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