Alteração e solos Tomasz Boski

Meteorização •  Desintegração física e alteração química

de rochas na superfície terrestre

O Tipo e a intensidade da meteorização são zonais e constituem a base para a definição de sistemas morfoclimáticos

Principais fatores de desintegração física (alteração mecânica): • gelo • raízes • sais • mudanças de temperatura • descompressão • abrasão durante transporte

Cunhas de gelo – congelação de água e derretimento de gelo

Preenchimento da fenda por água

Congelação

9% de aumento em volume

Aumento do tamanho da fenda

Cunhas de gelo Intervalo térmico optimal -5º a -15ºC

Em zonas de alta montanha prevalece alteração mecânica

Principais factores de alteração mecânica: • gelo, • Raízes - a procura dos nutrientes minerais faz os raízes penetrarem nas fendas de rochas • sais • mudanças de temperatura • descompressão • abrasão durante transporte

Cristalização de sais

• gelo • raízes • A ascenção de água por capilaridade, no solo desértico faz precipitar os sais que criam o efeito de “cunha” • mudanças de temperatura • descompressão • abrasão durante transporte

Mudanças de temperatura

• gelo • raízes • sais • Os repetidos ciclos de dilatação e contracção diminuem a coesão da rocha • descompressão • abrasão durante transporte

Efeito de descompressão

Blocos exfoliados

Aumento de superfície específica durante a alteração mecánica/fraturação tectónica

Superfície específica aumenta

volume constante 1 m3

Superfície específica e grau de dispersão do sólido

A superficie total de cotnacto controla a velocidade de reacção!

Cubo com aresta de 1cm 6 cm2 = 6 x 10-4 m2 = 6 x 108 µm2

moagem

Aresta passa a 10µm

10 µm = → S‘ = 6 x 102 µm2

109 partículas → S‘total = 109 x 6 x 102

µm2 = 6 x 1011 µm2

A superficie total do sólido aumentou 103 vezes

a)   Alteração/Meteorização química As principais reações que envolvem sempre o poderoso solvente natural que é água: •  Dissolução

•  Oxidação •  Hidrólise •  Quelação

E o processo de eliminação dos componentes dissolvidos :

•  Lixiviação

Alteração química- carbonatos -dissolução: CaCO3 +H2O+ CO2 >> Ca++ + 2HCO3

-

Alteração de calcários - Algarve

a)   Dissolução b)  Oxidação c)   Hidrólise d)   Lixiviação

a)   A dissolução em maiores proporções ocorre nos terrenos com rochas carbonatadas aflorantes a)   Calcáreos b)   Calcarenitos c)   Margas d)   Dolomites (em grau menor)

Alteração de calcários – Gui Lin

Alteração de calcários – Gui Lin

Alteração de calcários/calcarenitos Tortonianos – Albufeira

Quedas

FeS2 + 7/2H2O+ 15/4O2 >> Fe(0H)3 + 2H2SO4

Dissolução Oxidação Hidrólise Lixiviação

Oxidação(perda de electrões) atua entre os elementos de valencia multipla

T.Boski 1991

Alteração dos xistos Carbónicos - Porto Tipicamente a alteração de silicato é de natureza hidrolítica: Fe2SiO4 + 4H2O+ 1/2O2 >> 2FeOOH+ H4SiO4 + 2OH-

Garrels and Christ, 1965, in Summerfield, 1991

Valores de Eh-pH em ambientes naturais

Alcalino oxidante

Ácido oxidante

Ácido redutor

Alcalino redutor

Eh e pH variáveis mestres das reações redox

Mineral Composição Ácida Intermédia Básica Ultrabásica

Granito Riolito

Diorito Andesito

Gabbro Basalto

Peridotito

Quartzo SiO2 22 2

K-feldspato

KAlSi3O8 40 1

Na-feldspar

NaAlSi3O8 15

Ca-feldspato

CaAl2Si2O8 30 25

Biotite mica

Fe/Mg aluminosilicato

12 30

Amfíbola Fe/Mg aluminosilicato

6 2

Piroxena Fe/Mg aluminosilicato

17 60 40

Olivina (Fe,Mg)2SiO4 18 15 60

Resistente a alteração

Alteração facil

Mineralogia de rochas ígneas(%)

Hidrólise nos sienitos nefelínicos – Foia, Monchique alteração desenvolve-se preferencialmente ao longo dos diaclasamentos produzindo A padrão de exfoliação esferoidal 3 KAlSi3O8 + 2H2O = KAl2(AlSi3)O10(OH)2 + 6SiO2 + 2K + + 2OH-

É o reação química de alteração mais comum na superficie terrestre.

Argila insolúvel - ilite Compostos solúveis

2 KAlSi3O8 + 3H2O +2CO2= Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + 2K+++ 2HCO3-

Argila insolúvel - caulinite Compostos solúveis Meteorização esférica

Trata-se de dissolução incongruente, isto é: dissolução que remove uma parte de componentes e deixa outra parte insolúvel

Alteração dos aluminosilicatos - clima temperado processo hidrolítico (Basaltos em Rocha da Pena)

Sem remoção dos catiões solúveis 2(CaNa)Al2Si2O8+nH2O+2CO2 =(½Ca,Na)(Al...)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2O + Ca++ + Na+ HCO3..... Montmorillonite (smectite) Com remoção dos catiões solúveis CaAl2Si2O8 + 3H2O +2CO2 = Al2Si2O5(OH)4 + Ca++ + 2HCO3

-

kaolinite

Escoregramento e desabamento da encosta formada por piroclastos e terra rossa Serro de Galvana - Alte, Algarve

T.Boski, 2001

Caminho gelado

Escorregamento

Alteração química e o ciclo de Carbono

Cadeias montanhosas expõem uma grande massa de rochas a alteração química que absorve CO2 atmosférico....

CaAl2Si2O8 + 3H2O +2CO2= Al2Si2O5(OH)4 + Ca++ + 2HCO3

-

Alteração dos aluminosilicatos - clima tropical Pode chegar a etapa final de hidrólise, isto é a formação de oxi/hidroxidos livres de Al, Fe e Ti KAlSi3O8+2H2O = Al (OH)3 + 3SiO2 + K + + OH -

Alteração dos aluminosilicatos - clima tropical

Frente de alteração laterítica

Alteração de dolerite em 3 estapas - Guiné

Filosilicatos 1:1 Folha tetraédrica

Folha octaédrica

Camada 1:1

A junção da folha tetraédrica e octaédrica em camada 1:1 é consumada através da partilha de oxigénios e grupos OH-. As cargas eléctricas da camada são balaçadas e as camadas ligam-se através de pontes de hidrogénio. Os espaços intercamada não admitem moléculas polares. Caulinite é um mineral comum que resulta de alteração intensa (hidrolise) dos aluminosilicatos. Classificamos a caulinite como mineral dioctaéderico, ja que dois em cada três sitios octaédricos são ocupados por catião Al+3. No caso de catiões bivalentes, como p.ex. Mg+2, todos os sitios octaédricos são ocupados e a o mineral (p.ex. serpentina) cclassifica-se como trioctaédrico

Estrutura e imagem SEM de caulinite

Imagens SEM webmmineral.com

Filosilicatos 2:1 Estrutura de Moscovite Substituição de Si por Al num em cada 4 tetraedros provoca defice de carga, compensado por K+. A estrutura de ilite é identica, mas uma parte de de potásio é removida. Ilite é o mineral argiloso mais comum dos solos e sedimentos da faixa de climas temperados

ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL DOS FILOSSILICATOS, EXEMPLO DE ESMECTITES

Adaptado de Thorez(1987)

Componente Amostra nr./intervalo de amostragem [m]

quim/miner 104 105 106 107 108 109 110 111

25.5-25.1 22.8-22.5 19.8-19.5 18.3-18.1 15.8-15.6 9.0-8.0 3.7-3.5 0.4-0.5

[wt%]

Al2O3 10.6 11.8 28.2 23.6 27.6 29.2 27.6 48.4

SiO2 42.3 53.8 33.9 26.8 6.9 3.6 1.8 0.1

Fe2O3 12.6 16.6 22.9 34.6 46.9 46 50.9 24.9

TiO2 0.8 1 1.9 1.6 1.7 1.6 1.3 2.7

CaO 8.4 0.5 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1

MgO 19.9 5.9 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1

K2O 0.5 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1

Na2O 0.9 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1

H20 3.6 9 13.1 12 16.2 18.7 18.2 22.1

Gbs -.- 7.0* 32.7 31.1 25.7 33.1

Bhm -.- 0 0 6.6 6.4 32.3

Kln 72.0* 49.0* 11.3 3.3 0 0

Q -.- 4.0* 2.2 2.1 1.7 1

Ant -.- 1.6 1.7 1.5 1.3 2.7

Gth n.d n.d 9.8 32 45.9 0.8

Hm n.d n.d 39 20.7 16.7 23.9

Traços [ppm]

Sr 363 246 198 233 112 28 26 700

Ba 105 216 30 250 5 10 14 28

La 33 45 20 30 33 64 58 63

Ca 5 5 260 415 379 558

Mg 5 189 15 175 166 108

Cu 85 225 17 250 86 158 401 18

Zn 111 404 65 260 118 80 213 27

V 224 136 475 360 991 750 833 693

Ni 528 2866 34 1860 30 82 108 39

Co 195 258 32 515 17 49 53 49

Mn 1272 2770 528 4750 323 1260 1003 342

Ga 14 40 75 45 51 57 46 56

Cr 855 2680 598 4720 2085 780 617 810

Zr 112 210 307 323 297 334 301 277

Alteração de dolerite em 3 estapas - Minerais e química

Alteração de dolerite num etapa

Os termites que continuamente revolvem a parte superficial do perfil laterítico, a escala de tempo do formação deste perfil (105-106 anos jogam sem dúvida um papel crucial na eficiência de lexiviação dos elementos libertos pelas reacções de alteração

Componente Amostra nr./intervalo de amostragem [m]

quim/miner A B 1 5 7 9 10 11

aflor. 27m 25 - 24.7 21- 20.7 10 -9.7 4.20 - 4 3 - 2.70 superf.

% peso

Al203 12.83 13.18 36.7 40.65 41.75 14.83 20.47 9.12

SiO2 49.98 49.6 11.02 6.44 7.91 14.45 16.11 5.03

Fe203 15.7 16.31 28.75 27.5 24.2 58.55 48.33 71.4

TiO2 2.42 2.42 4.21 3.66 2.81 1.83 1.94 0.58

CaO 7.73 7.3

MgO 4.72 4.46

K2O 0.72 0.8

Na2O 2.53 2.57

H2O 2.8 3.15 19.7 21.88 22.35 8.8 13.04 12.36

Gbs 55.1 58.1 60.4 7.5 9.3 4.1

Bhm 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Kln 0.0 3.1 0.0 14.2 18.6 15.1

Q 11.0 3.9 7.9 8.2 6.5 3.0

Ant 4.2 3.7 2.8 1.8 1.9 0.6

Gth 19.3 16.8 11.8 52.5 46.2 49.8

Hm 10.1 12.3 14.3 14.1 17.1 26.1

[ppm]

Sr 190 180 0 0 0 0 0 0

Ba 225 255

La

Cu 172 276 74 48 82 335 438 223

Zn 116 140 27 22 17 114 137 111

V 331 335

Ni 42 48 24 21 13 98 107 83

Co 42 45

Mn 1400 1400

Ga 26 28 47 43 31 95 85 80

Cr 16 17

Zr

Rb 34 25 0 0 0 0 0 0

Alteração de dolerite num estapa minerais e química

Solubilidade de sílica

Silicatos - sequência de alteração hidrolítica

Elementos lixiviados Componentes minerais Processo químico

K,Na Hidratação e hidrólise

K, Na, Ca, Mg, Si Hidrólise

Si Hidrólise + Ferrolise

Al ou Fe Dissolução seletiva em função do Eh/pH e da complexação orgânica

Modificação da litosfera- meteorização

Sendo a distribuição da água superficial no Planeta condicionada pela latitude, também o são, quer a natureza dos processos da meteorização quer a sua intensidade e rapidez

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS com os BIOMAS associados

Relação de clima com o manto de alteração

Adaptado de Strakhov, 1967

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS Clima frio continental

Latitudes elevadas e no Inverno a precipitação é quase sempre na forma de neve

Taiga e Floresta boreal

A Taiga siberiana é a maior do mundo

Clima polar tundra

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS ESPESSURA DO MANTO DE ALTERAÇÃO E BIOMAS

Tund

ra

Taiga

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS

Florestas temperadas, estepes (pradarias)

Clima temperado- Quatro estações do ano bem marcadas Clima temperado continental- amplitudes térmicas elevadas e Invernos rigorosos Clima temperado oceânico- menor amplitude térmica

Floresta temperada- árvores de folha caducifólia (caiem no Outono), como por

exemplo o carvalho e a Nogueira

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS

Latitude 60-90º N ou S 30-60º N ou S 0-30º N ou S

Sazonalidade Muito contrastada Pouco contrastada inexistente

Meteorização Principalmente física Química = física Principalmente química

Floresta equatorial

Temperatura e precipitação elevadas durante todo o ano. Baixa amplitude térmica e chuvas de convecção

Exemplos: Amazónia, Congo, Indonésia e Malásia

Savana e florestas tropicais Temperaturas elevadas estação seca e húmida bem marcadas Nas zonas alagadas, como por exemplo junto à desembocadura dos rios, formam-se os mangais

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL DOS BIOMAS

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL DAS ZONAS DE METEORIZAÇÃO

Intensa meteorização. Caulinite, gibsite, óxidos e hidróxidos de Al

Intensa meteorização. óxidos e hidróxidos de Fe Meteorização moderada. Ilite e esmectite

Meteorização química fraca. Ilite

Meteorização química fraca.

Zonas cobertas por gelo

Meteorização química muito variável. Fraca acumulação de resíduos

SISTEMAS MORFOCLIMÁTICOS COMPARAÇÃO ENTRE BIOMAS E INTENSIDADE DE ALTERAÇÃO

Sendo o clima o factor que controla quer

a distribuição dos biomas quer o tipo e

intensidade da meteorização, os padrões

de distribuição mundial de biomas e de

meteorização, apresentam fortes

semelhanças.

Em casa Identifique e justifique os principais mecanismos da meteorização para cada um dos sistemas morfoclimáticos

No final desta aula deverá:

- Explicar o mecanismo de cada um dos tipos de meteorização química

-  Exemplificar ambientes naturais combinando ambientes redutores, oxidantes, ácidos e alcalinos

- Identificar e caracterizar os principais sistemas morfoclimáticos

-  Explicar as relações entre manto de alteração, biomas e latitude

Transformação da matéria orgânica nos solos

outros compostos

Insol. em ácidos, sol. em bases C <62, O < 30, pm ≤300000 Cores escuras

Hor.A

Hor. B

Hor. C

Glúcidos, ácidos carboxilicos, aminoácidos, ácidos gordos, comp.aromáticos……

Organismos mortos

proteinas linhina tanina pigmentos

B I O P O L Í M E R O S

Decomposição por bactérias e fungos

Policondensação química/bioquímica

Ácidos húmicos Substâncias húmicas

Ácidos fúlvicos Solúveis em ácidos e bases C<45, O< 48, pm<2000 Cores claras

Humina Insoluvel em ácidos e bases

hidr. de carbono lípidos

1500 Gt C

120 Gt C/a 119 Gt C/a

Solos A pedogénese definimos como a soma de processos de que resulta a formação do solo - mistura de minerais primários e neoformados, matéria orgânica, água e gases. Estes componentes são distribuídos em proporções variadas por entre os horizontes de solo ou, em outras palavras, camadas +/- paralelas a superfície de terreno, texturalmente e composicionalmente distinguíves.

Hor.A

Hor.B

Hor.C

Hor.E

Hor.0

Mistura Eluviação Iluviaçao Alteração da rocha

T.Boski 2002

Gambelas - pefil de solo com 3 horizontes bem desenvolvidos

A

B

E

Propriedades físico químicas de solos a) estrutura

granular

colunar

em bloco

granular solta maciça

prismática

em placa

Propriedades físico químicas de solos b) Cor - definida a base de escala padronizada de Munsell Permite fazer elações sobre mineralogia, quantidade de matéria orgânica, estado de oxidação.. c) Textura - definida a base de análise granulométrica d) Condição química: acido/alcalino e) Capacidade de troca cationica

Classificação de solos

600mm <Pluviosidade anual > 600mm Chernozem frio tundrico

Pedocal Castanho temperado podzólico Pedalfer Arídico quente laterítico

• tipo da cobertura edáfica s é função (Dokutchaev, 1882) de 5 parámetros ambientais:

S= ƒ(c,r,o,m,t) Clima, relevo, organismos, material de origem, tempo A classificação dos solos é um problema longe de ser resolvido pois existem ca de 100 sistemas de clasificação.Em primeira aproximação podemos considerar esta simples divisão:

USSR (Russian) Soil Classification System Natural Soil System of Kubiena French Soil Classification System Belgium Soil Classification British System of Classification Soil Classification of Canada Australian Soil Classification System Brazilian Soil Classification System US Soil Taxonomy..................... FAO/UNESCO Soil Map of the World (1988) e World Reference Base for Soil Ressources 1998 e 2006

Classificação de solos

Base Mundial de Referência para Recursos Edáficos

Somente 32 grupos de referência (em primeiro nivel)

• Baseada nas propriedades características definidas em termos de horizontes diagnósticos e materiais constituintes observáveis e mensuráveis no campo •  Propriedades características relacionadas com processos pedogenéticos •  Características diagnósticas selecionadas em termos da relevância para gestão de solos • Parámetros climáticos não são aplicados na classificação mas devem ser usados aquando da interpretação •  Prevê acomodação dos sistemas nacionais de classificação • Adição dos prefixos e sufixos permite grande detalhamento de classificação no segundo nível

Base Mundial de Referência para Recursos Edáficos

Sequência de introdução dos grupos de solos 1.  solos orgânicos separados dos solos minerais 2.  solos de clara influência antrópica 3.  solos com limitação para desenvolvimento de raizes 4.  solos desenvolvidos sob a forte influência de água 5.  solos em que a química de Fe e Al joga papel preponderante 6.  solos em ambiente de água stagnada 7.  solos de zonas de esteppes com espeso horixonte orgânico 8.  solos de zonas áridas em precipita gesso ou sílica ou carbonato de cálcio 9.  solos com subsolo argiloso 10.  solos recentes com horizontes pouco desenvolvidos

1. Solos com espessa camada orgânica Histosolos 1 2. Solos com longo uso agricola Antrosolos 3. Solos contendo materiais oriundos de produção industrial Tecnosolos 4. Solos afectados por gelo Gelisolos 5. Solos sobre substrato rochoso ou de seixo Leptosolos 6. Solos afectados por ciclos de saturação e dessicação, ricos em argilas expansíveis Vertisolos 7. Solos das planicies de inundação ou sapais Fluvisolos 8. Solos alcalinos Solonetz 9. Solos enriquecidos em sal por causa da evaporação Solontchacs 10. Solos afectados por toalha freática Gleisolos 11. Solos com abundantes alofanos ou Al-complexos húmicos Andosolos 12 Solos afectados por queluviação e argiloeluviação Podzois 13. Solos afectados por acumulação de Fe em condições hidromórficas Plintosolos 14. Solos de estrutura muito aparente, com argilas pouco activas e fixação de P Nitisolos 15. Solos dominados por caulinite e oxihidroxidos de Fe,Al,Ti,Mn (sesquióxidos) Ferralsolos 16. Solos com a abrupta descontinuidade textural Planosolos 17. Solos com a moderada descontinuidade textural Stagnoslos 18. Solos mólicos com espeço horizonte orgánico Chernozems 19. “””----”””” em tranzição para clima mais seco Kastanozems 20. “””----”””” Em transição para clima mais húmido Phaeozems

21. Solos com acumulação de gesso Gipsisolos 22. Solos com acumulação de sílica Durisolos 23. Solos com acumulação de carbonato de cálcio Calcisolos

2

3

4

5

6

7

8

24. Albeluvicos Albeluvisolos

25. Solos pobres em bases, com argilas activas Alisolos

26 Solos pobres em bases com argilas de baixa actividade Acrisolos

27. Solos ricos em bases, com argilas activas Luvisolos

28. Solos ricos em bases com argilas de baixa actividade Lixisolos

29 Solos com too acídico, escuro Umbrisolos

30.Solos arenosos Arenosolos

31. Solos moderadamente desenvolvidos Cambisolos

32. Solos sem desenvolvimento de perfil Regosolos

10

9

molisolo

podzol

Podzol – na sequência de lixiviação prolongada , exibe um horizonte E esbranquiçado, pobre em sesquióxidos e horizonte B escurecido por acumulação dos sesquióxidos

Histosolo – composto principalmente por matéria orgânica que acumula devido a baixa velocidade de remineralização

Gelisolo – desenvolvido sobre permafrost, congelação e e derretimento são os principais agentes pedogénicos

Leptosolo – muito raso, desenvolvido, sobre substrato rochoso, frequente nas montanhas

Vertisolo – desenvolvido em Terrenos de argilas hidroexpansíveis (smectites), sujeitos a dessicação periódica

Fluvisolo – muito recente, quase sem horizontes, desenvolvido sobre sedimentos fluviais, sapais etc.

Solonetz- possui horizonte rico em sódio, desenvolvido sobre substratos salinos,em clima seco

Solontchak – solo coberto por eflorescências salinas

Gleisolo – solo afectado por subidas temporárias da toalha freática que cria anóxia, respiração anaeróbica e geralmente redução de Fe+3