MINERALOGIA DO SOLO Mineralogia da argila
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MINERALOGIA DO SOLO Mineralogia da argila
MINERALOGIA DO SOLO Mineralogia da argila Argila Partícula mineral com diâmetro inferior a 0,002 mm. Predominam minerais secundários. Colóide Substância em estado de fina subdivisão, com partículas entre 0,001 e 0,000001 mm de diâmetro. Compõe o sistema coloidal, onde o material se aproxima da subdivisão molecular, disperso dentro da outra fase, homogênea, denominada meio de dispersão. Os materiais no sistema coloidal apresentam grande superfície específica, capacidade de fixar e reter gases, sólidos, sais e íons, além de capacidade de catálise. Partículas primárias de alofanas (amorfas) formando agregados em nuvem (0,1-1 µm). Campo de visão ~4 µm. Origem: Santo Domingo de los Colorados, Equador. Autor: Stephan Kaufhold, Reiner Dohrmann (BGR Germany). <http://www.minersoc.org/photo.php?id=67> Haloisita (1:1) revestindo mica intemperizada. Campo de visão ~ 26 µm. Origem: 7,5 m de profundidade sob laterita. Cheras, Kuala Lumpur, Malaysia. Autor: Zainuddin Yusoff, School of Geosciences, The University of Edinburgh, Scotland. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=86> Esmectita (2:1) no solo, quasicristal em folha de alumínio (SSSAm. J. 55:1499-1504). Campo de visão ~ 90 µm. Origem: horizonte Ap, Webster soil, University of Minnesota Southern Agricultural Experiment Station, Waseca, MN. Autor: David Laird, USDA, ARS, National Soil Tilth Laboratory Ames IA. USA. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=121> Haloisita (arco) e gibbsita (centro). Campo de visão ~ 4,7 µm. Origem: Eureka, Nevada, USA. Autor: Toshihiro Kogure. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=85> Grãos finos de hematita formando compartimentos globulares. Tubos de haloisita dispersos na superfície. Dimensões: 11 µm. Origem: Dragon Mine, Utah. Autor: LuaraJane Strachan and Evelyne Delbos the James Hutton Institute. Foto: Andre Zeitoun. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=15> Argilomineral • Composto basicamente de silicato de alumínio hidratado, podendo conter elementos como Mg, Fe, Ca, Na, K, Li e outros, tendo estrutura cristalina formada por camadas ou fibras. • Argilomineral é composto por folhas silicato tetraédricas e folhas hidróxido octaédricas, podendo conter substituições isomórficas, como Al por Mg, Fe ou Ni e o Si por Al. • As folhas permitem que duas ou mais camadas se combinem, originando diferentes argilominerais • Exemplos: caulinita, ilita, esmectita, montmorilonita, alofanas (amorfo). Mineral de argila • Material fino normalmente cristalino, constituinte do solo e de outros depósitos terrosos, com partículas dentro da fração argila (diâmetro < 0,002 mm). • Esta denominação relaciona-se com o tamanho reduzido das partículas, independente de sua composição química ou mineralógica. • Exemplo: quartzo, feldspato, micas, hematita, magnetita, gibbsita, goethita, etc. Mineral de solo • Qualquer mineral que ocorre no solo ou faz parte dele • Composto inorgânico natural, com propriedades físicas e cristalinas definidas (dentro dos limites do isomorfismo), que ocorre no solo • Exemplo: quartzo, feldspato, micas, caulinita, ilita, vermiculita, hematita, magnetita, gibbsita, goethita, etc. MINERAIS DO SOLO PODEM SER PRIMÁRIOS OU SECUNDÁRIOS Minerais primários são formados em altas temperaturas, geralmente derivam de rochas ígneas ou metamórficas, bem como de sedimentares (exemplos: quartzo, feldspato, plagioclásio, mica, piroxênio, anfibólio, olivina) http://lawr.ucdavis.edu/classes/ssc219/biogeo/bfig12.htm Minerais secundários são formados por reações em baixa temperatura, herdadas de rochas sedimentares ou formadas pelo intemperismo (exemplo: argilominerais - silicatos de alumínio cristalinos e não cristalinos - óxidos e hidróxidos de alumínio e ferro, carbonatos de cálcio e magnésio. I.e. caulinita, gibbsita, hematita, etc.) A separação em minerais primários e secundários não é mutuamente exclusiva, pois alguns minerais podem ocorrer em ambos (exemplo: muscovita). http://pubs.usgs.gov/dds/dds-033/USGS_3D/ssx_gif/semkao.gif Haloisita (1:1), na superfície de feldspato potássico com dissolução de albita lamelar em granito biotítico, sob laterita. Campo de visão ~ 26 µm. Origem: Rawang, Kuala Lumpur, Malaysia. Autor: Zainuddin Yusoff, School of Geosciences, The University of Edinburgh, Scotland. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=87> Alguns minerais primários e secundários e os possíveis produtos de sua intemperização afastada do equilíbrio. Mineral primário Principais elementos liberados Mineral secundário Olivinas Si, Al, Mg2+, Fe2+ Serpentina, esmectita, goethita, caulinita, haloisita Piroxênios e anfibólios Si, Al, Mg2+, Ca2+, Fe2+ Clorita, esmectita, calcita, talco, goethita Feldspatos Si, Al, K, Na, Ca Micas, esmectitas, haloisita, caulinita, gibbsita Micas (biotita, muscovita) Si, Al, Mg, Fe2+, K Ilita, interestratificado mica-vermiculita, vermiculita, esmectita, interestratificado micacaulinita, caulinita, haloisita, goethita, hematita, gibbsita Cloritas Si, Al, Mg, Fe2+ Vermiculita, interestratificado clorita-esmectita, esmectita, ilita, caulinita, haloisita Esmectitas* Mg, Fe2+ Esmectita com hidróxi entrecamadas, interestratificado caulinita-esmectita, caulinita, goethita Vermiculitas* Si, Al, Mg *minerais secundários. Vermiculita com hidróxi entrecamadas Principais classes de minerais do solo 1. Halóides, sulfatos e carbonatos • Composto principalmente por halita (NaCl), gipso (CaSO4•2H2O), calcita (CaCo3) e dolomita [CaMg(CO3)2]. • Minerais com estruturas simples, formadas por cátion como Na+, Ca2+, Mg2+ ou Fe2+ alternando com ânions como Cl-, SO42- ou CO32-, geralmente por ligações iônicas. • Estes minerais estão entre os mais solúveis dos minerais do solo e são facilmente modificados pelos processo de intemperismo físico e químico. • Ocorrem em solos de regiões áridas ou em solos jovens pouco intemperizados quando em regiões úmidas. • Halita e gipso podem ocorrer em solos contaminados por águas salobras ou por lixiviação de resíduos industriais ou aterros sanitários. • Calcita e dolomita são minerais carbonatados que precipitam no perfil do solo em clima árido e semiárido. Formam horizontes cálcico e petrocálcico quando o acúmulo é elevado. Derivam do calcário ou outros materiais de origem semelhantes. Em climas úmidos, podem ser lixiviados para o horizonte C. Halita Gipso Calcita Minerais não silicatados no solo 2. Sulfetos • Pirita, FeS2, é o mineral mais comum deste grupo, com baixa ocorrência nos solos, mas quando presente causa problemas únicos. • A pirita precipita em áreas costeiras ou em depósitos geológicos, associados com carvão mineral, tornando-se instável em condições oxidantes, quando solos são drenados ou material de mineração é exposto na superfície. • Seu intemperismo produz jarosita, KFe3(SO4)2(OH)6, gipso e ácido sulfúrico, H2SO4, causando acidez intensa com sérios problemas ambientais. 3. Óxidos, hidróxidos e oxihidróxidos • Os minerais primários são intemperizados e liberam cátions e ânions que recombinam para formarem outros minerais mais estáveis. • Muitos elementos, em particular Al, Fe e Mn formam óxidos, hidróxidos e oxihidróxidos que são estáveis no ambiente de intemperismo do solo. 3.1. Alumínio • A gibbsita, Al(OH)3 é o hidróxido de Al mais comum nos solos. Associado com avançado estágio de intemperização, quando a lixiviação de sílica avançou ao ponto que minerais filossilicatos não são mais formados. • É comum nos Latossolos das regiões tropicais, com CTC muito baixa, contribuindo para a reduzida fertilidade química desses solos. • Pode ser encontrada na superfície intemperizada entre rochas ígneas e o saprolito em solos derivados de cinzas vulcânicas (Andisols). Gibbsita Mineral da fração argila, monoclínico [Al(OH)3]. É o mais comum entre os minerais hidróxidos e oxihidróxidos de Al3+ encontrados nos solos. Forma-se a partir da dissolução de qualquer aluminossilicato em ambiente de forte intemperização (alta pluviosidade e fluxo livre da água), com intensa lixiviação de Si (dessilicação extrema). 3.2. Ferro • Os óxidos de ferro são formados pela liberação de ferro dos minerais primários. • São fortes pigmentos e pequenas quantidades tornam o solo brunado ou avermelhado. • A goethita (FeOOH) é muito comum, formando cores brunadas ou amareladas, enquanto a hematita (Fe2O3) ocorre associada à goethita, formando cores avermelhadas intensas. • Ambas são formas minerais estáveis em ambiente oxidante, sendo frequentes em solos bem drenados, geralmente associados com gibbsita e caulinita, indicando avançado estágio de intemperização. Ferrihidrita Goethita http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA05634 http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrihydrite • Em condições mal drenadas os óxidos de ferro podem ser reduzidos para formas solúveis de Fe2+. • O Fe2+ move-se facilmente com a água do solo para outras partes do perfil ou até para outros solos associados ao mesmo ambiente, onde pode reoxidar para Fe3+ e reprecipitar como goethita, lepidocrocita ou ferridrita, no retorno ao ambiente oxidante. • Ciclos contínuos de oxidação e redução aumentam a formação de nódulos e mosqueados, refletindo a distribuição heterogênea dos óxidos de ferro dentro do solo. Esta mudança das cores permite estimar a profundidade do lençol freático e o tempo de saturação durante o ano. Fe(II) Cinzento (reduzido) Fe(III) Amarelo aFeOOH Goethita (Gt) (oxidado hidratado) http://www.cpatsa.embrapa.br:8080/siste ma_producao/spmanga/manejo.htm Fe(III) Vermelho aFe2O3 Hematita (Hm) (oxidado desidratado) https://www.flickr.com/photos/soilscience/5140040331/ Horizontes plínticos (F) http://it.wikipedia.org/wiki/Ultisol#/media/File:Plinth icKandiudult.JPG 3.3. Manganês • Os óxidos e hidróxidos de manganês são encontrados na forma de nódulos marrons ou pretos ou como finos revestimentos nas faces das unidades estruturais do solo. • Muitas vezes são associados com óxidos de ferro, ocorrendo na forma de birnessita, manganita ou litioforita nos solos. O manganês pode ser oxidado e reduzido à semelhança do ferro, sendo válido o mesmo para a movimentação com a água e a formação de nódulos e mosqueados. 3.4. Titânio Rutilo e ilmenita ocorrem como minerais primários do solo, derivados de rochas ígneas. Anatásio é menos comum e geralmente considerado mineral secundário. Embora comuns nos solos, não impactam significativamente suas propriedades físicas e químicas. Birnessita Manganita Rutilo Ilmenita 4. Silicatos • Os minerais silicatados formam um amplo e importante grupo de minerais, representando cerca de 40% dos minerais mais comuns. Constituem mais de 90% da crosta terrestre e estão presentes praticamente em todos os solos. • Os silicatos ocorrem tanto como minerais primários derivados de rochas ígneas ou metamórficas, bem como minerais secundários, formados pelo intemperismo dos primários. • A unidade fundamental da estrutura de todos os silicatos é o TETRAEDRO DE SiO4, consistindo de quatro O2- nos vértices de um tetraedro regular coordenado com um Si4+ central. Os tetraedros são unidos por O2compartilhados, formando estruturas mais complexas. • As muitas combinações dos tetraedros de SiO4 formam as bases para a classificação dos minerais silicatados: • Tetraedro simples (nesossilicatos), tetraedro duplo (sorossilicatos), anel (ciclossilicato), cadeia simples ou dupla (inossilicatos), lâminas (filossilicatos), cadeias tridimensionais (tectossilicatos) Quartzo Feldspato Muscovita Turmalina Estrutura molecular dos silicatos do solo, conforme os diferentes arranjos de tetraedros de SiO4: tetraedro simples (nesossilicatos), tetraedro duplo (sorossilicatos), anel (ciclossilicato), cadeia simples ou dupla (inossilicatos), lâminas (filossilicatos), cadeias tridimensionais (tectossilicatos) (Tan, 2010). Silicato do solo Espécie mineral Nesossilicato Granada, olivina, zircônia, topázio Sorossilicato Epídoto Ciclossilicato Turmalina, benitoíta Inossilicato Anfibólio, piroxênio, hornblenda Filossilicato Clorita, vermiculita, ilita, caulinita, esmectita Tectossilicato Feldspatos, quartzo, zeólita Tetraedro de silício Octaedro de alumínio Argilominerais silicatados podem ser cristalinos ou amorfos Exemplo: Quartzo cristalino (SiO2): resistente ao intemperismo (fração areia) Sílica amorfa (na solução do solo em forma de ácido monossilícico, Si(OH)4) : 10x mais solúvel 1. Argilas silicatadas (aluminossilicatos) Micélio: partícula de argila silicatada Composto por lâminas de tetraedros de silício e octaedros de alumínio Tetraedro: cátion central (Si+4, Al+3) cercado por 4 oxigênios Octaedro: cátion central (Al+3,Fe+2, Mg+2) cercado por 6 oxigênios (ou hidroxilas) Caulinita (1:1) Caulinita empilhada em “optiKasT”. Dimensões ~ 24,3 x 19,1 µm. Origem: Sandersville, Georgia USA. Autor: Frank Friedrich, Forschungszentrum, Karlsruhe. <http://www.minersoc.org/photo.php?id=97> Caulinita 1:1 Ligações fortes de hidrogênio no espaço entre camadas Não expansiva Baixa CTC Partículas podem crescer (0.2 – 2 µm) Área de superfície específica = 10 a 30 m2/g Somente superfície externa Esmectita (2:1) Argilas silicatadas são formadas por diferentes combinações de camadas com várias substâncias no espaço entre camadas. Formação de Cargas no Solo Cargas negativas a) Substituição isomórfica • É a maior fonte de cargas negativas para argilas 2:1 • Parte do silício nas lâminas tetraédricas é substituído por íons de tamanho similar, como o Al3+ • Da mesma maneira, o Mg2+ ou o Fe2+ substitui o Al3+ no octaedro das lâminas de argila • Outros exemplos de substituição isomórfica são: Fe3+ por Mg2+; K+ por Na+ ou Ca2+ b) Quebra (beirada) das lâminas dos octaedros e tetraedros c) Dissociação de hidroxilas nos vértices do sólido, na estrutura dos octaedros • Fonte importante de cargas negativas, principalmente para argilas 1:1 e para os óxidos de Fe e Al, além dos colóides orgânicos OH O- + H+ Cargas positivas • Predominam em solos latossolizados • A sua origem está também ligada à dissociação de hidroxilas dos compostos de Fe e de Al, e dos octaedros das argilas silicatadas • Tem-se a seguinte reação: Meio ácido: ROH + H+ R+ + H2O Meio alcalino: ROH + OH- RO- + H2O Relação entre idade dos solos e balanço de cargas elétricas. Difratômetro de raio-X utilizado na caracterização de minerais de argila (Bruker's X-ray Diffraction D8-Discover instrument) Difratogramas de raios X. Ct: caulinita; Gb: gibbsita; An: anatásio; e Ru: rutilo (Alves et al., 2008) DSC 404 F3 Pegasus® (NETZSCH). Calorímetro Exploratório Diferencial de Alta Temperatura utilizado na quantificação dos minerais da argila. < http://www.netzsch-thermal-analysis.com/pt/produtossolucoes/calorimetria-exploratoria-diferencial/dsc-404-f3pegasus.html#!tabs/geral> Termogramas diferenciais (Alves et al., 2008) Literatura consultada ALVES, Marcelo Eduardo; MASCARENHAS, Yvonne Primerano; VAZ, Carlos Manoel Pedro. Comparação de procedimentos de quantificação de caulinita e gibbsita na fração argila desferrificada de Latossolos. Rev. Bras. Ciênc. Solo, Viçosa, v. 32, n. 2, p. 569-577, abr. 2008. TAN, K.H. Principles of soil chemistry. 4th ed. Boca Raton, CRC Press, 2010. 390 p.