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MINERAIS PRIMÁRIOS Solo: mistura de substâncias minerais e orgânicas, que recobre parte da crosta terrestre, resultante da ação do intemperismo sobre o material originário, capaz de fornecer sustentação mecânica, água e nutrientes para o crescimento vegetal. O solo é formado pela ação conjunta de cinco fatores: Solo = função (material originário, clima, organismos, relevo, tempo) Composição da Terra Admite-se que a Terra seja composta de: - núcleo central: parte externa líquida e parte interna sólida, composto de Fe com cerca de 10% de Ni dissolvido - manto: composto principalmente de silicatos de Fe e Mg e Fe elementar - crosta: espessura de 10 a 60 km, composta principalmente de silicatos de Fe, Mg e Al, e sílica (SiO2) - atmosfera: 78% N2, 21% O2, 0,03% CO2 Composição da crosta (litosfera) Elemento % em peso % em volume O 47,2 93,8 Si 28,2 0,9 Al 8,2 0,5 Fe 5,1 0,4 Ca 3,7 1,0 Na 2,9 1,3 K 2,6 1,8 Mg 2,1 0,3 Mais de 80% da massa da crosta é composta de óxidos de Si e Al. Os minerais silicatados são os mais abundantes, e seu estudo permite caracterizar a maioria das rochas da Terra. Minerais primários Mineral é um sólido inorgânico que possui composição química característica e uma ordem atômica tridimensional sistemática. - minerais primários: formados a altas temperaturas, quando da cristalização do magma (mistura de silicatos, óxidos metálicos e substâncias voláteis dissolvidas a 600 - 1200 oC). Não sofreram alteração após sua gênese. Presentes em rochas ígneas e metamórficas. Principalmente silicatos, óxidos e carbonatos. - minerais secundários: resultam da decomposição de minerais primários, formados em condições ambientais usuais. Presentes em solos, sedimentos e rochas sedimentares. Principalmente argilas silicatadas e óxidos de Fe, Al e Ti. tempo magma cristalização minerais primários intemperismo minerais secundários rochas solos e sedimentos Estrutura cristalina dos silicatos A unidade básica é o tetraedro de Si (SiO4)-4 As cargas negativas dos ânions silicatos têm que ser neutralizadas, para haver estabilidade do mineral. Isto pode ocorrer através da presença de cátions neutralizadores ou do compartilhamento de O. A classificação dos minerais silicatados é feita com base no tipo de compartilhamento de O e no cátion neutralizador (nesossilicatos, sorossilicatos, ciclossilicatos, inossilicatos, tectossilicatos, filossilicatos). Pode ocorrer também a estrutura octaédrica, onde no centro há Al+3, Fe+2 ou Mg+2, associado a 6 oxigênios: Estas estruturas cristalinas têm grande estabilidade. Sua forma é definida pelo número de coordenação dos elementos envolvidos. O número de coordenação define o número de ânions (no caso dos silicatos, átomos de oxigênio) capazes de se ligar ao cátion central; o número de coordenação é função da valência e do raio iônico do cátion envolvido. Número de coordenação Elemento Raio iônico (Å) 4 Si+4 0,42 Al+3 0,51 Al+3 0,51 6 Mg+2 0,66 Fe+2 0,74 8 Na+ 0,97 Ca+2 0,99 8-12 K+ 1,33 A ligação Si-O pode ser considerada meio-covalente meio-iônica, o que confere alta estabilidade ao material e boa condutividade elétrica (material usado na indústria eletro-eletrônica). Nesossilicatos Os tetraedros são isolados, sem compartilhar O. As cargas negativas são neutralizadas por Fe+2 ou Mg+2. São as olivinas, que formam uma série isomorfa (mesma forma cristalina, mas de diferente composição química): fayalita Fosterita Fe2SiO4 (Fe,Mg)2SiO4 Mg2SiO4 Têm cores escuras vítreas. São facilmente intemperizáveis, e portanto raras nos solos e sedimentos: oxidação Fe+2 → Fe+3 (o Fe+3 tem raio iônico menor) hidrólise Mg+2 → Mg(OH)2 Inossilicatos Os tetraedros compartilham o O basal, formando cadeias simples (piroxênios) ou duplas (anfibólios). As cadeias são ligadas por Fe+2 ou Mg+2, e nos interstícios da estrutura acomoda-se Ca+2. Em algumas posições da estrutura cristalina pode ocorrer Zn+2 e Cu+2. Têm cores escuras opacas. Piroxênio Anfibólio - piroxênios: hiperstênio (Fe, Mg)2Si2O6; augita (mais comum) (Ca, Mg, Fe) 2Si2O6 - anfibólios: tremolita Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2; horblenda (mais comum) Também são facilmente intemperizáveis (menos que as olivinas, pois o Fe+2 ou Mg+2 estão mais protegidos na estrutura) e são raros nos solos e sedimentos. Tectossilicatos São os mais comuns na crosta. Todos os oxigênios dos tetraedros são compartilhados, formando estruturas tridimensionais. Quartzo SiO2 não há substituição isomórfica Praticamente não sofre intemperismo químico em condições ambientais, e sua dureza dificulta o intemperismo físico. É o mineral mais comum na crosta. Presente nos solos e sedimentos como areia. Tem cor transparente ou branco-opaca, mas a presença de impurezas origina cores, como no quartzo rosa, ametistas e ágatas . O vidro é um tectossilicato de caráter amorfo, produzido pela fusão a 1.200 oC da sílica (SiO2), carbonato de sódio (Na2CO3) e carbonato de cálcio (CaCO3). Em parte dos tetraedros pode ocorrer substituição isomórfica: quando da cristalização do mineral, Al+3 pode entrar no lugar do Si+4; a estrutura não se altera, mas são geradas cargas negativas, que são neutralizadas por cátions Ca+2 e Na+ (nos feldspatos cálcio-sódicos) ou por K+ (nos feldspatos potássicos). Os feldspatos são os minerais mais comuns nas rochas ígneas, e podem ser encontrados nos solos. Feldspatos cálcio-sódicos (ou plagiocásios) Formam uma série isomorfa: anortita albita CaAl2Si2O8 (Ca,Na)AlSi3O8 NaAlSi3O8 Da anortita para a albita aumenta a % de Na, decresce a % de Ca e aumenta a resistência ao intemperismo. Em geral têm cores esbranquiçadas. Feldspatos potássicos KAlSi3O8 ortoclásio (mais comum; principal fonte de K+ para os solos); em geral têm cores translúcidas avermelhadas. Os feldspatos potássicos são um pouco mais resistentes ao intemperismo que os cálcio- sódicos, pois o K+ é menos hidrolizável. Fedspatóides São semelhantes aos feldspatos, mas com mais substituições isomórficas, tornando-se mais pobres em Si e mais ricos em Al; resistência ao intemperismo semelhante aos plagiocásios. KAlSi2O6 leucita NaAlSiO4 nefelina Substituição isomórfica e resistência ao intemperismo Mineral Fórmula Número de substituições isomórficas Quartzo Si4O8 0 Diminui a resistência Ortoclásio KAlSi3O8 1 ao intemperismo Albita NaAlSi3O8 1 Anortita CaAl2Si2O8 2 Filossilicatos Têm a forma de folhas. São formados por camadas, cada camada com três lâminas: duas de tetraedro de Si (3/4 Si + 1/4 Al) e outra intermediária, de octaedros de cátions (Al+3, Fe+2, Mg+2). Na lâmina tetraédrica ocorre substituição isomórfica (Al+3 no lugar de Si+4). A ligação entre camadas é feita por K+ desidratado. Os filossilicatos também são chamados de micas: - biotita K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2 octaedros de Mg e Fe; cor escura - muscovita KAl2AlSi3O10(OH)2 octaedros de Al; cor clara, menos intemperizável (o Al+3 é menos hidrolizável); usadas como isolantes térmicos e elétricos. Composição mineralógica da crosta Minerais % em volume Feldspatos 58 Piroxênios, anfibólios 13 Quartzo 11 Micas, cloritas, argilas* 10 Carbonatos, óxidos, sulfatos 3 Olivinas 3 Outros 2 * argilas são minerais secundários. Série de Bowen É um diagrama que exprime a resistência ao intemperismo dos vários minerais primários, e está relacionada à ordem de resfriamento e consolidação dos minerais no magma. MINERAIS ACESSÓRIOS São minerais não silicatados, encontrados em pequenas quantidades nas rochas (menos de 5% do volume de uma rocha), mas que podem assumir grande importância agrícola e econômica. Apatita Fórmula básica (Ca, X)Ca4(PO4)3 X pode ser F (flúor apatitas), Cl (cloro apatitas) ou OH (hidroxi apatitas) É encontrado como inclusões microscópicas em rochas ígneas, podendo ocorrer em rochas sedimentares. É a principal fonte de P no solo, além de ser matéria prima para fabricação de adubos fosfatados. Pirita FeS2 Ocorre em rochas ígneas, sedimentares e metamórficas. Fonte de S nos solos. Com o intemperismo: FeS2 + H2O + 7/2 O2 → FeSO4 + H2SO4 Calcita e magnesita Calcita CaCO3 magnesita MgCO3 dolomita CaCO3.MgCO3 Presentes principalmente em rochas sedimentares e metamórficas; são matéria prima para fabricação do calcário (corretivo do solo). As conchas de invertebrados consistem principalmente de CaCO3 (calcita biogênica). Com o intemperismo: CaCO3 + H2O → Ca+2 + HCO3- + OH- ROCHAS Através do intemperismo, a rocha matriz irá fornecer os materiais constituintes minerais do solo, fornecer nutrientes essenciais aos vegetais e influenciar nas propriedades químicas e físicas (cor, textura) do solo. Em geral, quanto mais jovem for o solo, maior a influência exercida pelo material originário. As características das rochas que mais influenciam a gênese do solo são sua composição mineralógica, resistência mecânica e textura (tamanho dos cristais). A estrutura da rocha refere-se à disposição dos cristais. ROCHAS ÍGNEAS (ou magmáticas) Constituem 80 % da crosta. Formadas pela cristalização do magma (mistura de silicatos, sílica, óxidos metálicos e substâncias voláteis dissolvidas a 600 – 1200 oC). Classificação quanto ao ambiente de cristalização Extrusivas ou vulcânicas: cristalização do magma na superfície da crosta, com resfriamento rápido, em contato direto com a atmosfera, formando-se cristais de menor tamanho. Ex.: basalto, riolito. Intrusivas ou plutônicas: cristalização no interior da crosta, com resfriamento lento e menores perdas de calor e substâncias voláteis, formando-se cristais de maior tamanho. Ex.: gabro, granito. As rochas extrusivas, por apresentar cristais de menor tamanho, são de mais fácil intemperização que rochas intrusivas de mesma composição mineralógica. As rochas ígneas em geral têm disposição dos cristais aleatória. Classificação quanto ao teor de sílica (SiO2) Rochas ácidas (> 65 %): cor clara, presença expressiva de quartzo e ortoclásios; originam solos arenosos e em geral mais ácidos e menos férteis. Ex.: granito (I), riolito (E). Rochas intermediárias (55 a 65 %): cor intermediária, presença de plagiocásios e silicatos ferromagnesianos, e pouco ou nenhum quartzo. Ex.: diorito (I), andesito (E). Rochas básicas (45 a 55 %) e ultra-básicas (< 45 %): cor escura, ricas em piroxênios, anfibólios e plagiocásios, e às vezes olivinas, sem presença de quartzo. Originam solos ricos em argila e óxidos e cores avermelhadas e brunadas, em geral mais férteis e menos ácidos. Ex.: gabro (I), basalto (E). Classificação quanto à cor Ajuda a caracterizar a composição da rocha: os minerais silicatados ferro-magnesianos tornam a rocha mais escura; o quartzo e feldspatos dão cor clara: - leucocráticas (ou félsicas): rochas de cores claras. Ex. granito, riolito. - mesocráticas: rochas de cores intermediárias. Ex.: sienito. - melanocráticas (ou máficas): rochas de cores escuras. Ex. basalto, gabro. Classificação quanto à composição mineralógica É critério fundamental para a denominação da rocha. Os minerais silicatados são os mais importantes para a classificação, sendo avaliadas suas proporções médias na rocha e atribuída a sua denominação. Composição mineralógica de algumas rochas ígneas (% em peso) ácidas intermediárias básicas ultra-básicas Extrusivas riolito andesito basalto - Ortoclásio 40 5 - - Quartzo 30 2 - - Plagiocásios 15 60 50 2 Biotita 10 3 - - Horblenda 5 20 5 - Piroxênios - 10 45 48 Olivinas - - - 50 Intrusivas granito diorito gabro peridotito ROCHAS SEDIMENTARES Constituem apenas 5 % da crosta, mas recobrem cerca de 75% da área dos continentes. Formadas pela acumulação de materiais derivados de outras rochas preexistentes, em quatro etapas: destruição (intemperismo), transporte (água, vento, geleiras), deposição e diagênese. Diagênese (ou litificação) é a transformação dos sedimentos em rochas sedimentares, com diminuição da porosidade e consolidação, causadas pelo dessecamento, pressão das camadas superiores e cimentação por substâncias aglutinantes; ocorre em condições de pressão e temperatura semelhantes às da superfície terrestre. Nestas rochas é que ocorrem os fósseis. A classificação dos sedimentos pode ser feita quanto ao ambiente de sedimentação (continentais, marinhos, fluviais, glaciais, eólicos, etc.) e quanto ao modo de formação (mecânicos ou clásticos, orgânicos e químicos). Os sedimentos mecânicos são formados por pedaços de outras rochas, compostos por minerais primários resistentes, que suportam transporte sem se decomporem, e/ou minerais secundários. São classificados pelo tamanho: Sedimento Diâmetro (mm) Rocha sedimentar Matacão > 20 Calhau 20 – 10 Conglomerado Cascalho 10 – 2 Areia 2,0 – 0,05 Arenito Silte 0,05 – 0,002 Siltito Argila < 0,002 Argilito, folhelho Algumas rochas sedimentares apresentam estratificação, um tipo de estrutura associado à deposição de distintas camadas de sedimentos. Os sedimentos orgânicos (resíduos animais e vegetais) dão origem ao carvão mineral, turfa, betumes e petróleo, guano (estercos de aves), recifes de coral, âmbar (resinas de coníferas). Os sedimentos químicos são formados pela precipitação de substâncias transportadas pela água: calcário (composto de calcita CaCO3 e dolomita CaCO3.MgCO3), halita ou sal gema (NaCl), anidrita (CaSO4) e gesso (CaSO4.2H2O), salitre (NaNO3 e KNO3). Os solos formados sobre rochas sedimentares clásticas geralmente apresentam baixa fertilidade. Solos formados sobre turfas ou calcários apresentam elevada fertilidade natural. ROCHAS METAMÓRFICAS Constituem cerca de 15 % da crosta. Produzidas por alteração das rochas preexistentes, em regiões mais profundas da crosta (3 a 20 km de profundidade), em condições de elevadas pressões e temperatura (100 a 600 °C) e ausência de ar atmosférico. No metamorfismo ocorrem fenômenos de recristalização, mudança de estrutura, coesão e textura, e alterações dos componentes minerais. Podem ser gerados novos minerais, típicos do metamorfismo, como o talco, a clorita, o grafite e a granada. O metamorfismo ocorre em um intervalo amplo de pressões e temperaturas, e as rochas podem ter diferentes graus de metamorfismo: incipiente, fraco, médio e forte. Geralmente com o aumento do grau metamórfico ocorrem mudanças na mineralogia e um aumento no tamanho dos cristais dos minerais. Exemplo de intensidade progressiva de transformação: Argila ------> folhelho --------> ardósia ----> filito ----> micaxisto ----> gnaisse sedimento rocha sedimentar rochas metamórficas Metamorfismo regional Ocorre através de pressões de camadas superiores. Devido à ocorrência de pressões dirigidas, estas rochas mostram comumente arranjo dos minerais em planos paralelos sucessivos e quebram- se ao longo de superfícies planas, numa estrutura chamada de xistosidade. Exemplos: quartzito (formado de quartzo e arenitos quartzosos), ardósia (quartzo, clorita, pirita), gnaisse (quartzo, feldspato, mica). Rochas como os quartzitos e ardósia são usadas como revestimentos e pisos em construções. Metamorfismo de contato Ocorre devido a altas temperaturas, próximas a intrusão de magma. O mármore é uma rocha metamórfica produzida pela alteração dos calcários, composta de calcita CaCO3 e dolomita Ca,Mg)CO3. O mármore produzido apenas de carbonato tem cor branca, mas impurezas originam outras colorações. Há outros tipos de metamorfismo: metamorfismo dinâmico (causado pela fricção de placas tectônicas), metamorfismo de impacto (causado pelo impacto de grandes meteoritos), entre outros. CICLO DAS ROCHAS rochas ígneas vulcânicas intemperismo regolito erosão sedimentos diagênese soerguimento rochas sedimentares rochas ígneas plutônicas metamorfismo magma assimilação rochas metamórficas Movimentos das placas tectônicas da Terra (terremotos, formação de montanhas) podem trazer à superfície rochas formadas em camadas profundas da crosta terrestre, como rochas ígneas plutônicas, sedimentares e metamórficas, através do processo denominado de soerguimento. Estas rochas, em contato com a atmosfera, sofrem intemperismo e podem originar solos. Desta forma, os solos podem ser formados a partir de rochas ígneas, rochas sedimentares, rochas metamórficas e a partir de sedimentos não consolidados. Apenas na Região Sul do Brasil encontram-se afloramentos significativos de rochas ígneas básicas (basalto). Nas Regiões Sudeste e Nordeste predominam as rochas ígneas ácidas (granitos) e metamórficas (gnaisses), e nas Regiões Norte e Centro-Oeste as rochas sedimentares clásticas (arenitos e argilitos). No Pantanal e Vale do Amazonas predominam sedimentos não consolidados. FATORES DE FORMAÇÃO DO SOLO O solo é conseqüência da ação conjunta de cinco fatores: Solo = f (material originário, clima, organismos, relevo, tempo) O solo é constituído de diferentes camadas, ou horizontes, que permitem distinguir e classificar os vários tipos de solo. Estas camadas são expostas quando da escavação do solo, mostrando o perfil do solo. Sucintamente, estes horizontes são: O Horizonte superficial de constituição orgânica. A Horizonte mineral superficial, de concentração de matéria orgânica e cor escura devido à adição de plantas e animais; em geral mais arenoso devido à perda de argila. B Horizonte sob A, bastante afetado por transformações pedogenéticas, em que pouco resta da estrutura original da rocha, podendo haver acumulação de argila transportada dos horizontes acima. C Horizonte de material inconsolidado sob A ou B, relativamente pouco afetado por processos pedogenéticos. R Camada rochosa de material consolidado. Material originário Através do intemperismo, a rocha matriz irá fornecer os materiais constituintes do solo, fornecer nutrientes essenciais aos vegetais e influenciar as características químicas e físicas (cor, textura) do solo. Em geral, quanto mais “jovem” o solo, maior a influência exercida pelo material originário. As características das rochas que mais influenciam a pedogênese são sua composição mineralógica, resistência mecânica e textura (tamanho dos cristais). Os granitos e gnaisses formam solos arenosos, ácidos e pobres em nutrientes. Os basaltos formam solos ricos em argilas e óxidos, com pH mais elevado e maior riqueza em nutrientes, de cores avermelhadas e brunadas. Rochas sedimentares clásticas em geral formam solos de baixa fertilidade. Calcários formam solos com as impurezas deixadas pela dissolução do intemperismo, em geral com pH mais alto. Quartzitos e arenitos formam solos arenosos e cascalhentos. Turfas formam solos orgânicos de alta fertilidade natural. Os solos podem ser formados a partir de rochas ígneas, rochas sedimentares, rochas metamórficas e a partir de sedimentos não consolidados. Clima Os componentes do clima são: precipitação, umidade, temperatura, ventos, insolação. O clima age diretamente pela precipitação e temperatura, e indiretamente determinando a velocidade de adição e decomposição de matéria orgânica. Com o tempo, o clima passa a dominar a gênese do solo, superando o material originário. A formação e evolução dos solos se processam no sentido de lixiviação dos minerais mais solúveis e acumulação dos resíduos coloidais de sílica, ferro e alumínio. A precipitação influi no intemperismo químico (oxidação e redução, dissolução e hidrólise, hidratação), e físico (lixiviação, erosão, transporte). O balanço hídrico (balanço entre precipitação e evapotranspiração) interfere na acumulação de sais. A temperatura acelera as reações químicas e a produção e degradação da matéria orgânica. Quanto mais quente e úmido for o clima, mais rápida a decomposição das rochas, produzindo materiais muito intemperizados e solos profundos. Em climas muito úmidos a elevada precipitação aumenta o arraste de íons solúveis para camadas mais profundas do solo, tornando os solos em geral mais ácidos e menos férteis. Mesmo solos formados de basalto em regiões chuvosas podem apresentar altos teores de Al e baixos teores de nutrientes. Já climas áridos e/ou muito frios, os solos são mais rasos e contêm minerais primários pouco afetados pelo intemperismo.Solos de climas áridos são neutros ou alcalinos, podendo apresentar salinidade. Organismos A porção viva do solo é representada principalmente por raízes de plantas, animais (meso e macrofauna) e microrganismos (bactérias, fungos, actinomicetos e algas). As minhocas em geral predominam na fase viva dos solos, mas em solos de cerrado (Latossolos) os térmitas (cupins) podem ser dominantes. A biosfera participa de inúmeros processos pedogenéticos: - penetração de raízes, provocando transformações mecânicas nas rochas - adições de matéria orgânica, que sofre decomposição microbiana, promovendo a ciclagem de nutrientes e diminuindo suas perdas por lixiviação - aumento da CTC - formação de quelatos - produção de CO2 (e de H2CO3) pela respiração de raízes e microrganismos - animais operam o rearranjamento dos materiais do solo, com formação de canais e irregularidades - a vegetação cria microclimas e diminui as perdas por erosão. Florestas de coníferas em geral têm solos mais ácidos que florestas tropicais. Relevo O relevo influencia na distribuição das forças climáticas, variando: condições para atividade biótica; exposição do solo ao vento, insolação e precipitação; drenagem natural e erosão; acumulação e remoção de depósitos. O relevo relaciona-se com o perfil do solo através de: profundidade do solo; espessura e conteúdo de matéria orgânica do horizonte A; umidade do perfil; cor; grau de diferenciação dos horizontes; reação do solo; conteúdo de sais solúveis; temperatura; caráter do material parental. Locais mal drenados causam redução do ferro e acumulação de matéria orgânica, com formação de solos cinzentos e escuros. Solos bem drenados em geral têm cores vivas, em virtude da oxidação do Fe. Em regiões áridas, as áreas mais baixas estão sujeitas à acumulação de sais carregados por enxurradas. Áreas montanhosas de relevo íngreme favorecem a erosão, dificultando a formação de solos profundos. Catena ou topossequência: é uma seqüência de diferentes tipos de solos, cujas propriedades estão relacionadas à sua posição no relevo. Tempo Considerado um agente passivo, que permite ou não que os demais fatores se expressem. Os solos podem ser classificados de acordo com o seu estádio de desenvolvimento em: - jovens (azonal): em formação, com características predominantes do material originário; - imaturos (intrazonal): com o desenvolvimento limitado pelo excesso de água, sais ou carbonatos; - maduros (zonal): em equilíbrio com o ambiente, senis, com acumulação de materiais altamente intemperizados. Desenvolvimento de um perfil de solo com o tempo A A A B R C B (rocha) R R C R Rocha recém-exposta Solo jovem (Litossolo) Solo pouco desenvolvido (Cambissolo) Solo maduro (Argissolo) As taxas de formação do solo (horizontes A + B) variam com o material originário, o clima, a biosfera e o relevo: Tipo de solo anos para formação cm de solo Solos vulcânicos 45 35 Solos orgânicos 3000 50 Espodossolo 3000 100 Argissolo 30000 150 Latossolo 75000 200 Vantagens e desvantagens de solos novos e maduros Vantagens Desvantagens Solo novo maior disponibilidade de nutrientes impedimentos à mecanização Solo maduro melhor desenvolvimento radicular pobreza em nutrientes facilidade de mecanização resistência à erosão INTEMPERISMO Desintegração e decomposição química e física das rochas e minerais. O intemperismo ocorre quando da exposição das rochas aos agentes intempéricos da atmosfera (radiação solar, água, oxigênio, ventos, organismos, etc.). tempo magma minerais primários minerais secundários cristalização intemperismo rochas ígneas e metamórficas solos, sedimentos e rochas sedimentares INTEMPERISMO FÍSICO Processo exclusivamente mecânico - ação térmica da radiação solar: variação de temperatura causa a esfoliação das rochas - ação mecânica da água: chuvas, mares, rios, gelo, erosão (arraste superficial de partículas), lixiviação (remoção de substâncias solúveis para camadas profundas do solo) - ação mecânica dos ventos: esculturas em rochas (arenitos) - ação mecânica dos seres vivos: penetração de raízes em fendas de rochas, galerias cavadas por insetos e anelídeos. INTEMPERISMO QUÍMICO Alteração química das rochas e minerais 1. Oxidação e redução Poder oxidante do O2 da atmosfera FeS2 + 7/2 O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4 pirita Fe2SiO4 + 1/2 O2 + 2 H2O → Fe2O3 + H4SiO4 fayalita (MP) hematita (MS) ácido silícico 2. Dissolução Poder dissolvente da água; ocorre solubilização completa do mineral CaCO3 + H2O → Ca+2 + HCO3- + OH- Os íons solúveis podem ser lixiviados. 3. Hidrólise Os silicatos sofrem hidrólise em contato com a água, com formação de produtos secundários: Mg2SiO4 + 4 H2O → 2Mg+2 + 4OH- + H4SiO4 fosterita (MP) solúvel ácido silícico (sílica coloidal) KAlSi3O8 + 8 H2O → K+ + OH- + Al(OH)3 + 3H4SiO4 ortoclásio (MP) gibsita (MS) A lixiviação dos produtos solúveis acelera estas reações. 4. Hidratação Incorporação de água à estrutura cristalina 2Fe2O3 + 3H2O → 2Fe2O3 · 3H2O hematita (vermelha) limonita (amarela) CaSO4 + 2 H2O → CaSO4 · 2H2O anidrita gesso 5. Carbonatação Ocorre formação de ácido carbônico pela dissolução do CO2 na água H2O + CO2 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- Esta acidez acelera a decomposição dos minerais. A atmosfera possui 0,03% de CO2, o ar do solo possui 0,2 a 4% devido à respiração de raízes e microrganismos. 2 KAlSi3O8 + H2O + 2 CO2 → 2 K+ + 2 HCO3- + Al2O3(SiO2)6 ortoclásio (MP) argila (MS) 6. Quelação Retenção de um íon metálico (particularmente Fe+3 e Al+3) dentro da estrutura de um composto orgânico, de propriedades quelantes. Estes complexos ficam parcialmente solúveis e podem ser lixiviados ou acumular-se em camadas subsuperficiais do solo. INTEMPERISMO BIOLÓGICO Ação dos organismos: microrganismos (algas, fungos, bactérias), macro e mesofauna (roedores, insetos, aracnídeos, moluscos, anelídeos, etc.) e macroflora (plantas). As minhocas em geral predominam na fase viva dos solos, mas em solos de cerrado os térmitas (cupins) podem ser dominantes. - ação mecânica das raízes - a respiração de raízes e microrganismos aumenta a [CO2] do ar do solo - a vegetação cria microclimas com maior umidade e reduz a erosão - adição de matéria orgânica (ton/ha.ano): floresta tropical 5,0; floresta temperada 2,2; savana tropical 0,9; pradaria 1,4; solo cultivado 5,0 - os musgos e liquens (associação entre fungos basidiomicetos e cianofíceas) são os pioneiros na ocupação de rochas nuas, adicionando matéria orgânica e preparando o ambiente para o estabelecimento de plantas superiores: a xerosere é a sucessão vegetal sobre rochas - minhocas, insetos e outros organismos formam galerias e movimentam o material do solo - as raízes profundas absorvem nutrientes de camadas subsuperficiais e os repõem na superfície, através dos resíduos vegetais: ciclagem de nutrientes, responsável pela manutenção das florestas tropicais. Em florestas tropicais, a maior parte dos nutrientes está na biomassa, e a decomposição da matéria orgânica é mais rápida, ou seja, são ambientes mais frágeis com maior dependência da ciclagem de nutrientes PRODUTOS DO INTEMPERISMO A decomposição dos minerais primários irá originar a formação de minerais secundários (argilas silicatadas, oxi-hidróxidos de Fe e Al), sílica coloidal e solutos (K+, Ca+2, Mg+2, etc.): KAlSi3O8 + 8 H2O → K+ + OH- + Al(OH)3 + 3H4SiO4 ortoclásio solúveis gibsita sílica coloidal O quartzo permanece como areia, e alguns minerais primários mais resistentes (ortoclásio e muscovita) podem manter-se nos solos. Os produtos solúveis dirigem-se ao mar. Em condições de alta precipitação, há remoção da sílica e solutos, e concentração de hidróxidos de Fe e Al. Os hidróxidos de Fe e Al posteriormente se polimerizam, dando origem a minerais secundários. Variação na composição mineralógica (% em volume) de um gnaisse antes e após sofrer intemperismo. Minerais Antes do intemperismo Após intemperismo Quartzo 30,5 43,5 Ortoclásio 19,1 13,1 Plagiocásios 40,6 1,0 Biotita 7,1 - Horblenda 1,2 - Outros óxidos 1,5 2,0 Caulinita - 40,4 Obs.: caulinita é um mineral secundário (argila 1:1). EFEITO DO CLIMA Em climas frios ou secos, os processos de dissolução e hidrólise são menos intensos, com decomposição parcial dos minerais silicatados, com formação de argilas 2:1 e solos menos ácidos e mais férteis. Em climas tropicais, de elevada temperatura e precipitação, os intensos processos de dissolução e hidrólise desdobram os minerais silicatados em sílica e óxidos, com arraste da sílica e solutos, formação de argilas 1:1 e óxidos, originando solos mais ácidos e menos férteis. Exemplo de ação progressiva do intemperismo: K2O . Al2O3 . 6SiO2 + 2 H2O → 2 KOH + Al2O3 . 6SiO2 . H2O ortoclásio Al2O3 . 6SiO2 . H2O + H2O → Al2O3 . 4SiO2 . 2H2O + 2SiO2 montmorilonita (argila 2:1) Al2O3 . 4SiO2 . 2H2O + H2O → Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O + H2O + 2SiO2 caulinita (argila 1:1) Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O + H2O → Al2O3 . 3H2O + 2SiO2 gibsita (oxi-hidróxido de Al) ortoclásio argila 2:1 argila 1:1 oxi-hidróxido solos temperados solos subtropicais solos tropicais tempo, precipitação e temperatura COLÓIDES tempo magma cristalização minerais primários intemperismo minerais secundários rochas ígneas e metamórficas solos, sedimentos e rochas sedimentares Os minerais secundários no solo estão na forma de colóides. O estado coloidal corresponde a um sistema de duas fases, no qual materiais muito desagregados estão dispersos em um segundo material. Possui uma grande superfície específica (área superficial / massa). No sistema solo admite-se partículas inferiores a 2 µm (diâmetro máximo das argilas), dispersas na solução do solo ou formando agregados. Os colóides do solo são: orgânicos: húmus minerais: amorfos: alofanas, sílica coloidal cristalinos: oxi-hidróxidos e argilas silicatadas Argilas silicatadas São formadas por lâminas tetraédricas de Si e lâminas octaédricas de Al ou Mg. Estrutura de uma lâmina tetraédrica: (a) esquema tridimensional; (b) vista superior. Estrutura de lâminas octaédricas de Mg e de Al. As lâminas se empilham compartilhando O, formando camadas: - argilas 2:1: LT : LO : LT - argilas 2:2: LT : LO : LT : LO - argilas 1:1: LT : LO Substituição isomórfica: Na cristalização do mineral, podem ocorrer trocas de elementos, sem modificar a forma do cristal: - lâmina tetraédrica: Al+3 no lugar de Si+4 - lâmina octaédrica: Mg+2 no lugar do Al+3 As substituições isomórficas geram déficit de carga, criando cargas negativas nas argilas, que passam a adsorver cátions na superfície: origina-se a CTC (capacidade de troca catiônica). CTC É uma reação de adsorção: retenção de íons ou moléculas na superfície de partículas sólidas devido à atração eletrostática; é uma reação reversível. Ca+2 + 2 H+(aq) ↔ H+ + Ca+2(aq) H+ Características da CTC 1. Estequiometria: a troca é feita por quantidades equivalentes de carga Ca+2 + 2 Na+(aq) ↔ Na+ + Ca+2(aq) Na+ A CTC é expressa em cmolc/kg de argila, ou seja, a quantidade de carga adsorvida por unidade de massa (ex. 10 cmolc/kg). 2. Reversibilidade: Na+ + Mg+2(aq) ↔ Mg+2 + 2 Na+(aq) Na+ 3. Equilíbrio: para cada cátion, há uma correspondência entre a quantidade adsorvida e em solução N K+ ↔ n K+(aq) n/N = cte adsorvido solução n ≠ N (a quantidade adsorvida é muito superior à em solução) 4. Seletividade: Alguns íons são adsorvidos com maior força. A série liotrópica indica a preferência na atração dos íons pelas argilas; depende da maior valência do cátion e do menor raio iônico hidratado em solução Fe+3 > Al+3 > H+ > Ca+2 > Mg+2 > K+ > Na+ > NH4+ Observa-se que o Fe+3 e o Al+3 são adsorvidos preferencialmente. 5. Concentração ou ação de massa: o aumento da concentração de um cátion em solução poderá deslocar outro de maior preferência Al+3 Ca+2 + X Ca+2(aq) ↔ Ca+2 + 2 Al+3(aq) + x Ca+2(aq) Al+3 Ca+2 Importância da CTC - diminui as perdas de cátions por lixiviação: os cátions adsorvidos são menos lixiviados que os cátions em solução - mantém equilíbrio com a solução do solo: a quantidade de cátions adsorvidos é muito superior ao da solução; quando há diminuição da concentração de íons na solução as argilas os repõem; parte dos íons tóxicos (como Al+3) fica adsorvida - reserva de nutrientes para as plantas: um íon absorvido pelas plantas é logo reposto pelos colóides; solos com maior CTC em geral são mais férteis - manejo da adubação e calagem: solos com baixa CTC devem que ter adubação parcelada para diminuir perdas por lixiviação, e a calagem em geral é menor e mais freqüente; solos com alta CTC podem ter problemas de adsorção excessiva de K+ - na análise de solo, é necessário determinar-se os íons na solução do solo e os íons adsorvidos nos colóides (cátions trocáveis); para isto, amostras de solo são misturadas com soluções extratoras. Argilas 2:1 Pirofilita Al4Si8O20(OH)4 Montmorilonita Al3,5Mg0,5Si8O20(OH)4 Ocorrem substituições isomórficas, que geram déficit de carga. Estas cargas são permanentes (estruturais), não dependem do pH do meio. Atingem CTC de 80-100 cmolc/kg. A ligação entre as camadas é feita por cátions hidratados (K+, Na+, Ca+2) e por água. As argilas se expandem quando hidratadas, e a espessura das camadas varia de 10 a 20 Å. Formam cristais pequenos. Possuem elevada superfície específica (700-800 m2/g), alta coesão e plasticidade; são chamadas de argilas de alta atividade. Sua formação ocorre com altas concentrações de sílica e Mg, quando da decomposição de minerais silicatados ferro-magnesianos, sob condições de pequena lixiviação ou água estagnada. Características de solos temperados. Originam solos de melhor fertilidade, mas de difícil mecanização. Obs.: coesão refere-se à consistência do solo seco e plasticidade à consistência do solo úmido. Ilita K0,8(AlSi7)Al4O20(OH)4 Possuem K+ desidratado entre as camadas, que impede a expansão das argilas quando hidratadas (argila não expansível), e neutraliza parte da cargas. CTC de 15-40 cmolc/kg. Superfície específica de 100-200 m2/g. Formada a partir das micas, com moderadas a elevadas concentrações de sílica. Vermiculita São duas camadas de mica (biotita) separadas por películas de água com duas moléculas de espessura. Formada em condições de moderada acidez, com remoção completa do K+ e Mg+2 das intercamadas. Exercício: Calcular a CTC da ilita com fórmula K0,8(AlSi7)Al4O20(OH)4 CTC = carga / peso molecular Carga = 0,8 (1) + 1 (3) + 7 (4) + 4 (3) + 20 (-2) + 4 (-1) = -0,2 molc/mol Peso = 0,8 (39) + 1 (27) + 7 (28) + 4 (27) + 20 (16) + 4 (17) = 750,2 g/mol CTC = 0,2 molc/mol = 0,000267 molc/g = 26,7 cmolc/kg 750,2 g/mol Argilas 2:2 Clorita (AlSi7)Mg6O20(OH)4.Mg6(OH)12 Corresponde a uma argila 2:1 com uma lâmina octaédrica de Mg entre as camadas. A CTC é permanente, mas menor que na montmorilonita (20-50 cmolc/kg). É pouco expansível, camada com espessura de 14 Å. Formada em moderada acidez e com alta concentração de Mg e Si. Argilas 1:1 Caulinita Al4Si4O10(OH)4 Não ocorre substituição isomórfica, e não há déficit de carga estrutural. As camadas se unem por pontes de H, com espessura de 7,2 Å. Não são expansíveis, e têm pouca superfície específica (5-20 m2/g), tendendo a formar cristais maiores. São argilas de baixa atividade. São formadas cargas nas bordas dos cristais pela quebra dos octaedros. Estas cargas são dependentes do pH do solo (CTC variável). A CTC é pequena (3-15 cmolc/kg). Esta argila é formada em condições de elevada acidez e concentrações iguais de Si e Al, na ausência de Mg; o intemperismo e a lavagem da sílica favorecem sua formação. Presente nos solos tropicais e subtropicais, origina solos de menor fertilidade. Haloisita Al2Si2O5(OH)4.2H2O Argila 1:1, mas a ligação entre as camadas é feita por moléculas de água, sendo mais hidratável. A espessura da camada é de 10 Å. Oxi-hidróxidos Gibsita Al4(OH)12 ou Al(OH)3 Outra fórmula é Al2O3.3H2O, mostrando o caráter de óxido associado a moléculas de água. Se no lugar do Al+3 houver o Fe+3, tem-se a limonita Fe2O3.3H2O Goetita Fe4O4(OH)4 ou FeOOH Outra fórmula é Fe2O3.H2O Se no lugar do Fe+3 houver o Al+3, tem-se a boemita Al2O3.H2O Outro oxi-hidróxido muito comum é a hematita Fe2O3. A magnetita (pedra imã) tem fórmula Fe3O4. Estas diferenças de fórmulas são consequência das diversas formas de polimerização dos octaedros de Fe e Al. Nos solos são também comuns os óxidos de Ti e de Mn. Os óxidos são formados sob condições de intensa precipitação e lixiviação, com remoção da sílica e solutos, sendo característicos de solos tropicais altamente intemperizados (solos óxicos, ou Latossolos). Podem correr grandes depósitos sedimentares destes materiais, utilizados na mineração de bauxita (hidróxidos de Al), hematita (óxidos de Fe) e cassiterita (óxidos de estanho). Os óxidos de Fe têm cores fortes, que facilitam sua identificação no solo: hematitas são vermelhas, goetitas são amarelas, e as magnetitas cinza escuras. Os óxidos de Al tendem a tornar os solos mais claros. Os óxidos têm estrutura cristalina. A superfície específica é alta (100-400 m2/g), com cristais pequenos; têm pequena plasticidade. As cargas são formadas nas bordas dos cristais quebrados: As cargas são variáveis (dependentes do pH). Os óxidos podem desenvolver carga positiva ou negativa, produzindo CTA (capacidade de troca aniônica) ou CTC. O PCZ (ponto de carga zero) é o pH do solo onde as cargas negativas e positivas se equivalem (PCZ da caulinita 4,0, PCZ da gibsita 5,5). A CTC é pequena, varia de 0-4 cmolc/kg. Em pH baixo, gera-se a CTA, responsável pela fixação (adsorção irreversível) do fosfato: adsorção (reversível) fixação (irreversível) Alguns Latossolos podem adsorver até 1000 kg P/ha.20 cm, enquanto a adubação na maioria dos cultivos é de cerca de 50 kg P/ha. A adubação tem baixa eficiência: apenas 5 a 30 % do P aplicado é absorvido pelos cultivos. Os solos ricos em óxidos têm boa estrutura física, com agregados estáveis, resistência à erosão e fácil mecanização; em geral são profundos e permeáveis. Têm baixa fertilidade, com baixa CTC e disponibilidade de nutrientes, acidez e adsorção de P. Colóide mineral Características Argilas 2:1 Maior intemperismo, remoção de sílica e de bases Argilas 1:1 Menor CTC Oxi-hidróxidos Maior tempo de formação Colóides orgânicos Correspondem ao húmus, que é a matéria orgânica estabilizada, produto resultante do processo de decomposição microbiana. São colóides não cristalinos, de composição variável, geralmente moléculas de grande tamanho e cor escura, de difícil decomposição microbiana. As cargas são originadas principalmente da dissociação de radicais carboxílicos e fenólicos. As cargas são dependentes do pH do solo, com CTC de 200-300 cmolc/kg. Apresentam elevado poder tampão numa ampla faixa de pH. Sua baixa plasticidade e coesão melhoram a consistência dos solos argilosos. Têm elevada retenção de água (80 a 90% do volume). Em solos arenosos os colóides orgânicos são responsáveis pela maior parte da CTC, da estrutura e retenção de água. Sua dinâmica no solo é influenciada pelo clima, adição de matéria orgânica e manejo do solo. Frações do húmus Características Ácidos fúlvicos Maior peso molecular Ácidos húmicos Menor solubilidade Humina Menor decomposição microbiana Cor mais escura Características dos colóides CTC (cmolc/kg) Superfície específica (m2/g) Colóides orgânicos 200-300 800 Montmorilonita 80-100 700-800 colóides de alta Ilita 15-40 100-200 atividade Caulinita 3-15 10-30 colóides de baixa Oxi-hidróxidos de Fe e Al 0-4 100-400 atividade Origens da CTC Tipo Origem Ocorrência Permanente (estrutural) Substituição isomórfica Argilas 2:1 e 2:2 Variável (dependente do pH) Bordas dos cristais quebrados Argilas 1:1 e oxi-hidróxidos Radicais carboxílicos e fenólicos Húmus Os solos tropicais são denominados de solos de carga variável. COMPLEXO SORTIVO Composto pelos colóides que fazem adsorção e pelos íons adsorvidos. Colóides do solo: orgânicos: Húmus minerais: amorfos (alofana, sílica gel) cristalinos: oxi-hidróxidos e argilas silicatadas Íons adsorvidos: - cátions: NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, H+, Al3+, Na+, Co2+, metais pesados (Cd4+, Cr4+, Pb4+, Hg) - ânions: NO3-, NO2-, HPO42-, H2PO4-, SO42-, MoO42-, H2BO3-, Cl-, OH-, F-, HCO3-, SiO44-. Moléculas orgânicas com carga (como os agrotóxicos) também podem ser adsorvidas. Os íons encontrados em maiores concentrações no complexo sortivo do solo são: Ca2+ Mg2+ Valor S K+ Valor T Na+ H+ Valor H Al3+ Estes valores são obtidos pela análise do solo, e são expressos em cmolc/kg solo. A análise do solo fornece a quantidade de íons trocáveis (em solução + adsorvidos nos colóides) Valores do complexo sortivo Valor S: soma de bases trocáveis (Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+), fornece uma estimativa da disponibilidade de nutrientes no solo. Valor H: acidez potencial (H+ + Al3+), responsável pela acidez no solo. Valor T: corresponde ao total de cátions adsorvidos, ou aproximadamente à CTC do solo (Valor S + Valor H). Valor V%: valor de saturação de bases, indica o quanto da CTC está ocupada com bases. Valor V% = Valor S x 100 Valor T Com o intemperismo, diminuindo a concentração de bases devido à lixiviação, aumentando a concentração de H+ e Al3+. A calagem neutraliza o H+ e Al3+, diminuindo a acidez, fornecendo Ca e aumentando o valor V%. - valor V% > 50%: solos eutróficos - valor V% < 50%: solos distróficos Em geral os solos eutróficos são mais férteis e menos ácidos que os distróficos. Quanto maior o V%, maior o pH do solo. Saturação por Al: indica a acidez nociva, representada pelo Al3+ trocável: Sat. Al = Al x 100 Valor S + Al - sat. Al > 50%: solos álicos - sat. Al < 50%: solos normais Solos álicos têm toxidez por Al e alta acidez, demandando elevadas calagens. Solos com horizonte B álico devem receber gessagem. Saturação por Na: indica a presença de caráter sódico no solo. Sat. Na = Na x 100 Valor T - sat. Na > 15%: solos sódicos - sat. Na entre 6 e 15%: solos solódicos - sat. Na < 6%: solos normais. Solos sódicos têm problemas de salinidade (dificultando absorção de água pelas plantas) e má estrutura (Na é dispersante). Estas características (valor V%, saturação por Al e por Na) são usadas para diferenciar classes de solos. Ex: Argissolo eutrófico, Latossolo álico, Planossolo solódico. Exemplos de solos do Estado do Rio Análise Solo A Solo B Solo C Solo D pH em água 4,3 5,4 4,4 6,5 Ca2+ (cmolc/kg) 0,2 3,4 0,2 5,3 Mg2+ (cmolc/kg) 0,1 2,8 0,2 4,8 K+ (cmolc/kg) 0,09 0,03 0,13 0,04 Na+ (cmolc/kg) 0,10 0,04 0,20 4,76 Al3+ (cmolc/kg) 1,4 0,1 3,7 0,1 H+ (cmolc/kg) 2,8 1,8 20,6 0,6 Valor S (cmolc/kg) 0,5 6,3 0,7 14,9 Valor T (cmolc/kg) 4,7 8,2 25,0 15,6 Valor V% (%) 11 77 3 96 Sat. por Al (%) 74 2 84 2 Sat. por Na (%) 2 0 1 31 Análise Solo A Solo B Solo C Solo D Valor V% (%) distrófico eutrófico distrófico eutrófico Sat. por Al (%) álico normal álico normal Sat. por Na (%) normal normal normal sódico