Formação do solo e mobilidade dos elementos

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1 Formação do solo e mobilidade dos elementos Cap. 2 e 7 de Rose, A.W., Hawkes, H.E., Webb, J.S. Geochemistry in mineral exploration. New York: Academic Press ª ed. 657p. Licht 1996

2 Formação do solo Solo: Corpo natural de constituintes orgânicos e minerais, organizado em horizontes de espessuras variáveis, que diferem entre si na morfologia, composição física, propriedades e composição química e características biológicas. Joffe (1949, in Rose, Hawkes & Webb, 1979) Estágio avançado do intemperismo!

3 Perfil de solo idealizado Atividade biológica máxima Eluviação (remoção de material em suspensão ou dissolvido em água). Iluviação (Acumulação de mat. por deposição ou ptção de água de percolação) intemperismo incipiente A 0 A 1 solum A 2 B C Frag. orgânicos decompostos parcialmente Escuro, rico em MO (humus) + matéria mineral Cor clara, pouco estruturado (pode ou não estar presente) Marrom a marrom-alaranjado. Acumulação de Arg.M ou Hidró. Fe. Compacto, estrutura prismática característica (concrec.) Estrutura preservada da rocha mãe Material original (rocha ou nconsolidado) R Rocha mãe

4 Diferenças entre os horizontes Que afetam a dispersão geoquímica!! Além de cor e textura (campo) ph Conteúdo de M.O. Assembléia e tipo do argilo-mineral Quantidade de óxidos-hidróxidos de Fe Al - Mn

5 Fração argila ph MO % CTC meq/ 100g Comp. Mecan % SiO 2 livre % Fe 2 O 3 livre % Al 2 O 3 livre % Variações nas propriedades físicas e químicas dos diferentes horizontes, do perfil de solo (podssolo - tropical).

6 Horizonte A do solo Lixiviação parcial (eluviação latim lavar) Percolação descendente de água pelo solo Constituintes removidos como íons ou moléculas em solução Outros removidos como partículas coloidais dispersas A 0 A 1 A 2 B C Humus agente catalizador da lixiviação

7 Humus Mistura complexa de substâncias amorfas e coloidais marrom escuro modificado dos tecidos das plantas originais ou sintetizado por vários organismos do solo ( Brady 1974). Os ácidos orgânicos e agentes complexantes (humus bactérias) promovem a lixiviação do horizonte A. Ac. org. + HCO 3 dissol. min Ca 2+,Na +, Mg 2+,K + Sítios trocáveis dos AM, óxidos (tam. Arg.), M.O.

8 Horizonte A como se movem os elementos Bases móveis descendem, então, como íons dissolvidos Fe e Al: como partículas coloidais de argilominerais e óxidos, como complexos de grupos orgânicos, Íons livres ou complexados com OH - em solos ácidos Sílica: dissolvida como ácido silícico (H 4 SiO 4 ) ou mobilizada como sílica coloidal

9 Espessura dos níveis em A Depende de: Suprimento de restos orgânicos Taxa de decomposição Efetividade da lixiviação ou eluviação Idade do perfil A 1 e A 2 podem ocorrer em solos de florestas e clima úmido A 2 pode estar ausente em solos de gramíneas e climas secos, ou solos jovens; A 0 A 1 A 2 B C

10 Horizonte B do solo Os constituinte mais móveis em condições úmidas e drenagem livre podem descer até o freático ou retidos em B Zona de acumulação (iluviação): Rica em argilominerais, óxidos de Al e/ou Fe A 0 A 1 A 2 B C Pode se enriquecer também por material ascendente: evaporação ou circulação por capilaridade

11 Horizonte B do solo Quantidade de iluviação depende: Decréscimo de acidez com a percolação descendente da água Aumento no conteúdo de sólidos dissolvidos leva a floculação do material coloidal e formação dos óxidos.

12 Horizonte C do solo A 0 Material parental intemperizado A 1 Pode ser: rocha em situ, cobertura aluvial, glacial ou eólica, solo de um ciclo pedológico anterior (paleossolo). A 2 B C Cores mais claras, mantém estruturas e texturas originais.

13 Diferenças entre os horizontes Para prospecção geoquímica respostas para mineralizações sobrejacentes aos perfis de solo. Distribuição de metais varia muito conforme as mudanças de horizonte Dividir os horizontes (incluindo A 1 e A 2 ) Reconhecer perfis imaturos Reconhecer perfis truncados

14 Diferenças entre os horizontes Metais solúveis, adsorvidos em argilominerais e coloides são removidos do A. Elementos contidos em minerais resistentes serão enriquecidos. Metais (hidróxidos de Fe e Mn e argilo) removidos do A acumulados no B

15 Variação no conteúdo de metal com o horizonte de um solo tipo latossolo, Zambia. Àlcalis aumenta em profundidade e Co e Ni não mostram muitas variações.

16 Fatores que afetam a formação do solo Material original Clima Relevo Atividade biológica tempo

17 Material original xisto pegmatito xisto Relação entre elementos menores no solo residual e veio de pegmatito em Bepe, Zimbabue (fração 80#). Geochemical prospecting reaserch center, Imperial College, Londres.

18 Fatores que afetam a formação do solo Material original Clima Atividade biológica Relevo tempo

19 Clima T e chuvas mais importantes! Climas úmidos lixiviação horizonte B >ppt/evaporaç - Movimento descendente Climas áridos sem horizonte A solos calcários

20 Clima Clima seco: movimento ascendente por evaporação, ppt de carbonatos e sulfatos de Ca e Mg. Material coloidal sobe e forma horizontes concrecionais (sílica e óx. Fe); Lixiviação incompleta ph mais alcalino montmorilonita

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22 Formação de gel aluminoso, endurecimento externo, quebramento por desidratação, massa coloidal no interior, e preenchimento por veios de calcita. (Glossary of Geology, 1987). Fayetteville Formation in northern Arkansas.

23 Fatores influenciados pelo tipo de clima ph > acido Chuvas (mm) Efeito das chuvas no ph do solo. ph Assembléia de argilomineral Conteúdo de Ca, Mg, MO Todos afetam dispersão dos metais.

24 Influência do clima na concentração de M.O. e carbonato no perfil de solo.

25 Fatores que afetam a formação do solo Material original Clima Relevo Atividade biológica tempo

26 Relevo (topografia) Nível do lençol freático Drenagem Erosão Desenvolvimento de solo salino sob influência da água subterrânea em clima árido.

27 Relevo (topografia) Regiões baixas terreno saturado quase superficie Camada rica em orgânicos com subsolo pálido condições redutoras lixiviação mínima. Água na superfície formação de turfa!

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30 Ângulo de declive afeta erosão e drenagem Alto > erosão baixo < erosão > perda de volume de material Solos mais rasos Horizontes menos distintos < perda de volume de material Solos + espessos Horiz. + distintos + mat. pedregoso

31 Efeitos da erosão no tipo de solo (b) perfil truncado (a) Aumento de erosão perfil truncado, sepultamento do perfil original

32 Fatores que afetam a formação do solo Material original Clima Relevo Atividade biológica tempo

33 Atividade Biológica Função da vegetação + atividade de microorganismos em decompor os restos de plantas (clima) Clima seco < humus < ativ. de formação do solo Clima úmido > ativ. Biológica > acum. Humus e formação de ácidos organicos

34 Atividade Biológica Máxima acumulação de humus? Em climas úmidos e frios. Outro fator biológico: Diferentes tipos de vegetação diferentes produtos de decaimento orgânico.

35 Percentagem Conteudo de coloide Atividade Biológica floresta campo campo ph floresta Profundidade (cm) e horizontes Efeitos da vegetação nas propriedades do solo.

36 Fatores que afetam a formação do solo Material original Clima Relevo Atividade biológica tempo

37 Tempo A acumulação de material fonte por intemperismo leva mais tempo que a diferenciação em horizontes de solo!

38 Tempo Horizonte A tênue pode levar décadas (com umidade e drenagem livre). Desenvolvimento de horizonte B distinto leva tempo séculos ou milênios. Juvenil - erosão Maduro - tempo Formação de horizonte A e B em perfil de podssolo Em função da idade.

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40 Principais processos de intemperismo Zona de acidólise total vegetação de liquens e coníferas (16%, áreas frias) Degradação lenta Al migra por acidólise total Podsolos ricos em quartzo

41 Principais processos de intemperismo Zona alitização - regiões tropicais e equatoriais (13%) alta precipitação (>1500mm) e vegetação exuberante. Hidrólise total e formação de óxihidróxidos de Al e Fe (minerais?) Zona de monossialitização - (tropical subúmido (18%), ppt >500mm; Caulinita (1:1) e oxi-hidróxidos de Fe

42 Principais processos de intemperismo Zona bissialitização - zonas temperadas e áridas (39%) Lixiviação pouco intensa Argilominerais 2:1 esmectitas

43 Intensidade do intemperismo aumenta com a pluviosidade, resultando em solo com maior proporção de minerais secundários (fração argila).

44 Intensidade do intemperismo relacioonado com pluviosidade/ T/ vegetação.

45 Classificação dos solos (1ª ) Sistema americano (Thorp & Baldwin 1930): Solos azonais Solos zonais solos intrazonais

46 Classificação dos solos Solos azonais Horizontes incipientes e perfis imaturos, como os solos desenvolvidos sobre aluviões recentes: Litossolos, regossolos, solos aluviais Solos intrazonais influenciados por condições locais, como a drenagem: solos mal drenados de regiões úmidas (gley), solos mal drenados de regiões áridas (salinos)

47 Classificação dos solos Solos zonais Perfil maturo, com características determinadas pelo clima e vegetação: Podzol, chernozen, latossolo, solos desérticos. Latossolos horizonte B muito espesso, vermelho ou amarelo. 65% dos solos brasileiros estão afetados por laterização ou ferralitização Caulinita + gibbsita

48 Solos zonais Perfil idealizado de quatro tipos de solos zonais.

49 Classificação do solo x clima Frio seco Frio úmido Solo ártico Solo desértico Solo de gramíneas Solo podzóico Solo tropical quente seco quente úmido

50 Mapa mundi com solos Ártico Podzólico Gramíneas Desértico Tropical montanhoso Podzólico úmido temperado, florestado (processo?); gramíneas temperado e sub-úmido; (savannas e argilas pretas e cinzas); desértico clima árido, temperado e tropical (litossolos e regossolos);

51 Mapa mundi com solos Ártico Podzólico Gramíneas Desértico Tropical montanhoso tropical cobertos por florestas e savannas de clima úmido e seco-úmido tropical a sub-tropical; montanhoso ou pedregoso litossolos.

52 Podsolo Sob as cinzas (under ash) Nome russo Arar sob uma camada de cinza

53 Podsolo

54 gramineas

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56 Neossolo Vertissolo

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58 cambissolo chernossolo luvissolo

59 Alissolo argilossolo

60 Nitossolo latossolo espodussolo

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63 Gleissolo Hidromórfico (saturado em água) Rico em M.O.

64 Fracionamento dos elementos no solo Comportamento dos elementos traços no intemperismo depende: Resistência dos minerais hospedeiros ao intemperismo Mobilidade relativa de cada elemento nas condições fisico-químicas do ambiente superficial. Elem. pouco móvel permanece com produto clástico Elem. móvel se afasta como carga em solução de águas superficiais e subterrâneas.

65 Fracionamento dos elementos no solo Meio Líquido: Os constituintes iônicos da água são geralmente os mais reativos. íons livres para reagir formando precipitados ou participando de reações de CTC na superfície de partículas sólidas eletricamente carregadas; Responsáveis pelas dispersões hidromórficas!

66 Fracionamento dos elementos no solo Meio sólido: difícil dizer os minerais que servem de hospedeiros dos traços: Considerar o comportamento geral dos elementos na zona de intemperismo; Determinar as proporções relativas do metal solubilizado por diferentes extratores químicos (ataques ácidos fortes e quentes). Óxidos, oxissais, fosfatos, argilo-minerais,

67 Comportamento dos elementos Zeegers (1979) agrupou os elementos em 4 grupos, processos de laterização, Guiana Francesa: Cr, Ti, P, Sr, Zr enriquecidos com Fe 2 O 3 /Al 2 O 3 Cu, Ni, Zn, Mn (Co, Mg) - abundantes em r. básicas e lixiviados em intemperismo profundo K, Ba, B (Ca, Na) - r. aluminosas em intemperismo profundo Pb, Mo não afetados.

68 Mobilidade dos elementos no ambiente superficial É a facilidade com que o elemento se move em um certo ambiente. Mobilidade química de um íon: Íons livres Íons complexos Adsorvidos em sólidos finos (hidro-óxidos, argilo-minerais, M.O.) colóides

69 Mobilidade dos elementos no ambiente superficial A mobilidade química dos elementos, particularmente os metais, é a base da dispersão secundária em ambiente supergênico. Utilizada pela prospecção geoquímica em diferentes escalas.

70 Mobilidade no ambiente superficial função da carga iônica e do raio iônico

71 Potencial iônico PI = carga/raio iônico Elemento com baixo PI (Ca e Na) são solúveis como simples cátions, Cations móveis Íons imóveis OxiânÍons móveis Elem. com PI muito alto atraem O: oxi-ânions solúveis (PO 4 3+, SO 4 2-, MoO 4 2- ) Elem. com PI intermediários (Al, Ti, Sn) são móveis pela forte tendência à adsorção em superfícies, apesar da baixa solubilidade. Os elem de transição, com orbitais internos incompletos (Cu, Cr, Al, Fe) tendem a ser menos solúveis e mais fortemente adsorvidos. Mobilidade no ambiente superficial como função da carga iônica e do raio iônico

72 Mobilidade dos elementos em ambiente superficial Mobilida de relativa Alta mobilidade K > 10 Mobilidade moderada K = 1-10 Pouca mobil. K = 0,1-1 Imóvel K < 0,1 Oxidante ph 5-8 intemperismo Cl, Br, I, S, Rn, He, C, N, Mo, B Ca, Na, Mg, Li, F, Zn, Ag, U, As K, Rb, Ba, Mn, Si, Ge, P, Pb, Cu, Ni, Co Fe, Al, Ga, Sc, Ti, Zr, Hf, Th, Sn, ETR, Pt, Au (Cr, Nb, Ta, Bi) Oxidante PH <4 Minério sulfetado oxidado Cl, Br, I, S, Rn, He, C, N, B Ca, Na, Mg, Sr, Hg, Cu, Ag, Co, Li, F, Zn, Cd, Ni Redutor Pântanos Rico em MO Cl, Br, I, Rn, He Ca, Na, Mg, Li, Sr, Ba, Ra, F, Mn K, Rb, Ba, Si, Ge, Ra K, Rb, P, Si, Fe Fe, Al, Ga, Sc, Ti, Zr, Hf, Th, Sn, ETR, Pt, Au, As, Mo, Se Fe, Al, Ga, Ti, Zr, Hf, Th, Sn, ETR, Pt, Au, Cu, Ag, Pb, Zn, Cd, Hg, Ni, Cu

73 Importância do ph e Eh O valor específico de ph que leva a precipitação de um elemento é denominado de ph de hidrólise. Acima deste o elemento não é mais encontrado móvel. Nas proximidades de um depósito de pirita que se oxida com ph <1, o íon férrico está em solução, O ph vai neutralizando e outros íons vão precipitando como o Cu em 5 e o Zn em 7. Cu, Pb, Zn móveis em que ph? Acido ou alc. ph de hidrólise para alguns elementos selecionados.

74 Importância do ph e Eh Em ph 7 a solubilidade do Cu é moles/l 14 ppb Que é o conteúdo de Cu nas águas naturais. Qualquer quantidade Adicional de Cu, faz ele ppt como CuO Cu muito solúvel em águas ácidas. Insolúvel em águas Neutras e alcalinas Solubilidade do Cu 2+ como função do ph, mostrando limitações para CuO.

75 Importância do ph e Eh Em soluções reduzidas a solubilidade do Cu é muito baixa (Cu + ) Em condições mais oxidantes solubilidade aumenta Cu 2+ Solubilidade do Cu 2+ como função do Eh, mostrando limitações para Cu metal.

76 Adsorção e trocas iônicas com partículas coloidais Argilominerais Óxidos hidróxidos de Fe e Mn Matéria orgânica

77 Minerais Secundários Mineral primário Dissolução+hidrólise Mineral secundário Vistos em MEV (2 m ou menor) Analizados em difração de raio-x e analises termodiferenciais. Classes de tamanho de partículas e algumas propriedades (Birkeland, 1974)

78 Importância dos argilo-minerais Capacidade sortiva, ou de troca catiônica (CTC) desse grupo de minerais: CTC (meq/100g miliequivalentes Esmectita Ilita Caulinita Relacionada à facilidade dos argilo-minerais em receber moléculas de água ou cátions ou moléculas orgânicas entre as lâminas que constituem sua estrutura.

79 Argilo-minerais Contém a maior parte do Al e da Si liberados pelos minerais primários. Estrutura baseada em camadas. Camada de tetraedro com grupos de (Si,Al)O 4 cada Si 4+, ou Al 3+ é rodeado por 4 O 2- em coordenação tetraédrica. Camadas octaédricas Al 3+, Fe 2+, Mg 2+, rodeados por 6 O 2- em coordenação octaédrica. Identidade do mineral: sequência de camadas, elemento no octaedro, carga na camada, cátion na intercamada que balança a carga da camada.

80 Argilo-minerais a. Grupos de (Si,Al)O 4 em camadas de tetraedros; b. tetraedros vistos de lado e representação; c. vista de lado de camadas de octaedros e representação; d. estrutura da caulinita; e. estrutura da muscovita/ilita.

81 Argilo-minerais Se um cátion divalente como o Mg ocupa o octaedro, cada miolo do octaedro será preenchido, e o mineral será classificado como trioctaédrico: esmectita, talco

82 Argilo-minerais Se um cátion de valência 3 + como o Al ocupa o octaedro, somente dois miolos do octaedro será preenchido, e o mineral será classificado como dioctaédrico: pirofilita Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 -

83 Classificação Grupo Tipo de camada Carga da camada fórmula Caulinita 1:1 <0,01 Si 4 Al 4 O 10 (OH) 8 Ilita/muscovita 2:1 K + 1,4-2,2 M x (Si 6.8 Al 1.2 )Al 3 Fe 0,25 Mg 0,75O 20 (OH) 4 Vermiculita 2:1 1,2-2,2 M x (Si 7 Al)Al 3 Fe 0,5 Mg 075 O 2 0,5-1,2 (0,67) M (Si Al )Fe Mg O 0 (OH) 4 Esmectita b 2:1 Ca 2+ e Na + x , (OH) 4 clorita 2:1 com OH na intercamada variável (Al(OH) 0,25 ). (Si 8,8 Al 1.2 ) Al 3,4 Mg 0,6 O 20 (OH) 4 M - cation monovalente na intercamada, b - montmorilonita em solo

84 Caulinita-estrutura mais simples Substituições nos tetraedros e octaedros são raras, por isso a carga é 0. A carga da camada é balanceada por cátions que ocupam sítios entre as camadas. Compartilham O ou OH

85 Esmectita Ca e Mg são cátions comuns nos sítios entre camadas. A carga é importante em definir quão forte os cátions estão ligados entre as camadas. Esmectita tem a ligação mais fraca. Por isso tem uma capacidade de troca muito alta, como resultado da baixa carga entre as camadas.

86 Aumenta o grau de intemperismo Genese dos argilominerais, pela remoção de elementos solúveis K, Na, Ca e Mg.

87 Caulinita favorecida por ambiente ácido, drenagem livre, lixiviação de K, Na, Ca e Mg e muitos traços. Climas úmidos onde chuva excede a evaporação. Percolação de infiltração e lateral é ativa. Mineral mais comum na zona de intemperismo.

88 Montmorilonita condições neutras a alcalinas lixiviação incompleta K, Na, Ca e Mg e muitos traços. Drenagem truncada ou muita evaporação. Típica de regiões de clima semi-árido ou em água subterrânea aprisionada. Pela sua característica expansiva mantém o solo sem drenar. Disposição de Fe e Mg (minerais ferromagnesianos)

89 Óxidos de ferro e alumínio Chamados de sesquióxidos Limonita: Fe 2 O 3 nh 2 O Hematita Fe 2 O 3 Goetita Fe 2 O 3 H 2 O Diásporo Al 2 O 3 H 2 O Gibsita Al 2 O 3 3H 2 O Limonita mistura de goetita e hematita + jarosita KFe(SO 4 ) 2 (OH) 6 ) na presença de pirita oxidada;

90 Mobilidade dos óxidos no intemperismo Grupo Óxido Mobilidade relativa Sesquióxidos Dióxido Cr 2 O 3 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 SiO 2 Baixa Moderada Alcalinos e alc. terrosos K 2 O Na 2 O CaO MgO Alta

91 Intensidade do intemperismo aumenta com a pluviosidade, resultando em solo com maior proporção de minerais secundários (fração argila).

92 Importância dos óxidos de Fe e Mn Durante a precipitação podem incorporar, por co-precipitação, outros íons que não seriam normalmente afetados por modificações de ph e Eh. Captura elementos muito móveis (como Cu 2+ e Zn 2+ em condições ácidas) que se concentram nos precipitados de Fe e Mn. Halos geoquímicos reduzidos (pernicioso), pois adsorve os móveis.

93 Formação de gossans Py Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 COLÓIDE Fe(OH) 3 amorfo- fase de Cu Zn Ag absorção de metais) Pb Co goetita ou hematita (engrossa o grão diminui a afinidade de absorção)

94 Importância dos óxidos de Fe e Mn Óxidos de Fe e Mn tem uma importância maior que os de Al e Si: tem capacidade de sorção mais elevada, dissolvem com a redução do potencial redox e re-precipitam à medida que o sistema se torna mais oxigenado.

95 Importância dos óxidos de Fe e Mn Isso mantém estes óxidos em estado amorfo ou com baixo grau de cristalinidade, apesar de ativos floculam! Facilita a incorporação de íons estranhos na estrutura. Maiores controladores da fixação dos metais pesados.

96 Importância dos óxidos de Fe e Mn Para que íons Fe 3+ e Mn 3+ é necessário condições redutoras. Mina de Santa Maria (Licht, 1982): Metais sorvidos em óxidos de Mn: Pb 8,6%, Cu 14,3% e Zn 76,7%.

97 Cations dissolvidos com carapaça interna fortemente ligada de moléculas de água e carapaça externa mais fraca. Adsorção fraca com atração eletrostática. Adsorção forte moléculas de água internamente e externa.

98 Pisólito Estruturas orbiculares concrecionais, evidencia estado coloidal.

99 Importância da M.O. As camadas orgânicas do solo acumulam certos metais e a capacidade de troca catiônica (CTC) do húmus pode atingir 500 meq/100g, enquanto das argilas não excede 150 meq/100g. Influência na geração de anomalias geoquímicas não significativas, em pântanos ou espessa cobertura vegetal.

100 Ligação de metal em humus por quelação

101 Relação da quantidade de carbono para extrabilidade de Cu no solo.