Aula Intemperismo e solos Geologia Geral 2015

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(Hamblin & Christiansen 1995)
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Intemperismo e formação de solos
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Chemical Weathering in the Graveyard
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Conjunto de modificações de ordem física (desagregação) e química (decomposição) que as rochas sofrem ao aflorar na superfície da Terra.
INTEMPERISMO
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EROSÃO
Remoção física dos materiais pelos agentes de transporte, tais como água, vento, gelo ou gravidade
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Tipos de Intemperismo
INTEMPERISMO FÍSICO
INTEMPERISMO QUÍMICO
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INTEMPERISMO FÍSICO
Desagregação
e
fragmentação
da rocha
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INTEMPERISMO FÍSICO
Desertos: variações de T ao longo de dias e noites causam expansão e contração térmica nos materiais rochosos
Congelamento de água nas fissuras das rochas
Cristalização de sais dissolvidos nas águas de infiltração
Partes + profundas ascendem a níveis crustais + superficiais, com o alívio da P  os corpos expandem causando juntas de alívio
Crescimento de raízes em fissuras das rochas
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(Hamblin & Christiansen 1995)
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(Skiner & Porter 1992)
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INTEMPERISMO QUÍMICO
Modifica 
os componentes 
e 
a estrutura interna 
dos 
minerais
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INTEMPERISMO QUÍMICO
Condições superficiais são diferentes das condições que os minerais se formaram
Quando afloram entram em desequilíbrio  transformam-se em minerais mais estáveis
Principal agente: água da chuva, infiltra e percola as rochas.
Constituintes mais solúveis são transportados
Permanecem:
minerais primários residuais
minerais secundários que se formaram no perfil
 quartzo
 oxi-hidróxidos de Fe e Al
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Todas as reações do intemperismo químico acontecem nas descontinuidades das rochas, podendo resultar no fenômeno denominado ESFOLIAÇÃO ESFEROIDAL.
 As arestas e os vértices dos blocos são mais expostos ao ataque do intemperismo químico que as faces.
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(Skiner & Porter 1992)
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Reações do Intemperismo
Hidratação
Dissolução
Hidrólise
Hidrólise total
Hidrólise parcial
Acidólise
Oxidação
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
material parental
clima
topografia
biosfera
tempo
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Série de Goldich
Estabilidade dos minerais Velocidade de intemperismo
óxidos de Fe (hematita)
hidróxidos de Al (gibbsita)
quartzo
argilominerais
moscovita
ortoclásio
biotita
albita
anfibólio
piroxênio
anortita
olivina
calcita
halita
<
>
+
-
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Intemperismo Químico de silicatos 
Quartzo: muito estável
Feldspatos: formam argilominerais
Minerais Máficos : decompõem-se para óxidos
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(Hamblin & Christiansen 1995)
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Intemperismo diferencial
rochas menos intemperizadas serão menos afetadas pela erosão
devido a fatores regionais e locais, as rochas não intemperizam uniformemente
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(Skiner & Porter 1992)
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
clima
isoladamente é o fator + influente
precipitação e temperatura
quanto a > a disponibilidade de água e + frequente for sua renovação, + completas serão as reações químicas do intemperismo
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
clima
T: acelera as reações químicas
aumenta a evaporação, diminuindo a quantidade de água disponível para a lixiviação dos produtos solúveis
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
clima
clima tropical: minerais primários estão ausentes, com exceção dos + resistentes
quartzo e muscovita
climas + frios: afetam os minerais primários menos resistentes
minerais ferromagnesianos
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
topografia
regula a velocidade de escoamento superficial das águas pluviais (que também depende da cobertura vegetal), controlando a quantidade de água que se infiltra no perfil. 
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
biosfera
matéria orgânica morta no solo decompõe-se, liberando CO2, diminuindo o pH das águas de infiltração
em torno das raízes das plantas, o pH é ainda menor (2<pH<4) 
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Fatores que controlam a alteração intempérica 
tempo
em condições de intemperismo pouco agressivas, é necessário um tempo + longo de exposição às intempéries para haver o desenvolvimento de um perfil de alteração
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Mecanismos do intemperismo
1. Processos físicos
	
2. Processos químicos
Material coeso  material fraturado, friável, incoerente
Transformações químicas  material intemperizado difere quimicamente e mineralogicamente do material original
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1. Processos físicos
Causam desagregação das rochas com separação dos grãos minerais antes coesos e com sua fragmentação, transformando a rocha inalterada em material descontinuo e friável.
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	- Variação de temperatura 
	Expansão e contração térmica nos materiais rochosos  fragmentação dos grãos minerais  deslocamento relativo entre os cristais, rompendo a coesão inicial entre os grãos.
	Congelamento da água nas fissuras das rochas  aumento de volume  pressão nas paredes  esforços  aumento da rede de fraturas  fragmentação da rocha.
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- umidade
águas de infiltração: desitratação – rehidratação  cristalização de sais dissolvidos  cristalização  aumenta volume  expansão das fissuras  desagregação (Ex.: taffoni, em ambientes costeiros)
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	- juntas de alívio (diaclases)
	ascensão dos corpos rochosos das partes mais profundas até níveis mais superficiais  alívio da pressão  expansão do corpo rochoso  abertura de fraturas.
	- resfriamento de derrames de lavas, por ex.  contração  fraturamento
das rochas em colunas prismáticas = disjunção colunar.	
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- crescimento de raízes nas fissuras das rochas  pressão  fragmentação.
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Superfície terrestre = ambiente com P e T baixas + riqueza em H2O, O2  muito diferente do ambiente formador das rochas.
Rocha aflora na superfície  minerais em desequilíbrio  transformação em novos minerais mais estáveis através de reações químicas.
2. Processos químicos
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Reações do intemperismo
Mineral I + solução de alteração → mineral II + solução de lixiviação
Reações sujeitas às leis do equilíbrio químico e variações condições ambientais 
	 adição ou subtração de componentes = reações atrasadas ou aceleradas
	  geração de minerais secundários e diferentes soluções de lixiviação
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Principal agente = ÁGUA chuva por infiltração e percolação nas rochas. Com CO2 (+ ácidos orgânicos)  ácida + em contato com solo  enriquecimento em CO2  mais ácida !  aumento do seu poder de ataque dos minerais.
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A maioria das rochas são constituídas pelos seguintes elementos químicos:
Condições de formação dos minerais secundários
Nutrientes – solúveis
Pouco solúveis – principais constituintes dos minerais secundários:
argilas, óxidos e hidróxidos de Fe e Al
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Processos de alteração química
Dissolução – reação dos minerais com a água ou com ácidos resultando na liberação de íons livres em solução. Solubilização completa. O mineral desaparece.
Hidratação – combinação química de minerais com a água. A hidratação implica o aumento de volume dos minerais facilitando a desintegração da rocha.
Hidrólise – substituição de cátions da estrutura de um mineral por íons H. Formação de novos minerais e desintegração dos minerais originais.
Oxidação / Redução – perda ou ganho de elétrons pelos átomos ou íons da estrutura mineral. Formação de novos minerais.
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1. Dissolução
Dissolução = solubilização completa
CaCO3  Ca2+ + CO32-
NaCl  Na+ + Cl-
a dissolução ácida de rochas carbonáticas (calcários, dolomitos) e evaporíticas (halita, gipsita) pelo ácido carbônico, gerado pela reação entre a água e o gás carbônico. dissolução da calcita e formação de sistemas cársticos.
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2. Hidratação
Ocorre pela atração entre dipolos das moléculas de água e cargas elétricas não neutralizadas na superfície dos grãos.
Entrada de H2O na estrutura mineral  o modifica  novo mineral.
Ex.: transformação da anidrita em gipso:
CaSO4 + 2 H2O  CaSO4.2H2O
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3. Hidrólise (Faixa de pH entre 5 e 9) 
Obs.: 
1)Hidrólise total ou parcial é função das
Condições de drenagem no perfil de alteração
2) Laterita: formações superficiais constituídas de hidróxido de alumínio, hidróxidos e óxidos de 
ferro 
 
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Quais são os fatores do controle do intemperismo?
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4. Acidólise (complexação, presença do grupo funcional COOH, a carboxila.
pH < 5
Ambiente mais frios com formação de ácidos orgânicos (degradação de M.O.).
Complexação 
Fe e Al solúveis  em solução (lixiviação favorecida pela formação de complexos organo-metálicos solúveis). Empobrecimento em Al e enriquecimento em sílica.
Acidólise total (pH < 3) = formação de minerais mais insolúveis como o quartzo
KAlSi3O8 + 4H+ + 4H2O → 3 H4SiO4 + Al3+ + K+
Acidólise parcial (3 < pH < 5) = remoção parcial de Al e formação de esmectitas aluminosas
9KAlSi3O8 + 32H+ → 3Si3,5Al0,5O10Al2(OH)2 + 1,5Al3+ + 9K+ + 6,5H4SiO4
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5. Oxidação
Oxidação = perda de um elétron
Em minerais ferromagnesianos primários (biotita, anfibólios, piroxênio, olivina) = Fe2+
Oxidação  Fe3+ = formação de oxi-hidróxidos.
 A goethita pode se transformar em hematita por desidratação:
2 FeOOH  Fe2O3 + H2O
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Intemperismo mecânico e intemperismo químico agem em conjunto. 
O físico com seu efeito desagregador contribui para a aceleração do químico.
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Fatores de controle
Material parental (tipo de rocha  resistência diferenciada aos processos de alteração intempérica). Tipos de minerais constituintes e estrutura da rocha. Permeabilidade.
Clima (distribuição das precipitações + variação sazonal da temperatura)
Topografia (regime de infiltração e drenagem águas pluviais)
Biosfera (fauna e flora  matéria orgânica e remobilização de materiais)
Tempo (tempo de exposição da rocha aos agentes intempéricos)
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rochas sedimentares:
Mais porosas e/ou permeáveis  facilitam percolação água  a alteração
H2O  hidratação e dissolução predominam
Hidratação = perda de coesão e expansão (anidrita – gipso)
Dissolução: mais potente com solubilidade da rocha maior  morfologia cárstica
CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3-
Oxidação
1. Material parental
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rochas ígneas e metamórficas:
Hidrólise
Rochas formadas AT e AP
Minerais constituintes = essencialmente silicatos = instáveis nas condições T e P da superfície
Alteração silicatos = substituição de Na+, K+, Ca2+, Mg2+, ... por H+.
 quanto mais íons H+ na água = mais ácida = maior seu poder de alteração
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Velocidade relativa de alteração dos principais minerais constituintes das rochas ígneas (Goldich)
Velocidade de alteração dos minerais
olivina
Plagioclásio Ca2+
piroxênios
anfibólio
biotita
Plagioclásios Na+
Ortoclásio (feldspatos K+)
muscovita
quartzo
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Minerais
Feldspatos
Micas
Minerais Fe-Mg
Quartzo
Feldspatos
Minerais Fe-Mg
Magnetita
Produtos sólidos
Argilominerais
Argilominerais
Argilominerais e goetita
Quartzo
Argilominerais
Argilominerais
Goetita
Íons em solução
Na+ e K+
K+
Mg2+
Na+ e Ca2+
Mg2+
+
+
+
+
+
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Organização
em horizontes do solo 
resultado de:
	remobilização de materiais por vários mecanismos de transferência de partículas e de íons, causando a diferenciação em horizontes pedológicos
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Os cristais de quartzo, feldspato e ferro-magnesianos são desagregados do granito pelo intemperismo. 
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2. Clima
Determina tipo e velocidade do intemperismo numa determinada região.
Precipitação e temperatura regulam a natureza e a velocidade das reações químicas = acelerar ou retardar as reações, modificar a natureza dos produtos neoformados segundo a capacidade de eliminação dos componentes potencialmente solúveis.
Quanto maior a disponibilidade de água (pluviosidade) e mais freqüente for sua renovação (distribuição das chuvas), mais completas serão as reações químicas do intemperismo.
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Climas úmidos
= soluções diluídas
Climas secos
= soluções concentradas
Óxidos de Fe e Al (gibbsita)
Argilas do tipo caulinita
Argilas do tipo esmectita
Carbonatos
Sais
Relação pluviometria – minerais formados
Permanência dos elementos menos solúveis (Al, Fe,
Si)
Saída total dos elementos mais solúveis (Na, K, Mg, Ca)
Permanência de todos os elementos
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3. Topografia
Regula a velocidade do escoamento superficial das águas pluviais
Controla a quantidade de água que se infiltra nos perfis
Boa infiltração e boa drenagem
Intemperismo químico favorecido
Boa infiltração e má drenagem  intemperismo químico desfavorecido
Má infiltração e drenagem superficial favorecida  intemperismo físico maior
Reações químicas mais intensas onde tem boa infiltração da água e percolação por tempo suficiente = boa drenagem (A).
Encostas muito íngremes = má infiltração = favorece a erosão
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4. Biosfera
Fornecimento de M.O.  degradação M.O.  liberação CO2 e ácidos orgânicos  diminui o pH das águas de infiltração.
Crescimento de raízes  ruptura de rochas
Produção de ácidos orgânicos pelos organismos. Ex.: líquens
Remobilização de materiais (cupins, formigas, minhocas, etc.)
Estabilização das encostas  retarda a erosão mecânica
Favorecimento da penetração da água de chuva e portanto do intemperismo químico
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5. Tempo
Intemperismo pouco agressivo  tempo mais longo de exposição para desenvolver um perfil de alteração
Depende dos outros fatores: clima e tipo de rocha
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Formação do solo (pedogênese)
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A rocha sofre o ataque das soluções percolantes : intemperismo
Porque existe um solo na interface rocha-atmosfera? 
Solo = resíduo da interação entre rocha – hidrosfera - atmosfera
O material resultante do intemperismo acumula-se para formar o solo: pedogênese
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Terminologia para Intemperismo
Rocha mãe (Bedrock): rocha inalterada de qualquer tipo. 
Regolito: Uma camada de pedaços de rocha e rocha pacialmente alteradas que sobrepõe a rocha-mãe.
Solo: Uma camada de material alterado usualmente misturado com material orgânico
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Soluções e minerais secundários 
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perfil
Horizonte de rocha alterada (saprolito)
Horizonte de acumulação de argila, matéria orgânica e oxi-hidróxidos de Fe e Al
Horizonte mais claro (remoção de argila, matéria orgânica e oxi-hidróxidos de Fe e Al)
Horizonte escuro, com matéria mineral e orgânica e alta atividade biológica
Horizonte rico em restos orgânicos em vias de decomposição
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Diferenciação
Formação e desenvolvimento do solo  ordem cronológica bem estabelecidas  etapas
1) solos pouco diferenciados = intemperismo, 
2) solos com diferenciação intermediária = acentuação do intemperismo 
3) solos muito diferenciados = acentuação dos processos de hidrólise, lixiviação, gênese de minerais secundários, etc. em A, S e C 
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1) solos pouco diferenciados = intemperismo, atividade biológica, acumulação de MO funcionam em conjunto  em superfície = (O) horizonte de acumulação de MO + (A) horizonte organomineral e em profundidade = (C) horizonte de alteração (estrutura litológica da rocha visível, e mesmo volume que a rocha-mãe R)
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 diferentes tipos de solos
Solos argilosos ou arenosos, vermelhos, amarelos, esbranquiçados, ricos ou pobres em matéria orgânica, espessos ou rasos, homogêneos ou nitidamente diferenciados em horizontes.
Em função das condições ambientais e do intemperismo, os solos podem apresentar características físicas, químicas e fisico-químicas diferenciadas.
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Com base nos horizontes “diagnósticos”
Função da diferenciação interna dos horizontes e dos materiais constituintes
Mesmos materiais organizados de maneira diferentes são classificados como solos diferentes
Classificação pedológica
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Latossolo
Solos ácidos
Bem desenvolvido
Clima tropical úmido
Maior representação geográfica no Brasil.
Argilas predominantes = caulinita e óxidos de ferro (vermelho)
Transição gradual entre horizontes
Intemperismo intenso  pobre em nutrientes
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SOLOS
Geologia: material não consolidado resultante de processos intempéricos 
Engenharia: material friável que pode ser escavado com picareta. Material que serve de base ou fundação de obras civis
Hidrólogo: meio poroso que abriga reservatório de água subterrânea
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Definição
Solo = resultado das transformações químicas, físicas e mineralógicas sofridas pelas rochas na superfície da Terra, na interface litosfera, atmosfera, hidrosfera e biosfera.
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SOLO
Produto do intemperismo, do remanejamento e da organização das camadas superficiais da crosta terrestre, sob ação da atmosfera, da hidrosfera, da biofesra e das trocas de energia envolvidas.
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Solo residual
Desintegração e decomposição do material ocorre in situ 
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(Gusmão Filho 2002)
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Solo transportado
Movidos da rocha original e redepositados em outro local
Agentes de transporte
Vento: solos eólicos
Água: solos aerólicos ou fluviais
Gelo: solos glaciais
Força da gravidade: solos coluviais ou tálus
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Aluvião
Materiais erodidos, retrabalhados e transportados pelos cursos d’água e depositados nos seus leitos e margens.
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Colúvio
uma massa de materiais derivados do intemperismo das rochas que capeiam as elevações e que desce para cotas mais baixas, depositado por cima de um perfil de solo residual. É um solo transportado por gravidade.
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(Oliveira & Brito 1998)
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SOLOS TROPICAIS
Composição mineral simples: qtz, caulinita, oxi-hidróxidos de Fe e Al
Grandes espessuras
Horizontes com cores dominantemente amarelas ou vermelhas
Empobrecidos quimicamente (desprovidos dos elementos mais solúveis)
Baixa fertilidade, quando comparado aos solos de clima temperado (ricos em argilominerais, capazes de reter os elementos químicos necessários ao metabolismo vegetal)
Representam ecossistemas frágeis
Extremamente vulneráveis às ações antrópicas
Técnicas de manejo não adequadas
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Lateritas: formações superficiais constituídas por oxi-hidróxidos de Al e Fe e por caulinita. Ao conjunto de processos responsáveis por essas associações minerais, respectivamente, alitização e monossialitização, dá-se o nome de LATERIZAÇÃO.
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Classificação textural ou granulométrica da ABNT (NBR 6502)
Argila: < 0,005 mm
Silte: 0,005 – 0,05 mm
Areia fina: 0,05 – 0,42 mm
Areia média: 0,42 – 2,0 mm
Areia grossa: 2,0 – 4,8 mm
Pedregulho: 4,8 – 76 mm
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Sistema unificado de classificação de solos (SUCS)
Solos grossos: GW,GP,GM,GC,SW, SP,SM,SC
Solos finos: CL,ML,OL,CH,MH,OH,PT
Significado da 1ª letra:
G: gravel (pedregulho)
S: sand (areia)
C: clay (argila)
M: mö (silte em sueco)
O: organic (orgânico)
PT: peat (turfa)
Significado da 2ª letra:
W: well (bem graduada)
P: poor (mal graduada)
M: mö (silte em sueco)
C: clayey (argiloso)
L: low (baixa plasticidade)
H: high (alta plasticidade)
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(Oliveira
& Brito 1998)
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As propriedades mais importantes dos solos são:
Adensamento
Permeabilidade
Resistência ao cisalhamento
Resistência à erosão (erodibilidade)
Colapsividade
Expansão/contração
Compactação
Capacidade de suporte
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(Oliveira & Brito 1998)
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Latossolo
Solos ácidos
Bem desenvolvido
Clima tropical úmido
Maior representação geográfica no Brasil.
Argilas predominantes = caulinita e óxidos de ferro (vermelho)
Transição gradual entre horizontes
Intemperismo intenso  pobre em nutrientes
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Solos do Sudeste do Brasil
Área montanhosa, domínio da Mata Atlântica, rochas graníticas e metamórficas 
Declives fortes, pouco desenvolvidos
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BIBLIOGRAFIA
Gusmão Filho, J.A. 2002. Solos – da formação geológica ao uso na engenharia. Editora Universitária – UFPE, 185 p.
 Hamblin, W.K., Christiansen, E.H. 1995. Earth's dynamic systems. Prentice Hall, 710 p.
Oliveira, A.M.S., Brito, S.N.A. (ed.) 1998. Geologia de Engenharia. Assoc.Bras.de Geologia e Engenharia.
Skiner, B., Porter, S.C. 1992. The dynamic Earth: an introduction to physical geology, John Wiley & Sons
Teixeira et al. 2000. Decifrando a Terra, Ed. Oficina de Textos, SP, 557 p.
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O manto de intemperismo geralmente evolui para a formação dos SOLOS.
Geologia: constituído por rochas ou sedimentos
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Em função das condições ambientais, os solos podem apresentar características distintas.
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Regolito:horizontes A + B + C
Saprolito: horizonte C e segmentos A3 e A2
Propriedade específicas dos solos residuais que os distinguem dos solos transportados: presença de argilominerais, presença de rocha sã ou parcialmente intemperizada, ligações interpartículas, descontinuidades e outros planos de fraqueza.
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Os solos formados por erupções vulcânicas, tais como cinza, também podem ser considerados transportados.
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NO Brasil: alitização e monossialitização
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Partícula com diâmetro entre
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Significado da 2ª letra:
4 primeiras letras para os solos grossos indicando granulometria
2 últimas letras para solos finos indicando plasticidade