Os Vertissolos apresentam alto potencial para a produção agrícola e para estocar carbono. No entanto, diversos aspectos sobre sua gênese, fundamentais para qualidade e sustentabilidade do solo, permanecem incompreendidos. As várias lacunas sobre suas características particulares estão relacionadas ao incomum teor de alumínio trocável; a manifestação de feições morfológicas e vérticas em uma matriz inorgânica dominada por fases cauliníticas; e a preservação e estoque de carbono em condições climáticas de semiárido e temperado. Dessa forma, os objetivos deste estudo foram (i) investigar a gênese de um Vertissolo ácido, bem como os fatores e mecanismos da geração dessa acidez, (ii) compreender o papel dos interestratificados no desenvolvimento das feições vérticas em Vertissolo com predomínio de caulinita na fração argila, e (iii) investigar os fatores e mecanismos que promovem a gênese de Vertissolos Ebânicos sob diferentes condições climáticas no Brasil. Amostras de seis perfis de Vertissolos foram utilizadas, sendo quatro Ebânicos e dois Háplicos, ambos localizados entre as regiões nordeste, sudeste e sul do Brasil. Análises morfológica, físicas, químicas, mineralógicas e isotópicas foram realizadas. Na modelagem dos difratogramas foi utilizado o programa Newmod. Para identificação dos grupos funcionais orgânicos do solo realizou-se a ressonância magnética nuclear da fração ácido húmico, e a subtração espectral. Todos os Vertissolos apresentaram textura de argilosa a muito argilosa, consistência seca variando de dura a extremante dura e consistência molhada entre muito plástica e muito pegajosa. Os valores de pH variaram entre ácido e alcalino. Foram eutróficos, com predomínio de cálcio no complexo de troca na maioria dos perfis. O teor de carbono reduziu em profundidade, não mascarou o potencial de contração e expansão, e promoveu melhorias na agregação, principalmente nos horizontes superficiais. Houve autigênese de minerais, os minerais primários predominaram nas frações areia e silte, e na fração argila espécies de esmectitas dioctaedrais. Independente da espécie esmectítica e do tipo de vegetação (plantas C3 e/ou C4) houve maior diversidade de grupos funcionais nos horizontes superficiais. O mecanismo de estabilização do carbono nos Vertissolos Ebânicos ocorreu por meio da interação entre as fases inorgânicas e orgânicas, mediada por pontes de cátions polivalentes não metálicos e metálicos, e também por interação eletrostática entre os constituintes inorgânicos e orgânicos. A manifestação das feições morfológicas e vérticas no Vertissolo com predomínio de caulinita na fração argila foi gerada pelos interestratificados caulinita-montmorilonita resultantes da perda da lâmina tetraedral das esmectitas via transformações no estado sólido. A acidez no Vertissolo ácido foi gerada pela hidrólise e dissolução das fases minerais mediados por um clima passado mais úmido e continuado pelo clima atual úmido, sendo os teores de alumínio trocável naturais. Nesse contexto, esse estudo contribui com avanços na gênese, mineralogia e mecanismos de estabilização do carbono no solo, os quais são temáticas relevantes desse milênio e contribui a outras áreas cientificas. / Vertisols have high potential for agricultural production and for carbon stocking. However, several aspects about its genesis, fundamental to soil quality and sustainability, remain misunderstood. The various gaps on its particular characteristics are related to the unusual exchangeable aluminum content; the manifestation of morphological and vertic features in an inorganic matrix dominated by kaolinitic phases; and the preservation and stocking of carbon in semi-arid and temperate climatic conditions. Thus, the aims in this study were to (i) investigate the genesis of an acidic Vertisol, as well as the factors and mechanisms of the acidity generation, (ii) understand the role of the interstratified clay minerals in the development of vertic features in a kaolinitic Vertisol, and iii) investigate the factors and mechanisms that promote the genesis of Pellic Vertisols under different climatic conditions in Brazil. Samples of six profiles of Vertisols were used, being four Pellic and two Haplic, both located between the northeast and southern regions of Brazil. Morphological, physical, chemical, mineralogical and isotopic analyzes were performed. In the modeling of the diffractograms, the Newmod program was used. For the identification of the organic functional groups of the soil, the nuclear magnetic resonance of the humic acid fraction and the spectral subtraction were performed. All the Vertisols presented a texture of clayey to very clayey, dry consistency ranging from hard to extremely hard and wet consistency between very plastic and very sticky. The pH values varied between acid and alkaline. They exhibit high base saturation, with the predominance of calcium in the exchangeable complex in most of the profiles. The carbon content reduced in depth; did not overlap the shrinking-swelling potential; and promoted improvements in aggregation, especially in the upper horizons. There was autigenesis of minerals, primary minerals predominated in the sand and silt fractions, and in the clay fraction species of dioctahedral smectites. Regardless of the smectic species and the type of vegetation (C3 and/or C4 plants), there was a greater diversity of functional groups in the superficial horizons. The mechanism of carbon stabilization in the Pellic Vertisols occurred through the interaction between inorganic and organic phases, mediated by bridges of non-metallic and metallic polyvalent cations, and by electrostatic interaction between inorganic and organic constituents. The manifestation of the morphological and vertic features in the kaolinitic Vertisol was generated by the interstratified kaolinite-montmorillonite resulting from the loss of the tetrahedral sheet of smectites by solid-state transformations. The acidity in the acid Vertisols was generated by the hydrolysis and dissolution of the mineral phases mediated by a humid past climate and continued by the current humid climate, being the exchangeable aluminum contents natural. In this context, this study contributes to advances in the genesis, mineralogy, and mechanisms of soil carbon stabilization, which are relevant themes of this millennium and contribute to other scientific areas.

Os Vertissolos apresentam alto potencial para a produção agrícola e para estocar carbono. No entanto, diversos aspectos sobre sua gênese, fundamentais para qualidade e sustentabilidade do solo, permanecem incompreendidos. As várias lacunas sobre suas características particulares estão relacionadas ao incomum teor de alumínio trocável; a manifestação de feições morfológicas e vérticas em uma matriz inorgânica dominada por fases cauliníticas; e a preservação e estoque de carbono em condições climáticas de semiárido e temperado. Dessa forma, os objetivos deste estudo foram (i) investigar a gênese de um Vertissolo ácido, bem como os fatores e mecanismos da geração dessa acidez, (ii) compreender o papel dos interestratificados no desenvolvimento das feições vérticas em Vertissolo com predomínio de caulinita na fração argila, e (iii) investigar os fatores e mecanismos que promovem a gênese de Vertissolos Ebânicos sob diferentes condições climáticas no Brasil. Amostras de seis perfis de Vertissolos foram utilizadas, sendo quatro Ebânicos e dois Háplicos, ambos localizados entre as regiões nordeste, sudeste e sul do Brasil. Análises morfológica, físicas, químicas, mineralógicas e isotópicas foram realizadas. Na modelagem dos difratogramas foi utilizado o programa Newmod. Para identificação dos grupos funcionais orgânicos do solo realizou-se a ressonância magnética nuclear da fração ácido húmico, e a subtração espectral. Todos os Vertissolos apresentaram textura de argilosa a muito argilosa, consistência seca variando de dura a extremante dura e consistência molhada entre muito plástica e muito pegajosa. Os valores de pH variaram entre ácido e alcalino. Foram eutróficos, com predomínio de cálcio no complexo de troca na maioria dos perfis. O teor de carbono reduziu em profundidade, não mascarou o potencial de contração e expansão, e promoveu melhorias na agregação, principalmente nos horizontes superficiais. Houve autigênese de minerais, os minerais primários predominaram nas frações areia e silte, e na fração argila espécies de esmectitas dioctaedrais. Independente da espécie esmectítica e do tipo de vegetação (plantas C3 e/ou C4) houve maior diversidade de grupos funcionais nos horizontes superficiais. O mecanismo de estabilização do carbono nos Vertissolos Ebânicos ocorreu por meio da interação entre as fases inorgânicas e orgânicas, mediada por pontes de cátions polivalentes não metálicos e metálicos, e também por interação eletrostática entre os constituintes inorgânicos e orgânicos. A manifestação das feições morfológicas e vérticas no Vertissolo com predomínio de caulinita na fração argila foi gerada pelos interestratificados caulinita-montmorilonita resultantes da perda da lâmina tetraedral das esmectitas via transformações no estado sólido. A acidez no Vertissolo ácido foi gerada pela hidrólise e dissolução das fases minerais mediados por um clima passado mais úmido e continuado pelo clima atual úmido, sendo os teores de alumínio trocável naturais. Nesse contexto, esse estudo contribui com avanços na gênese, mineralogia e mecanismos de estabilização do carbono no solo, os quais são temáticas relevantes desse milênio e contribui a outras áreas cientificas. / Vertisols have high potential for agricultural production and for carbon stocking. However, several aspects about its genesis, fundamental to soil quality and sustainability, remain misunderstood. The various gaps on its particular characteristics are related to the unusual exchangeable aluminum content; the manifestation of morphological and vertic features in an inorganic matrix dominated by kaolinitic phases; and the preservation and stocking of carbon in semi-arid and temperate climatic conditions. Thus, the aims in this study were to (i) investigate the genesis of an acidic Vertisol, as well as the factors and mechanisms of the acidity generation, (ii) understand the role of the interstratified clay minerals in the development of vertic features in a kaolinitic Vertisol, and iii) investigate the factors and mechanisms that promote the genesis of Pellic Vertisols under different climatic conditions in Brazil. Samples of six profiles of Vertisols were used, being four Pellic and two Haplic, both located between the northeast and southern regions of Brazil. Morphological, physical, chemical, mineralogical and isotopic analyzes were performed. In the modeling of the diffractograms, the Newmod program was used. For the identification of the organic functional groups of the soil, the nuclear magnetic resonance of the humic acid fraction and the spectral subtraction were performed. All the Vertisols presented a texture of clayey to very clayey, dry consistency ranging from hard to extremely hard and wet consistency between very plastic and very sticky. The pH values varied between acid and alkaline. They exhibit high base saturation, with the predominance of calcium in the exchangeable complex in most of the profiles. The carbon content reduced in depth; did not overlap the shrinking-swelling potential; and promoted improvements in aggregation, especially in the upper horizons. There was autigenesis of minerals, primary minerals predominated in the sand and silt fractions, and in the clay fraction species of dioctahedral smectites. Regardless of the smectic species and the type of vegetation (C3 and/or C4 plants), there was a greater diversity of functional groups in the superficial horizons. The mechanism of carbon stabilization in the Pellic Vertisols occurred through the interaction between inorganic and organic phases, mediated by bridges of non-metallic and metallic polyvalent cations, and by electrostatic interaction between inorganic and organic constituents. The manifestation of the morphological and vertic features in the kaolinitic Vertisol was generated by the interstratified kaolinite-montmorillonite resulting from the loss of the tetrahedral sheet of smectites by solid-state transformations. The acidity in the acid Vertisols was generated by the hydrolysis and dissolution of the mineral phases mediated by a humid past climate and continued by the current humid climate, being the exchangeable aluminum contents natural. In this context, this study contributes to advances in the genesis, mineralogy, and mechanisms of soil carbon stabilization, which are relevant themes of this millennium and contribute to other scientific areas.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 0-CAPA 1.pdf: 300598 bytes, checksum: 0e9449ac9ab29b32b36cc8276ea57604 (MD5) Previous issue date: 2009-10-30 / The establishment of transportation infrastructure is critical to the development of the Urucu- AM region, a newly developed oil exploration area in the Amazonas state. The construction of such infrastructure is challenging due to the lack of suitable materials for the construction pavement base and subbase courses and adverse weather conditions, with alternating heavy rainfall and drought periods. Besides the shortage of suitable granular material, the presence of expansive soils is often verified. The presence of expansive soils associated with inadequate moisture content during compaction, results in the occurrence of cracks in the pavements, drastically reducing its performance and lifetime. A quantitative understanding of this type of problem requires the analysis of the interaction between the unsaturated soil surface and the atmosphere and the study the mechanical behavior (stress-strain) of unsaturated soil. Such understanding requires the determination of the variations in soil moisture and total volume. The quantification of tensile stresses also requires the establishment or evaluation of the constitutive relations of the unsaturated expansive soils involved. Experiments were conducted in the laboratory with the objective of characterizing the hydraulic and mechanical behavior of expansive soils from Urucu-AM. Chemical, physical and mineralogy characterization tests were carried out for the soil. Geotechnical characterization and Proctor compaction tests and compression were performed. To study the soil in the unsaturated condition, the main focus of this work, tests were performed using the filter paper technique and the axis translation technique under oedometric conditions. For the suction controlled oedometric tests, a cell developed specially for this purpose was employed. The oedometer allows for the independent control of vertical stress and matric suction and the monitoring of the variation of moisture and total volume study. State surfaces for void ratio, degree of saturation and gravimetric moisture content were determined. The results obtained show the expected mechanical behavior of the soil under wetting paths. / O estabelecimento de uma infra-estrutura de transporte é fundamental para o desenvolvimento da região denominada de província petrolífera de Urucu-AM. A construção desta infraestrutura esbarra em varias dificuldades entre elas a escassez de materiais adequados para a construção de bases e sub-bases de pavimentos e as condições climáticas adversas, com alternância de períodos de alta pluviosidade e períodos de estiagem. Além da escassez de material granular adequado, observa-se com freqüência a presença de solos argilosos expansivos. A presença de tais solos, associada às condições freqüentemente inadequadas de umidade de compactação, resulta na ocorrência de trincas nos pavimentos, reduzindo drasticamente o seu desempenho e vida útil. Um entendimento quantitativo do problema requer a análise da interação entre o solo não saturado de superfície e a atmosfera e o estudo do comportamento mecânico (tensão-deformação) do solo não saturado. Tal entendimento passa pela determinação das variações de umidade do solo e sua variação volumétrica total. A quantificação das tensões de tração requer também o estabelecimento ou avaliação de relações constitutivas dos solos expansivos não saturados envolvidos. Foram conduzidos experimentos em laboratório com o objetivo de caracterizar o comportamento hidráulico e mecânico de solos expansivos de Urucu-AM. Inicialmente foram realizadas análises químicas, caracterização física e determinação da mineralogia, para caracterização das macro e microestruturas dos solos estudados. Foram executados também ensaios de caracterização geotécnica e compactação Proctor. Para o estudo do solo na condição não saturado, principal enfoque desta dissertação, foram realizados ensaios de papel filtro e de adensamento com controle de sucção. Para o ensaio de adensamento com controle de sucção foi utilizada uma prensa oedométrica especialmente desenvolvida para este fim. Como esta prensa foi possível aplicar de forma independente tensões verticais, sucção matricial e monitorar a variação de umidade e de volume do solo em estudo. As superfícies de estado de índice de vazios, grau de saturação de umidade do solo foram determinadas. Os resultados obtidos permitiram a determinação do comportamento do solo compactado durante trajetórias de molhagem.

O estudo do fenômeno de expansão em solos argilosos tem-se restringido, na maioria das vezes, a estudos laboratoriais referentes ao comportamento mecânico do solo e as correlações com as propriedades índices e as classificações geotécnicas. Poucos são os estudos na área de mapeamento geotécnico em média e grande escala, existindo um vazio nas metodologias de mapeamento geotécnico no que se refere a esta classe de solos. Durante o desenvolvimento desta pesquisa sobre as características expansivas da Fm. Libertad, Quaternário (Uruguai), foram combinados os produtos obtidos das técnicas de mapeamento com os propriedades identificadas nos ensaios de caracterização e as medidas de expansão. A técnica de avaliação de terreno usando Landforms para separar unidades homogêneas, resultou em um grande auxílio permitindo direcionar os trabalhos e observações de campo e diminuir o numero de amostras a serem coletadas. O ensaio de caracterização da Capacidade de Troca Catiônica (CTC) da fração argila, usando a técnica de Azul de Metileno, mostrou-se coincidente com a identificação de argilo-minerais usando Difração de Raios X (DRX). Esses dados, associados aos valores de Pressão de Expansão e Expansão livre de amostra indeformadas, com umidade natural e secas ao ar, e de amostras compactadas com diferentes massas específicas seca (pd) e umidade constante (w=15%) permitiram identificar unidades com diferentes potenciais de expansão na Fm. Libertad. A combinação desses dados permitiu a produção da Carta de Potencial de Expansão do Solos, numa região de desenvolvimento urbano no Município de Montevidéu, Uruguai. Este documento fornece aos planejadores do uso e ocupação da área o conhecimento dos diferentes graus de restrição que devem ser levados em conta devido à presença de solos potencialmente expansivos. Elaborou-se uma proposta metodológica para a execução de trabalhos de mapeamento geotécnico de solos expansivos. / The swelling phenomenon of the clay soils has been studied mainly in laboratory with the objective of undestand the behavior of the soil and the correlations with the index properties and with the geotechnical classifications. In Engineering Geotechnical Mapping there is a lack of methodology about swell soil mapping in medium or large scale. In this research the swelling characteristics of the Libertad Formation (Uruguay) were studied by combination of the information obtained in the Engineering Geotechnical Mapping (scale 1:10.000) and the soil properties identified in the characterization and swelling tests. The technique of land evaluation using Landforms to separate homogeneous units, it resulted in a great aid allowing to guide the works and field observations and to reduce the number of samples to be collected. The characterization tests of cationic exchange capacity (CEC) of the clay, using the technique of adsorption of methilene blue, it was shown coincident with the identification of clay using X-Ray Diffraction (XRD). The swelling potentials of the Libertad Formation were determined based in the information of the values of swelling pressure and free swelling from undisturbed samples, both with natural moisture contents and air dried, besides the samples compacted with different apparent specific gravity (pd) and with constant moisture content (w= 15%). This procedure allowed the production of the Swelling Potential Chart of the soil in an suburban area of Montevideo City, Uruguay. This document can supply the information to the management of the area taken in account the different swelling potential of the soils. Finally it is presented a methodology to carry out Engineering Geological Mapping of the swelling soils.

O estudo do fenômeno de expansão em solos argilosos tem-se restringido, na maioria das vezes, a estudos laboratoriais referentes ao comportamento mecânico do solo e as correlações com as propriedades índices e as classificações geotécnicas. Poucos são os estudos na área de mapeamento geotécnico em média e grande escala, existindo um vazio nas metodologias de mapeamento geotécnico no que se refere a esta classe de solos. Durante o desenvolvimento desta pesquisa sobre as características expansivas da Fm. Libertad, Quaternário (Uruguai), foram combinados os produtos obtidos das técnicas de mapeamento com os propriedades identificadas nos ensaios de caracterização e as medidas de expansão. A técnica de avaliação de terreno usando Landforms para separar unidades homogêneas, resultou em um grande auxílio permitindo direcionar os trabalhos e observações de campo e diminuir o numero de amostras a serem coletadas. O ensaio de caracterização da Capacidade de Troca Catiônica (CTC) da fração argila, usando a técnica de Azul de Metileno, mostrou-se coincidente com a identificação de argilo-minerais usando Difração de Raios X (DRX). Esses dados, associados aos valores de Pressão de Expansão e Expansão livre de amostra indeformadas, com umidade natural e secas ao ar, e de amostras compactadas com diferentes massas específicas seca (pd) e umidade constante (w=15%) permitiram identificar unidades com diferentes potenciais de expansão na Fm. Libertad. A combinação desses dados permitiu a produção da Carta de Potencial de Expansão do Solos, numa região de desenvolvimento urbano no Município de Montevidéu, Uruguai. Este documento fornece aos planejadores do uso e ocupação da área o conhecimento dos diferentes graus de restrição que devem ser levados em conta devido à presença de solos potencialmente expansivos. Elaborou-se uma proposta metodológica para a execução de trabalhos de mapeamento geotécnico de solos expansivos. / The swelling phenomenon of the clay soils has been studied mainly in laboratory with the objective of undestand the behavior of the soil and the correlations with the index properties and with the geotechnical classifications. In Engineering Geotechnical Mapping there is a lack of methodology about swell soil mapping in medium or large scale. In this research the swelling characteristics of the Libertad Formation (Uruguay) were studied by combination of the information obtained in the Engineering Geotechnical Mapping (scale 1:10.000) and the soil properties identified in the characterization and swelling tests. The technique of land evaluation using Landforms to separate homogeneous units, it resulted in a great aid allowing to guide the works and field observations and to reduce the number of samples to be collected. The characterization tests of cationic exchange capacity (CEC) of the clay, using the technique of adsorption of methilene blue, it was shown coincident with the identification of clay using X-Ray Diffraction (XRD). The swelling potentials of the Libertad Formation were determined based in the information of the values of swelling pressure and free swelling from undisturbed samples, both with natural moisture contents and air dried, besides the samples compacted with different apparent specific gravity (pd) and with constant moisture content (w= 15%). This procedure allowed the production of the Swelling Potential Chart of the soil in an suburban area of Montevideo City, Uruguay. This document can supply the information to the management of the area taken in account the different swelling potential of the soils. Finally it is presented a methodology to carry out Engineering Geological Mapping of the swelling soils.