, incoerentes
ou coerentes com características de sedimentos ou rochas
Zonas frias ou equatoriais úmidas:
Espodossolos (podzois)
sedimentos arenosos (areias brancas)
Zonas semi-áridas:
Solos alcalinos (planossolos nátricos)
crostas calcárias,
evaporíticas
Zonas tropicais:
Latossolos
bauxitas ou lateritas (couraças ferruginosas)
SISTEMA
LATOSSOLO-ESPODOSSOLO
Sistema Latossolo/Espodossolos
na Amazônia
500m
50m
Níveis de transformações
Latossolos argilosos
Solos intermediários
Podzóis arenosos
Areias brancas
Evolução do sistema latossolo/espodossolo (podzol) na Amazônia