Geologia e mineralogia

Geologia e mineralogia

(Parte 1 de 4)

Prof. Dr. Fabio Olivieri de Nobile Elaborada por: Prof. Dr. José Marques Junior

Conteúdo

ENGENHARIA1
1.1. DEFINIÇÃO1
1.2. Os Solos nos Ecossistemas3
CAPÍTULO 2 - ESPÉCIE MINERAL7
2.1. Introdução7
2.2. Noções de cristalografia7
2.2.1. Cristalinidade e Cela Unitária7
2.2.2. Sistemas Cristalinos10
2.3. Princípio da coordenação13
2.4. Substituição Iônica17
2.5. Espécie Mineral19
2.6. Classificação das espécies minerais20
CAPÍTULO 3 - INTEMPERISMO25
3.1. Considerações Gerais25
3.1.1. Trabalho de Goldich (1938)26
3.1.2. Trabalho de Chesworth (1973)31
3.2. Mecanismos e Processos de Intemperismo3
3.2.1. Intemperismo Físico3
3.2.2. Intemperismo Químico36
3.3. Intemperismo Químico de Minerais e Rochas4
3.3.1. Alguns exemplos4
CAPÍTULO 4 - ROCHAS MAGMÁTICAS47
4.1. Introdução47
4.2 Origens e tipos fundamentais de magmas48
4.3. Composição e classificação das Rochas Magmáticas52
4.4. Resfriamento do Magma54
4.4.1. Estágios de Resfriamento54
4.4.1.1. Estágio Pneumatolítico (ou Pegmatítico)5
4.4.1.2. Estágio Hidrotermal5
4.4.2.Textura das rochas magmáticas5
4.5. Seqüência de Cristalização56
4.6. Principais Rochas Magmáticas58
4.6.1. Família Granito - Riólito58
4.6.2. Família Diorito - Andesito59
4.6.3. Família Gabro-Basalto59
CAPÍTULO 5 - ROCHAS SEDIMENTARES61
5.1. Introdução61
5.2. Ciclo Sedimentar63
5.3. Composição68
5.4. Estrutura e Textura das Rochas Sedimentares70
5.5. Ambientes Deposicionais e Formação da Paisagem71
5.5.1. Ambientes Deposicionais71
5.5.2. Formação da Paisagem73
5.6. Classificação74
5.6.1. Rochas Clásticas75

CAPÍTULO 1 - GEOLOGIA APLICADA À ENGENHARIA ou GEOLOGIA DE 5.6.2. Rochas sedimentares químicas e orgânicas ....................................... 80

5.6.2.1. Rochas Sedimentares de Origem Química80
5.6.2.2. Rochas sedimentares orgânicas81
CAPÍTULO 6 - ROCHAS METAMÓRFICAS83
6.1. Introdução83
6.2. Tipos de Metamorfismo85
6.2.1. Metamorfismo de Contato85
6.2.2. Metamorfismo Regional86
6.3. Foliação87
6.4. Classificação das Rochas Metamórficas87
6.4.1. Ardósias8
6.4.2. Filitos89
6.4.3. Xistos89
6.4.4. Gnaisses90
6.4.5. Metaconglomerados90
6.4.6. Quartzito91
6.4.7. Mármore91
6.4.8 Anfibólios92
6.4.9. Itabiritos92
CAPÍTULO 7 - MINERALOGIA DE SOLOS94
7.1. Introdução94
7.2. Minerais do Solo96
7.2.1. Cascalho e Areia98
7.2.2. Silte9
7.2.3. Argila100
7.3. Relembrando outros capítulos100
101
CAPÍTULO 8 - MODELO DE EVOLUÇÃO DOS SOLOS104
8.1. Seqüência Cronológica104
8.2. Modelo de Evolução dos Solos106
9.1. O Tempo Geológico110
9.2. Esboço Geológico do Brasil117
9.3. Bacias Sedimentares118

i 7.3.1. Valor Ki; uma maneira de se avaliar o estágio de intemperismo do solo 10. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ................................................................... 128

CAPÍTULO 1 - GEOLOGIA APLICADA À ENGENHARIA ou GEOLOGIA DE ENGENHARIA

1.1. DEFINIÇÃO É a ciência que utiliza e aplica os conhecimentos geológicos, na prevenção ou na solução de problemas, em obras de engenharia civil e meio ambiente.

DEFINIÇÃO segundo o IAEG e ABGE É a ciência dedicada à investigação, estudo e solução de problemas de

Engenharia e Meio Ambiente, decorrentes da interação entre a Geologia e os trabalhos e atividades do homem, bem como à previsão e desenvolvimento de medidas preventivas ou reparadoras de acidentes geológicos.

IAEG: International Association of Engineering Geology ABGE: Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental

BREVE HISTÓRICO A Geologia Aplicada à Engenharia é uma ciência relativamente nova, podendo ser dividida basicamente em três fases distintas:

• 1ª Fase: 1940 a 1960 Caracterizada pela: “importação e adaptação de conhecimentos”;

• 2ª Fase: 1960 a 1974 Caracterizada por: “ intensos trabalhos”;

• 3ª Fase: 1974 até hoje Caracterizada por: “retorno a ênfase em Geologia”

ÁREAS DE ATUAÇÃO DA GEOLOGIA APLICADA À ENGENHARIA O estudo da Geologia de Engenharia abrange: ⇒ a utilização de rochas e solos como materiais de construção

⇒ os fenômenos que ocorrem na superfície da terra que podem trazer problemas às obras como processo erosivo, movimentos de massas, ação das águas subterrâneas, etc.

⇒ sondagens dos maciços rochosos ou em solos e como devem ser apresentados ao engenheiro. ⇒ aplicação de conhecimentos geológicos necessários ao projeto, construção e conservação dos diversos tipos de obras.

Portanto, pela própria denominação da GAE estão embutidos os seus referenciais conceituais: • a Geologia como base científica

• a Engenharia como campo de aplicação

Segundo Oliveira et al. (1995): a Geologia de Engenharia une o campo do conhecimento da terra e da sua história ao campo de desenvolvimento das técnicas de transformação da terra pelo homem.

RELAÇÕES INTERDISCIPLINARES Denomina-se GEOTECNIA todo o acervo tecnológico básico na área da: • Geologia de Engenharia (Geologia)

• Mecânica dos Solos (Engenharia Civil)

• Mecânica das Rochas (Engenharia de Minas)

FLUXOGRAMA Mostrando a relação das diversas Ciências Geológicas com as Obras de Engenharia

1.2. Os Solos nos Ecossistemas A posição do solo como divisor de ambientes é justificada pela sua posição peculiar - Pedosfera.

Figura 3. O solo (pedosfera) como “interface” entre litosfera, atmosfera, hidrosfera e biosfera. (Resende, 1988)

Pedosfera

Ecossistema é um sistema dinâmico e não há como compreender as relações solo-planta sem esta atenção para o funcionamento global deste sistema. A ecotessela (fitossela + pedotessela) engloba todo o ecossistema e permite, por exemplo, o entendimento da ocorrência de um solo pobre e vegetação rica numa região pluviosa (Floresta Amazônica) e solo pobre numa região com deficiência de água (Cerrado).

Figura 4. Esquema mostrando o ecossistema (tessela) formado de fitotessela e pedotessela. A ecotessela pode ser rica em nutrientes, estando estes praticamente só na fitotessela (floresta amazônica) ou na pedotessela (caatinga) (Resende, 1988).

Os solos mais profundos permitem a existência de um ecossistema mais estável (Figura 5).

Figura 5. Esquema simplificado da sucessão de ambientes. As espécies adaptadas às condições adversas (à esquerda) apresentam grande capacidade de dispersão e usam a maior parte de seu suprimento energético na reprodução. À direita, onde a estabilidade é regra, predominam espécies capazes de vencer a competição por espaço, usando maior quantidade de energia na especialização de funções. (Modificado de PASCHOAL, 1987)

Além disso, uma variação relativamente pequena no relevo pela ação das forças bioclimáticas que transformam a rocha em solo, determina grandes variações no solo.

Figura 6. Fatores de formação do solo e pedogênese.

Quando as forças bioclimáticas são pouco intensas, como numa região mais seca, ou a rocha for muito resistente, os solos mais velhos - como os

Latossolos - tendem a não existir e os imediatamente mais novos ocupam as suas posições.

A heterogeneidade de ambientes é, portanto, menor nos solos mais velhos

(Chapadões do Planalto Central) e maiores nos solos mais jovens. No Agreste Pernambucano, por exemplo, numa mesma propriedade existem solos que se prestam a pastagem (capim-raiz), enquanto a mandioca, muito importante na fabricação da farinha, só pode ser plantada nos solos mais profundos.

Essas idéias sobre a relação do solo com o ecossistema foram extraídas da apostila: Solos Tropicais, de autoria do Prof. Mauro Resende (NEPUT-Viçosa- MG). Julgamos de extrema importância situar a litosfera no contexto global do ecossistema. O entendimento da sua interação com as demais esferas permite visualizar as complexas fases de evolução do ecossistema sintetizadas nos atributos do solo.

7 CAPÍTULO 2 - ESPÉCIE MINERAL

2.1. Introdução

Espécie mineral é qualquer fase cristalina de natureza inorgânica. Essa definição impõe de imediato, as 3 condições necessárias e suficientes para definir espécie mineral: a - caráter inorgânico; b - ocorrência natural; c - estrutura cristalina1. Qualquer parte do universo que preencha essas 3 condições é espécie mineral.

As rochas e os solos são formados, na sua quase totalidade, de minerais de diferentes espécies. Todos os minerais têm em comum o fato de possuírem estrutura cristalina. As propriedades de cada mineral decorrem da sua composição química e da natureza cristalina, ou seja, da sua condição de cristal. Então, o conhecimento do estado cristalino é fundamental para o estudo de mineralogia e, portanto, dos solos.

2.2. Noções de cristalografia

A cristalografia é uma ciência que estuda o estado cristalino e foi desenvolvido inicialmente como um ramo da mineralogia que estuda a estrutura interna, a forma externa e as leis que governam o crescimento de cristais.

Todos os minerais têm uma determinada estrutura cristalina, isto é, seus íons constituem um espaço cristalino próprio e privativo da espécie. Isto equivale a dizer que cada espécie mineral pertence a um determinado sistema e possui uma cela unitária específica.

2.2.1. Cristalinidade e Cela Unitária

A característica fundamental do estado cristalino é o arranjo regular dos átomos, moléculas ou íons nas três direções do espaço. À distância, a partir da origem comum, a cada um dos átomos situados nos eixos cristalográficos X, Y e

Z definem os parâmetros ao, bo e co da cela unitária (Figura 7). Os eixos cristalográficos definem os ângulos a, β e γ, que combinados com os parâmetros caracterizam as substâncias cristalinas.

1 Designação dada ao conjunto de propriedades que resultam da forma como estão espacialmente ordenados os átomos ou moléculas que o constituem

Figura 7 - Eixos cristalográficos X, Y e Z, parâmetros e cela unitária.

Alguns conceitos devem ser entendidos de maneira bastante clara:

- Estrutura cristalina: minerais de arranjo atômicos (e moleculares) regulares de grande extensão em três dimensões.

- Estrutura não cristalina: não há o padrão anterior e o ordenamento dos átomos é apenas local ou de pequena extensão. Ex.: Alofana.

- Estrutura para-cristalina: minerais tem ordenamento atômico em pelo menos uma direção cristalográfica. Ex.: lwojolita.

Cela unitária: o arranjo espacial dos átomos de um determinado cristal pode ser descrito pelo tamanho e forma de uma unidade estrutural tridimensional, denominada cela unitária, e pelo padrão dos átomos contidos na mesma. A forma e o tamanho da cela unitária são especificados pelo comprimento de suas arestas e os ângulos entre as mesmas (Figura 8).

Figura 8 - Representação da cela unitária em cristal de goethita.

- Distância interplanar: é a distância entre dois planos paralelos do retículo cristalino, os quais contêm átomos, moléculas ou íons e podem ser traçados arbitrariamente (Figura 9). À distância interplanar é representada pela letra d e medida em angstrom, que é igual a 10-8 cm.

Figura 9 - Representação do retículo cristalino, assinalando-se algumas famílias de planos possíveis, com as distâncias interplanares d correspondentes.

- Espaçamento basal: é um certo d que separa planos do retículo perpendicular ao eixo cristalográfico Z, e que nos argilominerais é um plano de fraqueza pelo qual o mineral se quebra facilmente ao longo de superfícies planas. Esta última propriedade denomina-se clivagem (Figura 10).

Figura 10 - Planos de clivagem da mica. d

- Cristais onisotrópicos - características podem variar nas diferentes direções cristalográficas.

- Desordem estrutural: a repetição infinita do padrão de átomos representa o cristal ideal teórico. De fato, o cristal real apresenta desvios em relação ao ideal, que se esboçam como defeitos estruturais, os quais são muito comuns em minerais dos solos. Algumas causas: (a) variação na composição atômica de uma cela para outra; (b) deslocamentos direcionais de camadas que produzem diferentes arranjos no seu empilhamento; (c) empilhamento de diferentes tipos de camadas formando estruturas mistas, etc.

2.2.2. Sistemas Cristalinos Sistema Cristalino: dividindo-se o espaço com três planos, podemos produzir celas unitárias de vários tipos, dependendo como arranjamos esses planos. Por exemplo, se os planos nas três direções estão espaçados de igual distância e mutuamente perpendiculares, a cela unitária será cúbica. Neste caso, as dimensões a, b e c são iguais e os ângulos entre eles são retos, ou a=b=c; e a=p=y=90o. Atribuindo valores especiais ao comprimento dos eixos e ângulos, podem-se produzir celas unitárias de vários tipos e conseqüentemente vários tipos de redes, desde que os pontos das redes estejam localizados nas arestas das celas. Utilizando critérios básicos de simetria, pode-se provar que apenas sete tipos diferentes de celas são necessários para abranger todas as redes possíveis. Estas redes correspondem aos sete sistemas cristalinos, pelos quais todos os cristais podem ser classificados.

Algumas das 32 classes de cristais possuem características de simetria em comum com outras, o que permite sua transferência para grupos maiores denominados sistemas cristalinos. Os seis sistemas cristalinos estão relacionados abaixo com os eixos cristalográficos e a simetria característica de cada um.

Simetria isométrico - todos os cristais deste sistema possuem quatro eixos ternários de simetria e são referidos aos três eixos perpendiculares entre si, de comprimentos iguais (Figura 1).

(Figura 1)

Sistema hexagonal - todos os cristais deste sistema têm um eixo de simetria único ternário ou senário. Eles são referidos a quatro eixos cristalográficos, três eixos horizontais, iguais, cortam-se em ângulos de 120°, o quarto é de comprimento diferente e perpendicular ao plano dos outros três

vertical é mais curto, ou mais longo, do que os outros dois (Figura 1)

Sistema tetragonal - um único eixo de simetria quaternário caracteriza os cristais deste sistema. Os cristais são referidos a três eixos mutuamente perpendiculares; os dois eixos horizontais são de comprimento igual, mas o eixo

Sistema ortorrômbico - este sistema apresenta três elementos de simetria binária, isto é, planos de simetria ou eixos de simetria binários. São referidos aos três eixos perpendiculares entre si, todos de comprimento diferente (Figura 12).

Sistema monoclínico - estes cristais são caracterizados por um eixo de simetria único, binário, ou por um plano de simetria único, ou pela combinação de um eixo binário e um plano de simetria. Os cristais são referidos aos três eixos desiguais, dois dos quais estão inclinados entre si formando um ângulo oblíquo, sendo o terceiro perpendicular ao plano dos outros dois (Figura 12).

Sistema triclínico - possui um eixo de simetria unitário como sua única simetria. Este pode ser um eixo simples rotatório, ou um eixo unitário de inversão rotatória (Figura 12).

Figura 1 - Proporção dos comprimentos de eixos e ângulos formados nos sistemas: (A) cúbico ou isométrico, (B) tetragonal, (C) hexagonal. (a), (b) e (c) correspondem aos comprimentos dos ângulos. a, 13 e y correspondem aos ângulos formados entre os eixos. À direita estão representadas as figuras geométricas correspondentes e a forma mais comum de um mineral que se cristaliza segundo o sistema (Popp,1988).

Os cristais são referidos aos três eixos desiguais, que se cortam formando ângulos oblíquos (Figura 12).

Figura 12 - Comprimentos dos eixos e ângulos formados nos sistemas: (O) ortorrômbico, clínico, (F) triclínico (Popp, 1988).

2.3. Princípio da coordenação A formação dos minerais não é casual, obedece a certas regras e teorias, das quais o princípio de coordenação é uma das mais importantes.

Qualquer que seja o processo de gênese (solução, fusão, sublimação, etc.) ao ser edificada a estrutura cristalina de um mineral, os íons iguais adquirem vizinhanças iguais, que se repetem ordenadamente. A esse grupamento dá-se o nome de coordenação - cátions e ânions tendem a grupar ao seu redor o maior número possível de íons de carga contrária, ligando-se de modo igual a todos eles.

Número de coordenação (NC) é o número de íons de carga contrária ao redor do íon coordenador, isto é, é o número de vértices do poliedro de coordenação.

Na caulinita, por exemplo, o NC de Si4+ em relação a O2- é 4 e o NC de Al3+ em relação à OH- é 6. (Figura 13).

Figura 13. Estrutura espacial da caulinita.

O número de coordenação de um íon em relação ao outro é função dos tamanhos relativos dos íons coordenadores e coordenados. Trata-se, em essência de se determinar quantas esferas de um dado raio cabem ao redor de outra, de raio diferente.

Na fluorita, por exemplo, cada íon cálcio está rodeado por 8 íons flúor (coordenação 8) enquanto que cada íon flúor tem como vizinhos apenas 4 íons cálcio (coordenação 4). Fica então evidente que essa estrutura possui o dobro e íons flúor em relação aos íons cálcio, o que está de acordo com a fórmula CaF2 com as valências usuais do Ca e do F.

No estudo de coordenação, não importa o diâmetro das esferas em valor absoluto, mas sim o tamanho relativo do íon coordenador e dos íons coordenado se expressa pela relação de raios, RC/RA, onde RC é o raio do cátion e RA o raio do ânion, em unidades "angstrom". Entretanto, se o íon coordenador for Si+4 e os íons coordenados forem O2-, a relação de raios será RSi4+/RO2- = 0,42 Å/1,40 Å = 0,3. Sempre que tiver esfera cujos raios estejam nessa relação, é possível a sua participação na configuração tetraédrica.

Em resumo, são os seguintes tipos mais freqüentes de coordenação nos minerais e seus respectivos limites de estabilidade.

NC TIPO DE COORDENAÇÃO RELAÇÃO DE RAIOS 12 cúbica compactada 1

3 triangular 0,2 a 0,15 2 linear < 0,15

Na Figura 14 aparecem esquematizados os seis tipos principais de coordenação.

Figura 14 - Esquema dos principais tipos de coordenação

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