Geopedologia

Appunti di geopedologia

Minerali argillosi

Le argille sono particelle della terra fine costituente il suolo, insieme a sabbia e limo, di grandezza superiore. Il diametro delle argille si aggira intorno ad un valore di 2 micron, e valori ad esso inferiori.

Possono essere granulometriche o mineralogiche: le prime sono costituite da tutte le particelle del suolo con diametro inferiore a 2μm, come quarzo, calcite, fillosilicati, miche, feldspati, fe-ossidi; le mineralogiche sono solo le particelle con diametro inferiore a 2μm costituite da fillosilicati (minerali argillosi).

I minerali argillosi sono i minerali costituenti delle argille, tutti appartenenti alla sottoclasse dei fillosilicati (tra i quali i più abbondanti sono gli alluminosilicati).

Questi minerali sono suddivisibili in quattro gruppi in base alla struttura cristallografica:

• Tipo 1:1: Costituiti da due strati entrambi del tipo 1 (uno strato formato da foglietti ottaedrici composti da Al(gibbsitici), e l'altro da foglietti tetraedrici composti da Si); sono caolinite (che presenta dei forti legami a idrogeno che tengono saldamente uniti i fogli elementari; dimensione unità tetra-otta 7A) e halloysite (formate da unità tetra-otta-interstrato di dimensione 7 o 10A), nella cui composizione si ha la presenza di acqua sia in forma ossidrilica sia molecolare, debolmente legata ed eliminabile con facilità, disposta in strati, che si intervallano a foglietti caolinici.
• Tipo 2:1: Passaggio da mica (anidra) ad illite, per ingresso di molecole d'acqua, presenta legame K+ forte che tiene uniti gli strati, foglietto ottaedrico in parte contenente Mg (brucitico), dimensione unità (tetra-otta-tetra-interstrato) 10-12A; vermiculite, presenta legame Mg debole, dimensione unità 10A o 14-15A; smectite, aumentano il proprio volume assorbendo molecole d'acqua, fino a punto critico (scivolamenti, frane); cationi scambiabili, legami molto deboli.
• Tipo 2:1:1: Clorite, nell'interstrato si inserisce un foglietto ottaedrico (quindi tre strati, due del tipo 1 e uno del tipo 2).

I minerali argillici sono molto attivi, per questo velocemente alterabili; si nota la comparsa di intergradi o mescolanze.

Aggradazione: Ritorno da smectiti fino a miche; non è un processo atmosferico, ma geologico (es: nei bacini dei fondali oceanici, seppellimento di sedimenti, quindi forti pressioni e aumento di temperatura e progressiva disidratazione; meccanismo inverso della degradazione da miche a smectiti).

Rientrano fra i minerali argillosi anche i tipi che non hanno una struttura ripetitiva come accade invece nelle varietà cristalline s.s. (caolinite, illite, ecc.), le quali hanno atomi disposti in un assetto regolare su distanze relativamente lunghe (> 10 nm). Si tratta dei minerali paracristallini, anch'essi composti da tetra e ottaedri, ma disposti a forme di tubuli o sfere cave (principali imogolite, allòfane, composti da diversi ioni Al, Si, O, H).

Analisi al SEM: Caolinite: molto compatta 1g --> 40-50m²; Illite: 1g --> 700-800m², (più è frastagliata, maggiore è la superficie specifica delle soluzioni circolanti con cui viene a contatto).

Capacità di scambio cationico

È la quantità di cationi scambiabili che un materiale scambiatore con proprietà di adsorbimento (es. minerali argillosi del suolo), può trattenere per scambio ionico da una soluzione circolante nel terreno (meccanismo tramite cui il terreno trattiene ioni e li mette a disposizione di piante e microrganismi).

Indice della potenziale fertilità chimica del terreno (valutare capacità di produzione biomassa). L'interazione tra scambiatori e cationi avviene per forze di attrazione elettrostatica, che acquisiscono specificità grazie alle molecole d'acqua della soluzione. La C.S.C. di uno scambiatore dipende dalla densità delle cariche negative di superficie, che dipendono da:

• Natura cariche
• pH terreno

In relazione alla natura, la densità è bassa se esse sono originate da interruzione dei reticoli (es. caolinite, che infatti ha bassa CSC, 3-15 cmol/kg); medio-alta se cariche originate da molte sostituzioni Si-Al (es. montmorillonite), e molto alta se originate fa dissociazione ionica di gruppi funzionali organici (es. humus).

Quindi CSC più alta negli scambiatori organici e inferiore negli inorganici e in essi è maggiore in minerali argillosi ricchi di sostituzioni idromorfe (vermiculite, montmorillonite) e inferiore nei fillosilicati primari (caolinite, clorite, illite). Colloidi elettroneg. nel terreno si comportano come acidi e basi deboli. Humus e minerali argillosi si comportano come acidi deboli (colloidi elettroneg.), mentre idrossidi di Fe e Al viceversa.

Tenere presente che la CSC dell'argilla pura è molto maggiore rispetto a quella dell'argilla in suolo, perché mescolata con sabbia e limo, infatti la CSC del suolo non va confusa con quella dei minerali argillosi (CSC suolo: 0-10 bassa, 10-20 media 20-30 alta) (CSC argille 3-15 basso, 40-50 medio, 100 alto). Es.: halloysite, più molecole di acqua contiene e maggiore sarà la capacità di trattenere cationi.

Scala CSC principali minerali argillosi:

• Kaolinite 3-15
• Halloysite 2H₂O 5-10
• Illite 10-40
• Halloysite 4H₂O 40-50
• Montmorillonite-group 70-100
• Smectite 100-150
• Vermiculite 100-180

Es.: CSC quarzo 0-2 perché quasi per nulla alterabile (reticolo molto compatto, non ha cariche superficiali), quindi anche la sabbia.

Scale del tempo geologico

4,5 miliardi --> Terra

Inizio ultima era (Quaternario) 1,8 - 2,5 milioni, suddiviso in due periodi:

• Pleistocene: 2,5m - 10k
• Olocene: 10k - oggi (antropocene: ultimi 200 anni)

Tra pleist. e oloc. ultima grande glaciazione; il pleistocene è caratterizzato da avanzate/ritiri (x4) dei ghiacciai (glaciazioni/periodi interglaciali, circa centinaia di migliaia di anni ognuna).

Paleosuolo: Terreno (suolo fossile) rimasto sepolto da detriti (frane, alluvioni, eruzioni vulcaniche) in epoca geologica anteriore all’attuale; conserva i caratteri che aveva all’atto del seppellimento, anche se il clima della regione ha subito modificazioni più o meno profonde. L’esame dei p. permette talora di dedurre le condizioni climatiche che vigevano all’epoca della loro formazione; tali studi hanno dato risultati notevoli, specialmente per i p. del Quaternario.

Definizione di suolo

È un corpo tridimensionale instabile in continuo movimento, interessato da flussi di materia e influenzato da processi biotici ed abiotici. Situato tra litosfera e atmosfera, prodotto della disgregazione fisica della roccia madre (o substrato litologico) in una massa incoerente di detriti con molti metri di spessore (regolite), la cui parte superiore viene interessata da processi di alterazione chimica e biologica, con penetrazione di minerali e sostanza organica decomposta.

Bene fondamentale che permette la vita degli organismi sulla Terra; le funzioni principali sono:

• Produzione di biomassa
• Habitat e riserva genetica per biodiversità terrestre
• Serbatoio idrico e filtro chimico, regola flussi, trattiene acqua e funge da tampone per le acque sotterranee
• Cicli biogeochimici, come ciclo C (deposito di sostanza organica e CO₂)
• Insediamenti antropici
• Fornitura materie prime
• Contiene informazioni sul passato dell'uomo e della Terra

Interagisce con biosfera, atmosfera, idrosfera e litosfera e riceve input esterni (luce solare). Se i detriti prodotti non vengono rimossi si ha la formazione di una massa incoerente chiamata regolite (mentre se vengono rimossi da processi erosivi, non si ha la formazione di un suolo). Sulla parte superiore si possono insediare vegetali pioneri tramite gli apparati radicali, si può arricchire di sostanze organiche e minerali evolvendo in suolo.

La pedogenesi si occupa dei processi di formazione e trasformazione del suolo; un suolo maturo si divide in strati detti orizzonti, con caratteristiche chimico-fisiche ben definite.

Fattori di formazione/evoluzione del suolo

Tra i fattori determinanti la formazione di un suolo, il più incisivo è la temperatura, oltre che la crescita vegetale. Se temperature molto basse (<0°C), inibizione dell’attività biotica (specialmente batterica), le soluzioni non circolano nel terreno e la pedogenesi si arresta. Tra 0-5°C inibita crescita radici e germinazione. Viceversa, la velocità delle reazioni chimiche raddoppia ad ogni aumento di 10°C.

Altri fattori sono: clima, organismi, rilievi (dinamiche geomorfiche), materiale parentale, tempo, i quali contribuiscono a determinare l'intensità di sviluppo, secondo l'equazione di Jenny.

Formazione

1. Decomposizione, genesi e accumulo di minerali: la roccia subisce disgregazione fisica ed alterazione chimica; risultano da ciò diversi materiali, alcuni più resistenti (quarzo), altri composti residui o neoformati (argille, silice, idrossidi), e ioni in soluzione (Na,K,Ca,Mg). Tutti questi prodotti possono essere trasportati in altri posti.

2. Accumulo e trasformazione sostanza organica: insediamenti vegetali pionieri, poi piante superiori e animali, risulta una trasformazione della sostanza organica. Formazione di composti colloidali (s. humiche) per decomposizione, resintesi e polimerizzazione. Legame di esse con componenti inorganiche --> inizio formazione suolo.

Disgregazione fisica:

• Crioclastismo (gelo, disgelo Vol)
• Termoclastismo (variazioni termiche T)
• Aloclastismo (cristallizzazione sali Vol)
• Fitoclastismo (radici piante)

Alterazione chimica:

• Dissoluzione: acqua come solvente (carbonatazione, caolinizzazione)
• Idrolisi: scambio ionico reticolo con H+ acqua --> alterazione minerale, rilascio ioni e composti
• Idratazione: dipolo acqua di dispone attorno a ioni variando volume, compattezza e colore
• Ossidazione: perdita elettroni
• Chelazione: di ioni metallici entro strutture ad anello stabili ad opera di acidi organici e composti fenolici, secreti da organismi vegetali (muschi, licheni, batteri, funghi, muschi). Insieme a piante, alterazione chimica roccia, rendendolo più porosa e favorendo accumulo di sostanza organica.

Serie di Goldich: Alterabilità minerali ambiente subaereo - primi a cristallizzare sono i più alterabili (meno equilibrio con ambiente).

Destino composti formati con disgregazione/alterazione:

• Accumulo: substrati pedogenetici autoctoni (accumulo in posto)
• Trasporto: alloctoni (accumulo in altra zona); agenti: acqua, vento, ghiacci, gravità.

Sostanza organica

Costituita da residui vegetali, animali, microrganismi a vari stadi di decomposizione + sostanze di sintesi delle popolazioni viventi del terreno. Diverse forme:

• Biomasse viventi
• Necromasse a diversi stadi
• Molecole liberate da bio/necro masse
• Molecole umiche derivanti da ossidazione, polimerizzazione, policondensazione dei composti precedenti. Acidi umici bruni (chiari): poco polimerizzati, liberi, molto mobili. Acidi umici grigi (scuri): molto polimerizzati, poco mobili, legati ad argilla tramite ponti ionici (Ca,Fe²⁺,Fe³⁺,Al). Acidi fulvici.

Humificazione: Trasformazione da sostanza organica fresca ad humus.

1. Idrolisi enzimatica polimeri, si formano composti semplici;
2. Trasformazione (ossidazione) molecole, aumento reattività chimica,
3. Polimerizzazione, policondensazione molecole flocculate da Ca,Mg,Fe che originano micelle umiche colloidali.

Mineralizzazione: Trasformazione da humus a sostanze inorganiche operata da batteri (H₂O, CO₂, energia, cat, an, elem).

Evoluzione (migrazione e accumulo di sostanza organica e inorganica)

Fenomeni di migrazione lungo profilo, a causa dell'acqua: movimenti ascendenti, discendenti, obliqui. Seguono fenomeni di accumulo, che portano a differenziazione profilo in orizzonti. Stabilizzazione di migrazione/accumulo, in equilibrio con le condizioni di un certo ambiente (climax). Al variare di uno dei fattori della pedogenesi, il suolo tende ad un nuovo stato di climax.

Migrazione

Sostanze migranti:

• Metalli alcalini e alcalino-terrosi
• Elettroliti (solfuri, solfati, carbonati)
• Ossidi/Idrossidi di Fe, Al, Mn
• Humus
• Argilla
• Silice

Fattori migrazione:

• Clima (T, precipitazioni)
• Tessitura/struttura suolo (rapporto quantitativo delle componenti sabbia, limo, argilla)
• Permeabilità substrato litologico (es: se non fessurata, accumula H₂O e satura profilo sovrastante)
• Profondità substrato litologico
• Tipo di humus: diversi gradi di solubilità e gradi di migrazione
• Idrologia
• pH

Es: migrazione di silice richiede HT e molta acqua nei suoli (climi equatoriali).

Accumulo di minerali e sostanza organica

Seguono la migrazione, possono avvenire in superficie o negli orizzonti, a causa di fenomeni di precipitazione chimica.

Fattori che influenzano l'accumulo:

• Eterogeneità profilo
• Concentrazione soluzioni
• pH
• Gleyficazione: conformazione dello strato fangoso (gley: orizzonte o suolo completamente saturo di acqua).

Accumulo = illuviazione (precipitazione di sostanza organica, Fe, humus entro il profilo). Idromorfia: acquisizione da parte di un suolo, di caratteri dovuti all'influenza dell'acqua.

Fattori della pedogenesi

1. Roccia madre: Materiale litologico di partenza; possiede proprietà fisiche come permeabilità (determina velocità alterazione), chimiche e mineralogiche (determina elementi rilasciati). Può essere ignea (silicatiche), sedimentaria (carbonatiche +) o metamorfica (silicatiche +). Ignee e metamorfiche non in equilibrio con ambiente pedogenetico. Pesi specifici: Rapporto tra peso del corpo e il peso di egual volume di H₂O. Pesi specifici minerali >> pesi specifici rocce. PS max minerali = 23g/cm³, PS rocce (intrusive) = 2,7 g/cm³, PS max rocce = 3,3 g/cm³
2. Clima: Precipitazioni (quantità e distribuzione temporale delle piogge), temperature (mensili, stagionali, max, min, medie).
3. Acqua: Responsabile dei processi di alterazione minerali, dissoluzione, redistribuzione, nel profilo.
4. Temperatura: Inibisce o accelera processi formazione suolo (reazioni chimiche e vita organismi).
5. Morfologia: Della superficie terrestre distinta in tipologie, determinate dai processi tettonici, erosivi ecc. Formazione di terrazzi fluvio-marinari, versanti più o meno inclinati, piane, fasce detrito, conoidi. Fattori morfologici quali esposizione versanti, pendenze, altimetrie, influenzano la pedogenesi, in quanto agiscono su irraggiamento (bilancio termico), comportamento acque (infiltrazione, scorrimento).