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.