Processos Químicos na formação de sedimentos
Sedimentos e sedimentação
O que é sedimentação e o que são sedimentos?
Sedimentação é no princípio uma interação físico-química entre atmosfera, hidrosfera e crosta junto a uma influência da biosfera.
Parte integrado deste processo são denominado intemperismo, erosão, transporte e deposição.
A composição química das rochas desenvolvida durante este processo de sedimentação está baseada na instabilidade do maior parte dos minerais magmáticas e metamórficas sob condições da superfície. Eles são chamadas não-estável ou meta estável.Somente alguns minerais mostram estabilidade nestes condições.
Sob influência dos agentes físicos e químicos da superfície ocorre logo a destruição e a formação de novos minerais secundárias. Isto ocorre normalmente sob efeitos de alteração de volume.
Sequência sistem. da sedimentação
Condições tectônicas
Intemperismo químico (clima tropical, “uplift “devagar
Intemperismo físico (clima fria a temperada, “uplift” rápido
Material principalmente em soluçãoMaterial detrítico; transporte mecânico
Classificação hidráulica;
Tempo de Permanência
Subsidência; processos biogênicos; processos químicos; evaporação, intemperismo
Química da água dos poros; Química da água subterrânea;Historia de enterramento; gradientes geotérmicos
Processos supergênicose sua alocação
Estes processos que ocorrem incluem os seguintes sub-processos:
Intemperismo -- químico e físico
Erosão -- físico
Transporte -- físico e químico
Deposição -- químico e físico
Como atuam estes processos?
Todos estes processos se baseiam e finalizam na formação de minerais novas e estáveis sob condições da superfície.Os mais importantes minerais aqui são de mencionar os minerais silicáticas (90% da crosta).
Os minerais existentes são destruídos formando íons, complexos e precipitados os que são transportados.Os principais processo que ocorrem são:
HidrataçãoHidróliseOxidaçãoReação entre íonsComplexação
Os fatores são alteração de pH, fugacidade, concentração e composição geral das soluções.
A influencia do climaAs condições climáticas são expressivo na determinação do tipo de intemperismo ocorrente.
Temperatura med, max e min.
Quantidade de chuva – precipitação – evaporação
Vento
Correntes marítimas
Distribuição termal da terra sólida
Relação com o sol
Os fatores mais importantes são:
Observações químicas de um perfil de solo de uma região temperada-chuvosa
Nr. Profundidade SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 H2OB1 15 39,3 20,3 16,4 1,7 0,5 0,3 0,6 2,4 18,6B2 46 36,1 20,6 21,8 0,5 0,3 0,2 0,1 4,1 16,3B3 76 27,8 18,5 33,2 0,5 0,2 0,2 0,1 5,2 14,3B4 107 28,9 19,4 30,5 0,5 0,2 0,2 0,1 4,8 15,8B5 137 33,4 21,4 24,3 0,5 0,3 0,2 0,1 4,1 15,8B6 168 37,1 23,2 18,1 0,6 0,3 0,2 0,1 3,8 16,8B7 198 42,2 15,2 14,0 9,0 8,7 1,1 0,9 2,0 7,2 B8 213 45,0 14,6 13,3 9,8 10,1 2,4 1,5 1,9 1,6
Estes dados mostram o comportamento dos elementos maiores num perfil de intemperismo de uma rocha máfica (basalto; Loughnan, 1969).
Estes processos ocorrem quando água com H2CO3 atua sobre as rochas. Formam-se hidróxidos, óxidos e material
solúvel. Precisa-se levar em conta também o efeito volumétrico dos processo (dados relativos - %).
Relação rególito – basalto para um outro exemplo
Composição de um basalto e o material alterada deste basalto (Riggi & Riggi, 1964)
Qual ambiente de intemperismo você sugerirá?Quais são os reais mudanças composicionais?Quais são as mudanças causadas por relação de peso?
Perfil investigado15
46
76
107
137
168
198
2130 80
“Geo”química de solosLevando em consideração as observações anteriores pode se entender a classificação do perfil de um solo e seus diversos horizontes, conforme os processos do intemperismo que atuou e está atuante.Separam-se os seguintes horizontes principais:
A – Horizonte de extração ou Horizonte eluvialParte esbranquiçado do solo mineral; a parte superior desta unidade é misturado com material orgânico;
B – Horizonte de enriquecimento ou Horizonte iluvialO material retirada do A encontra-se aqui (soluções verdadeiras e lavagem mecânica; a cor marrom a vermelho vem do Fe e Mn; enriquecimento de elementos traços
C – Horizonte do material protolíticoProtólito dos horizontes A e B; pode ser in situ, transportado ou solo de processos intempéricos anteriores;
Química das rochas sedimentaresA composição das rochas sedimentares varia muito conforme do tipo do protólito que contribuiu na formação (mas bem << que no metamorfismo).Apesar desta complicação existem alguns fatores e dados típicos para as rochas sedimentares.
K >> NaAl/Alc + Ca > 1 : 1Teor alto de Si em rochas areníticas e chertAltos teores de Mg e Ca em carbonatosAltos teores de Fe e Mn; Fe na forma Fe+++
O triangulo (Al,Fe)2O3xH2O–(Ca,Mg)CO3–SiO2 pode mostrar bem a distribuição das rochas sedimentares. As áreas mostram a distribuição e a superposição dos principais grupos existentes.
Poldervaart (1995) desenvolveu um sistema para calcular minerais a partir das análises químicas.
Comp. mineral das Rochas sedimentares
A mineralogia principal dos sedimentos é determinado por dois tipos diferentes de minerais:
A. Minerais extremamente resistentesB. Minerais neo formados
Os primeiros são minerais como SiO2, argilominerais, micas etc.
Os outros são normalmente compostos hidratados como ligações com Fe, Mn, Si, Al, etc e transformações de argilominerais.
Existe uma serie de estabilidade dos minerais. Ela é inversa com as series de cristalização magmática ou as series de formação metamórfica.
Quais?
Comp. mineral das R. Sediment.Fields & Swindale (1954) criaram uma tabela interligando minerais primárias e minerais secundárias formados a partir deles nos processos de intemperismo.
Assim o número de minerais em sedimentos é bastante limitado. São normalmente, SiO2, feldspatos, calcita, limonita (e goethita e hematita), bauxita (e gibsita e boemita) e colofano (apatita sedimentar).
Os minerais detríticos são: Quartzo e feldspatos;Os minerais autigênicos são: Albita, ortoclásio, microclina.
Os tipos de minerais contém informações sobre as condições de intemperismo Dissolução de feldspatos ocorre em ambiente básico;Calcita precipita por organimos ou mudanças de concentrações da solução;Dolomita forma-se em ambientes ricos em Mg++ ou a diagênese na presença de água do mar.
Os argilomineraisOs argilominerais caulinita, montmorrilonita, ilita e clorita formam o grupo mais estável dos minerais secundários.
Normalmente tem granulometria << 0,002mm e são assim extremamente reativo. Eles tem uma transição para o grupo dos compostos Si e Al – gelatinosas. Relação massa - superfície
Muitas vezes formam grupos mistos “mixed layer argilites”
Caulinita: não tem substituição entre Al e Si; composição simples
Montmorilonita: uma camada de Al-OH é colocado entre duas camadas de tetraedros de Si. Isto permite o crescimento do mineral conforme o teor de H2O (bentonita). Ele pode incorporar íons variados conforme o tamanho. Pode substitur Si por Al.
Ilita: Um mineral rico em H2O e pobre em K. É na verdade uma hidro-muscovita.
Clorita: Uma montmorilonita com uma camada de (Mg, Al)(OH).
Fatores físico-químico importantes para a formação dos sedimentos
Água como composto de solução universal e único
Potencial iônico
pH ou concentração de H+ (H3O)+
Potencial Redox ou Eh (fugacidade ƒO2)
Abaixo são mostrados fatores importantes:
concentração de HCO3- e CO3
--
Concentração de HS- e S--
e as vezes:
Processos coloidais e os colóides formados
Importante em ambientes superficiais é a formação de partículas coloidais que são muito pequenos: entre 10-3
a 10-6mm.
São importantes carreadores de compostos químicos
Carga positiva Carga negativaAl(OH)3 SiO2Fe(OH)3 Fe(OH)3Cr(OH)3 V(OH)5TI(OH)2 Mn(OH)2TH(OH)2 Ácidos húmicos e
(fúlvidos)Zr(OH)2 S2- e SH- - sois
Os processos e produtos da sedimentação
O intemperismo
Subdivisão do intemperismo
Intemperismo físico – destruição mecánica
Intemperismo químico – Destruição química
I. Causado pela temperatura e especilamente ∆T
II. Por formação física de sais (cristalização)
III. Por processos físico-biológicos (algas, bactérias, plantas , etc.)
I. Atuação de H2CO3 (dissolução)
II. Efeitos de hidrólise (dissolução, aumento)
III. Efeitos de oxidação/redução (dissolução, precipitação)
Intemperismo biológico – Destruição orgânica
I. Por dissolução, causada por organismos
evolução do intemperismodevagar rápidoFator/causa
Resistência do mineral
Frequência de fraturas
Prof. rególito
Inclinação
Vegetação
Temperatura
Precipitação
Atividade animais
Estabilidade Intemperismo Serie de Bowendos minerais
Resistência a intemperismo físico
Aspectos Globais
do intemperismo
A distribuição global dos produtos de intemperismo (especialmente argilominerais em
correlação com clima, substrato, etc.)
Distribuição de solos e zonas de intemperismo
AlitizaçãoIntemperismo químico pela hidrólise total e formação de óxidos e hidróxidos de alumínio; Ligado as regiões tropicais com precipitação e temperatura altaMonossialitização100% de K e 66% de sílica eliminado (Si:Al=1) em caso de maior drenagem:2KAlSi3O8+11H2O�Al2Si2O5(OH)4+Si2Al2O5(OH)4+4H4SiO4CO3+2K++2OH-
Feldspato ác. Carb./água caulinita (argila(residual) ) íon bicarbonato sílica (material solúvel)
Zonas de transição tropical-subtropical para outras regiões; Temperatura e precipitação menorDissialitizaçãoparte do K não é eliminado (Si:Al = 2) em caso de menor drenagem:2,3KAlSi3O8+8,4H2O � Al0,3Si3,7O10Al2(OH)2K0,3+3,22H4SiO4+2K++2OH-
Feldspato esmectita
Áreas de clima moderada a seco fria; Temperatura e precipitação variadaRegiões áridas e/ou frias (gelo) sem maiores reações químicasÁreas cobertas por gelo ou com disponibilidade muito baixa de água Acidólise totalEm ambientes mais frios forma-se mais ácidos orgânicos com a preservação da MO e gerando pH < 5 e solos podzólicos com esmictitas:K AlSiO3O8+4H+4H2O�3H4SiO4+Al3++K+
Zonas de clima fria (média abaixo 0o; permafrost e degelamento superficial
Relação temperatura x pluviosidade
DS MSAS
A F
Acid
Importância da água na formação dos produtos
Zonas climáticas e atuação do intemperismo
Agentes do intemperismo
Topografia a atuação
Intemperismo físico e fraturasAo contrário do intemperismo químico onde a água dissolve, o que atuam aqui são as propriedades físicos da água (Expansão e contração com mudança da temperatura e a introdução de sais.
Superfície e intemperismoJunto com a diminuição dos blocos aumenta também o grau de arredondamento dos blocos.Com o aproximação a bola melhora a relação superfície, massa e ∆E
Entrada de água e CO2
Entrada de água e CO2
A importância das fraturas, do aumento da superfície para a entrada de fluídos e gases nas rochas.
Papel da água no intemperismo
Superfície do argilomineral
Configuração da molécula
da água
CO2 e água no intemperismo
Solubilidades de compostos importantes
O diagrama mostra a dependência da solubilidade de compostos do pH
�Comportamento
anfotérico�Mostrado por elementos como Si, Al, Sn, S-2, NH4
+ e outros
Al++
Al(OH)3
Al(
OH
) 4-
Destruição química de minerais
1. A estabilidade depende do comportamento energético de cada mineral;
2. As concentrações dos ácidos e gases são importantes;
3. A ligação e coligação de cada elemento determina a sua estabilidade no sistema;
4. A estabilidade do produto também influencia na evolução da decomposição.
O que acontece com estes minerais?Intemperismo com H2O/CO2/O2 ou seco/O2
Feldspato potássico KAlSi3O6 ����
Plagioclásio NaAlSi3O6 ����
CaAl2Si2O6 ����
Mica K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2 ����
KAl2AlSi3O10(OH)2 ����
Piroxênio (Mg,Fe)2Si2O8 ����
Anfibólio(Ca,Na)2(Mg,Fe,Al)5(Al,Si)6O22(OH)2 ����
Olivina (Mg,Fe)2SiO4 ����
Leucita KAlSi2O6 ����
Quartzo SiO2 ����
Hematita Fe2O3 ����
Magnetita Fe3O4 ����
Intemp. quím. em ambientes naturaisFontes dos compostos químicos e sua participação no intemperismo
Equilíbrio do CO2 (ar-água) e a formação de Carbonatos
As relações entre ácido carbônico e carbonatos determinam as condições sob as quais rochas de carbonato se formam ou se dissolvem.
Um processo semelhante determina assim a formação da ganga e minérios em rochas/veios carbonatados.
CO2+ H2O ���� H2CO3 pH= ??H2CO3 + H2O ���� HCO3
- + H3O+ pH= 6,4HCO3
- +H2O ���� CO3-- + H3O + pH= 10,3
Exemplos selecionados de outros ácidos de
origem naturalN2(g)+O2 (g) --> 2NO(g)2NO(g)+O2 --> NO2 (g)2NO2 (g)+H2O(l) --> HNO2 (aq)+HNO2 (aq)
2SO2 (g)+O2 --> 2SO3 (g)SO2 (g)+H2O(l) --> H2SO4 (aq)
Ácidos orgânicos, HCN, HSCN, H2S, H3PO4, HF
Equilíbrio de H2CO3e a solubilidade de CaCO3em sistemas cársticas.
Teor CO2 %
CaC
O3
pp
m
Solubilidade decarbonatos em outros, diferentes ambientes de superficie
tropical
Dureza média da água mg/l CaCO3 ou Ca + Mg
temperado
Dureza média da água mg/l CaCO3 ou Ca + Mgártico/alpino
Dureza média da água mg/l CaCO3 ou Ca+Mg
Nú
mer
os
de
amo
stra
s
CaC
O3
pp
m
Teor CO2 %
Quais são os fatores e processos naturais que afetam a
solubilidade de compostos químicos, minerais, sais, etc.?
• Mudanças de temperatura;• Mudanças de Pressão;• Atividades orgânicas;• Decomposição.
Como?
• O que acontece com o aumenta da temperatura do meio?
A solubilidade aumenta para a maioria dos sais.
A solubilidade para CaCO3 diminui
Como?• O que acontece com o aumenta da
temperatura?• O que acontece com o aumento da
pressão?A solubilidade aumenta para a maioria dos
sais e também
A solubilidade para CaCO3 aumenta.
Como?• O que acontece com o aumenta da
temperatura?• O que acontece com o aumento da
pressão?• Como muda a solubilidade com a
atividade biológica?Isto depende da atividade biológica
(alterações na fugacidade, produção de S, CO2 etc.).
Como?• O que acontece com o aumenta da
temperatura?• O que acontece com o aumento da
pressão?• Como muda a solubilidade com a
atividade biológica?• Como a decomposição de compostos
influencia a solubilidade?Depende do tamanho dos produtos, a
sua polaridade, grupos ativos, estado físico, etc.
Exemplos para a atuação do intemperismo
Quais são as razões, os parâmetros envolvidos e as reações que ocorrem aqui?
Ver:
Composição do materialUmidade e sua composiçãoComposição do arCondições de superfícieCondições estruturaisCondições fisico-químicos como t, insolação (∆E), vibrações
Monumento Natural:CaCO3CaMgCO3Granito
Cerâmica:AluminaMulitaquartzo, cristobalita
Razões e parâmetros:
Material:
Reações dos ácidos em sistemas secas e húmidas
Formação de solos e a atuação do intemperismo biológico
Reações químicas entre solo e raízes
Os argilominerais, devido a sua grande superfície, podem adsorver muitos íons ou os aprisionar entre suas camadas.
Argilomineral
arg-K + H+ ���� arg-H + K+
Atuação de organismos sobre as rochas
Organismos podem liberar diversos ácidos, desde orgânicos (fúlvicos, húmicos, oxalatos) a outros como HCl, HF, H2SO4, H2SO3, H3PO4, H2C2O3
Vegetação
CUIDADO!!Erosão
O que é erosão?Erosão é a destruição do solo e das rochas e seu transporte, em geral feito pela ação da gravidade (hoje também pela água da chuva, pelo vento, do gelo).Estas são transportados para as partes mais baixas dos relevos e em geral vão assorear cursos d'água.
A erosão trabalha intensamente entrelaçado com o
intemperismo e o transporte.
Parâmetros da erosão
Exemplo de erosão
Destruição da adesão e transporte gravitacional
Transporte
Sistema de transporte em correntes de Água
Transporte e deposição em equilíbrio?
Qual direção?
Destes movimentos depende também a saturação da água e a forma de deposição de material precipitado como partículas, oóides, sol, gel, etc.
Sistemas de transporte - deposição entrelaçadas
Sais contidos na água, pH marinho, etc.
Poeira, óxidos, íons, material orgânico, argilominerais, sais, metais, etc.
Poeira, gases, esporos, bactérias,
ácidos, fumaça, metais, etc.
Distribuição de argilominerais e carapaças
Pode-se ver claramente uma ligação entre distribuição de sedimentos e localização dos
oceanos.
Cada zona pode
mostrar comportamento químico diferenciado
devido a distribuição granulométri
ca, tipo de material,
composição da água, etc.
Sedimentos marinhos
Ação do vento em áreas áridas
Qual direção do vento?
Quais reações químicas?
Muito O2, energia, pouca água e quando
torrencial
Evaporação com formação de
“Wüstenlack”
A cada impacto com outros grãos ocorrem reações físicas e, com presença de umidade e O2 também reações químicas.
Relação velocidade – tamanho dos partículas transportadas
Transporte de poeira do continente africano com detalhe e organismos contidos
A ação do gelo
Deposição
Gelo
Gelo
Gelo
Sedimentos
A ação da água
Dunas
Depósitos fluviais
O vento como meio de deposição
Os produtos da sedimentação
Os produtos da sedimentação
Fluxograma dos produtos
Diagênese
Um conjunto de processos de modificações químicos, físicos e biológicos de um sedimento durante e após a sua consolidação (limitado pelo metamorfismo).
Diagênese
Os processos ocorrem sob condições da superfície ou próximo as condições da superfície.
P < 0.1GPa e T< 500K
Quais processos ocorrem?Processes físicos
1. Compactação2. Deformação leve
Processes químicos3. Cimentação4. Lixiviação5. Alteração de minerais6. Autigênese7. Substituição8. Cristalização9. Atividades bacteriana
10. Hidratação de minerais11. Formação de concreções12. Formação de Ilita13. Formação de Glauconita
Diagênese
A diferenciação diagenêtica causa uma redistribuição no sedimento:
Dissolução e precipitação de SiO2 na forma de concreções em calcários e argilitos.
Produção de SiO2 amorfo ���� microcristalino ���� e cristalino
Gel Calcedônia Quartzo
Muito obvio e quase sempre ocorrente é a cimentação, a qual inicia a litificação do
sedimento.
Processos durante a Diagênese
DiagêneseCimentação:
Um sedimento recente de CaCO3 tem ca. 60-70% do volumem na forma de poros.
Um Sedimento calcário consolidado tem ca. de 1%.A compactação é pouco expressivo. A redução é principalmente o efeito da
cimentação (neste caso CaCO3).Ocorre muitas vezes pelo contato com água doce que dissolve o alto-
Mg/CaCO3 e aragonita e deposita baixo Mg 3mol-%)/CaCO3.As vezes ocorre substituição em ambiente marinho uma substituição de
aragonita ou quartzo pelo alto Mg(12mol-%)/CaCO3 ou continua sem consolidação.
Em rochas areníticas ocorre a formação de SiO2 e/ou CaCO3.Arenitos mais recente formam cimentos de CaCO3, normalmente e arenitos mais antigos cimento de SiO2. A formação de Calcita é limitada a áreas muito subaéreas enquanto a formação de SiO2 também ocorre em maiores profundidades.
Esquema de desenvolvimento
de rochas sedimentares
Balanceamento total da
sedimentação