Les plantes hyperaccumulatrices de métaux ont développé des mécanismes spécifiques de prélèvement de la fraction disponible des métaux du sol, conduisant à leur accumulation dans les parties aériennes. L’utilisation agronomique de ces plantes pourrait être une voie de dépollution des sols contaminés en métaux. Ce travail a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes chimiques et biologiques qui conditionnent l’accumulation du Ni par les plantes hyperaccumulatrices, en réponse à la disponibilité du métal dans le sol. Après observation du fonctionnement naturel du système sol ultramafique-plante hyperaccumulatrice, nous avons étudié, en laboratoire, l’altération de trois phases minérales nickélifères modèles communes des sols ultramafiques (chrysotile, smectite, goethite) soumises à l’influence de trois Brassicacées hyperaccumulatrices de Ni natives de sites de serpentine d’Europe (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Les résultats montrent que dans les sols ultramafiques, le Ni phytodisponible provient majoritairement de l’altération des minéraux nickélifères silicatés ferromagnésiens, hérités de la roche mère. Les hyperaccumulateurs ont un comportement différent en fonction de la disponibilité du Ni des sols. Dans les milieux à forte disponibilité du Ni, les hyperaccumulateurs accumulent le Ni proportionnellement à la disponibilité du Ni du milieu. Elles réduisent ainsi significativement la fraction de Ni initialement disponible du milieu, et ne semblent pas favoriser la dissolution des minéraux porteurs de Ni. A l’inverse, dans les milieux à faible disponibilité du Ni, la présence des hyperaccumulateurs accélère la dissolution de phases minérales nickélifères silicatées, en favorisant la solubilisation du métal. Dans ce cas la plante prélève la quasi-totalité du Ni solubilisé. Ces résultats sont essentiels à l’élaboration d’un modèle de culture qui permettra de faciliter l’application du procédé de phytoextraction du Ni à grande échelle / Metal hyperaccumulator plants developed specific mechanisms to extract available metals from the soil and consequently accumulate them in aerial parts. The agronomic use of these plants for the decontamination of metal polluted soils is under study worlwide. This work was undertaken to better elucidate the chemical and physiological mechanisms that influence Ni accumulation by hyperaccumulators in response of Ni availability in soils. To answer these questions we undertook two approaches. Firstly, a site study to determine the natural functioning of the ultramafic soil-Ni hyperaccumulators system. Secondly, a lab-scale set of experiments that were designed to study the weathering of three ultramafic Ni-minerals (chrysotile, smectite, goethite) in the rhizosphere of three Ni-hyperaccumulating species naturally growing on European serpentine soils (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Results showed that, in ultramafic soils, phytoavailable Ni derives from the weathering of primary nickeliferous ferromagnesian silicates. Hyperaccumulators show a different behaviour depending of Ni availability in the environment of the culture. In environments showing high available Ni, hyperaccumulators accumulate Ni proportionally to Ni availability. In this way, they can significantly reduce the initially available fraction of Ni but do not seem to enhance the weathering of unavailable Ni forms. Contrarily, in environments with extremely low Ni availability, hyperaccumulators may strongly enhance the dissolution of nickeliferous silicate minerals and so favour Ni solubilisation. If so, hyperaccumulators absorb the majority of Ni solubilised. These results are of considerable interest for the elaboration of a crop model designed for the optimisation of the phytoextraction concept and high scale application

Thesis (M.Sc.)--University of the Witwatersrand, Faculty of Science, School of Animal, Plant and Environmental Sciences, 2017. / Acidification of freshwater systems by Acid Mine Drainage (AMD) is a persistent risk to aquatic ecosystems in South Africa, particularly in Gauteng and Mpumalanga. From several studies that have been conducted, it is clear that AMD has profound effects on aquatic life and functionality of the ecosystem. One of the ecosystem processes affected by AMD is the decomposition process. It has been established that AMD-affected streams inhibit the decompositon process. [Abbreviated Abstract. Open document to view full version] / LG2018

[pt] O presente trabalho apresenta os resultados de um programa experimental com o intuito de determinar propriedades de deformabilidade e tensões in-situ em rochas gnáissicas. A determinação das tensões in situ é fundamental para qualquer trabalho em mecânica de rochas, serve como condições de campo em problemas de engenharia e em escalas maiores dá alguns indícios do mecanismo que ocasiona a movimentação de placas tectônicas. O módulo de deformabilidade é um dos principais parâmetros de entrada na análise do comportamento de maciços rochosos que incluem deformações. Este parâmetro geralmente é obtido a partir de ensaios de laboratório em amostras de rochas. Em geral os resultados destes ensaios não representam as propriedades in situ de todo o maciço rochoso, pois uma amostra intacta em laboratório pode ser muito menor que o maciço rochoso que contêm um grande número de planos de fraqueza. A presente pesquisa compreende as etapas de projeto, montagem e aplicação de um pressiômetro como um instrumento para a determinação dos parâmetros de deformabilidade e estado de tensões nos maciços rochosos. Os dados obtidos foram usados para investigar a variação destes parâmetros com o grau de intemperismo. Um sistema de instrumentação foi projetado para tentar monitorar a resposta da rocha às solicitações de carregamento (no caso da determinação do módulo de deformabilidade) e descarregamento (no caso de medição das tensões in situ). A aplicação do pressiômetro foi realizada em maciços rochosos localizados no cidade do Rio de Janeiro afetados por diferentes níveis de intemperismo. Realizaram-se ensaios de pressurização e medição de deslocamentos no momento da escavação dos furos para determinar o estado de tensões da rocha. Os resultados foram processados, interpretados e comparados com ensaios de laboratório anteriormente realizados por outros autores. / [en] This thesis presents the results from an experimental program with intention to determine the properties of deformabilty and in situ stress in gnaissic rocks. The determination of in situ stress is fundamental for any work in rock mechanics, it is use like field conditions at the in engineering problems, and in bigger scales it gives some indications of the mechanics that produce the tectonics plate`s movements. The deformation`s modulus is one of the main parameters in the analysis of the behavior of rocks mass that include deformations. This parameter usually is gotten from laboratory assays in rocks samples. In general the results of these assays do not represent the in situ properties of all the rock mass, therefore an intact rock sample in laboratory could be smaller that the rock mass that contains a great number of weakness planes. This research understands the stages of project, assembly and application of the pressuremeter as an instrument for the determination of the deformability and in situ stress parameters in rock mass. The gotten data had been used to investigate the variation of these parameters with the weathering degree. An instrumentation system was projected to try to monitor the answer of the rock to load (in the case of deformability`s modulus) and unload (in the case of in situ stress measurement). The application of the pressuremeter was carried trough in rock masses located in the Rio de Janeiro city whose were affected by different levels of weathering. Assays of pressurization and measurements of displacements at the moment of the hole drilling in order to determine the in situ stress. The results had been processing, interpreted and compared with laboratory assays previously carried trough by another authors.

Orientador: Maria Margarita Torres Moreno / Banca: Antenor Zanardo / Banca: André Sampaio Mexias / Banca: Viviane Carillo Ferrari / Banca: Sérgio Ricardo Christofoletti / Resumo: As rochas sedimentares da Formação Corumbataí (Neopermiano) afloram próximas à borda leste da Bacia do Paraná e na região de Rio Claro (SP) constituem importante fonte de matéria-prima para a indústria cerâmica regional. O objetivo deste trabalho foi estudar a gênese e a evolução dos argilominerais presentes nos litotipos de dois perfis posicionados estratigraficamente na porção basal da Formação Corumbataí. As amostras foram coletadas nas frentes de lavra das minerações Pieroni e Estrela Dalva, localizadas no Distrito de Assistência, município de Rio Claro (SP) e analisadas através de difração de raios X, espectrometria de fluorescência de raios X, microscopia ótica e granulometria por absorção de raios X. A aplicação de técnicas complementares na interpretação dos difratogramas, como decomposição de picos e elaboração de difratogramas calculados, permititu a identificação dos argilominerais individualizados e interestratificados e associá-los aos processos deposicional, diagenético, hidrotermal e intempérico que atuaram ao longo da evolução geológica da Bacia do Paraná. A assembléia dos argilominerais é constituída por illita 2M1, illita 1Md, clorita, illita/clorita, clorita/esmectita e esmectita. O politipo illita 2M1 dioctaédrico é predominante e constitui o único argilomineral detrítico. Os argilominerais illita 1Md, clorita e illita/clorita resultam de transformações provocadas pela atuação de fluidos termais originados a partir da intrusão dos magmas básicos na forma de diques e sills correlatos à Formação Serra Geral, de idade Eocretácea. O interestratificado clorita/esmectita constitui o registro do início da fase pós-hidrotermal. / Abstract: Corumbataí Formation (Neopermian) sedimentary rocks arise near of the East edge of Parana Basin and in Rio Claro region (SP) constitute important raw material source for the regional ceramic industry. The aim of this work is to show genesis and evolution of clay minerals of the litotypes of two minings stratigraphycally located in Corumbatai Formation basal zone. The samples were collected from Pieroni and Estrela Dalva minings, in Assistencia District, Rio Claro city (SP) and analysed by techniques of X-ray diffraction, chemical analysis, optical microscopy and grain-size distribution. Aplicattion of complementary techniques in difratograms analysis as peak decomposition and calculated patterns difratograms allowed individualized and interstratified clay minerals identification and associate them with deposicional, diagenetic, hidrothermal and weathering processes during Parana Basin geological evolution. Clay minerals assemblage includes illite 2M1, illite 1Md, chlorite, illite/chlorite, chlorite/smectite and smectite. The polytipe illite 2M1dioctahedral is the predominant detritic clay mineral. Illite 1Md, chorite and illite/chlorite are the result of transformation due to basic magmas intrusions as sills and dykes associated to Serra Geral Formation (Eocretaceous). The presence of smectite at the top litotypes is due to weathering processes, conditioned for Cenozoic sediments that recover Corumbatai Formation rocks. The results suggest that the superimposed hidrothermalism on these pelitic rocks from the eocretaceous intrusions related to Serra Geral Formation constitutes the main geologic process during pelitic rocks evolution, changing the previous features and preparing all the posterior mechanisms, including the weathering alteration. / Doutor

Resumo: Este trabalho visou avaliar a taxa de remoção de material dissolvido devido ao intemperismo químico da rochas da Formação Serra Geral na bacia do Ribeirão Preto (SP). A taxa de intemperismo em rochas é um parâmetro de extrema importância na caracterização geomorfológica dos continentes, de maneira que todas as ferramentas disponíveis devem ser empregadas na sua avaliação, inserindo-se nesse contexto o método utilizado neste trabalho. Para tanto, foi avaliada a concentração dos principais cátions e ânions nas águas pluviais e fluviais desta bacia. A bacia do Ribeirão Preto apresenta sérios problemas ambientais na qualidade das águas pluviais e fluviais, que provavelmente estão interferindo no estudo do intemperismo das rochas nesta bacia. A taxa de intemperismo utilizando o Ca como traçador natural indicou um valor de 24,48 ton/km2/ano para as rochas da Formação Serra Geral encontradas na bacia do Ribeirão Preto. Assim, com este resultado, é possível indicar a seguinte seqüência de intemperismo para as rochas da Bacia Sedimentar do Paraná: rochas ígneas básicas>arenitos>argilitos/siltitos. / Abstract: The purpose of this research was to evaluate the chemical weathering of the rocks from Serra Geral Formation at Ribeirão Preto basin (SP). The weathering rate in rocks is a parameter of extreme importance in the geomorphological characterization of the continents, and, therefore, all available tools must be used for its evaluation, including the method utilized in this work. In order to perform this, the major cations and anions concentrations were evaluated in rain and surface waters from this basin. The Ribeirão Preto basin has serious environmental problems in the quality of the rain and surface waters, which probably affect the study of the weathering of the rocks in this basin. The weathering rate utilizing the Ca as a natural tracer indicated a value of 24.48 ton/km2/year to rocks from Serra Geral Formation found at Ribeirão Preto basin. Thus, with this result, it is possible to indicate the following sequence of the weathering rates to rocks from Paraná Sedimentary basin: basic igneous rocks>sandstones>mudstones/siltstones. / Orientador: Fabiano Tomazini da Conceição / Coorientador: Marcos Aurélio Farias de Oliveira / Banca: Antonio Donizetti Gonçalves de Souza / Banca: Maria Margarita Torres Moreno / Mestre

O estudo do intemperismo é de suma importância uma vez que a quebra química de minerais instáveis termodinamicamente na superfície da Terra por agentes do intemperismo é uma parte fundamental na ciclagem de elementos global. Esse processo é responsável pela formação dos solos dos quais depende toda a vida terrestre, desempenhando um papel central no controle da fertilidade dos solos através do fornecimento de muitos nutrientes que permitem o crescimento das plantas. Atualmente as análises relacionadas ao intemperismo são realizadas através de índices matemáticos ligados à presença ou ausência de determinados minerais e observação do comportamento dos elementos químicos ao longo do perfil de solo. Surge, portanto, a necessidade de técnicas mais rápidas e eficazes. Os objetivos do presente trabalho foram o de caracterizar e avaliar o potencial de vários instrumentos sensores próximos na identificação dos processos de intemperismo em cortes verticais originados de diferentes materiais de origem numa região de São Paulo, Brasil. Cinco perfis de solo com materiais de origem contrastantes (sedimentar e magmático) foram utilizados para a avaliação da espectroscopia como ferramenta capaz de identificar as mudanças ocorridas no perfil durante o intemperismo. Amostras de terra foram coletadas e enviadas para análises química, física, mineralógica e espectroscópica. As análises por sensoriamento próximo em laboratório foram realizadas utilizando três sensores, cada um contemplando uma região do espectro eletromagnético (raio x, visível e infravermelho). No campo, utilizou-se o sensor de raios gama e a câmera multiespectral AISA fênix que realizou a leitura, nas regiões espectrais do visível ao infravermelho de ondas curtas, de todo o perfil de solo desenvolvido sob arenito. Fez-se a descrição elementar, mineralógica e de outros atributos presentes nas amostras de terra coletadas a fim de avaliar a intensidade de intemperismo de cada horizonte dos perfis de solo. Esses dados foram utilizados na descrição do comportamento dos espectros. Os índices de intemperismo e os óxidos maiores foram quantificados a partir de modelos lineares e multivariados utilizando os dados do sensor gama e do visível ao infravermelho (Vis-IR), respectivamente. Os óxidos foram espacializados nas imagens do sensor AISA Fenix para a observação visual do comportamento dos elementos e minerais ao longo dos perfis. Calculou-se a diferença elementar entre horizontes a partir dos dados de fluorescência para comparação com o balanço de massa calculado pelos dados fornecidos pelas análises tradicionais e utilizou-se toda a região espectral, em separado e em conjunto, para a segregação das amostras de acordo com a intensidade de intemperismo. A partir do comportamento das curvas espectrais na região do visível ao infravermelho médio, foi possível identificar a diferença na textura dos horizontes, a presença de água estrutural e no solo, a influência da matéria orgânica e os principais minerais que são reflexos da intensidade de intemperismo de cada horizonte dos perfis analisados. Os dados dos sensores GAMA e FRX apresentaram altos valores de correlação com os óxidos e índices utilizados na quantificação da intensidade de intemperismo, indicando à viabilidade dos sensores para o cálculo dos índices. Os modelos de quantificação dos índices de intemperismo e dos óxidos apresentaram R² acima de 0,5. A aplicação do modelo do Vis-IR às imagens da AISA permitiu quantificar os óxidos pixel a pixel ao longo do perfil e observar a diferenciação dos horizontes, facilitando a interpretação da análise de intemperismo. Devido à especificidade de cada região espectral para analisar um objeto, a utilização de vários sensores que trabalham em diferentes comprimentos de onda pode ser uma alternativa para a mais rápida avaliação da intensidade de intemperismo ocorrendo em perfis provenientes de diferentes materiais de origem. / The study of weathering is of paramount importance since the chemical breakdown of thermodynamically unstable minerals on the surface of the earth by weathering agents is a fundamental part of the cycling of global elements. This process is responsible for the formation of soils on which all terrestrial life depends, playing a central role in soil fertility control by providing many nutrients that enable plant growth. Currently the analyzes related to weathering are performed through mathematical indexes linked to the presence or absence of certain minerals and observation of the behavior of the chemical elements along the soil profile. There is therefore a need for faster and more effective techniques. The objectives of the present work were to characterize and evaluate the potential of several proximal sensing instruments in the identification of weathering processes in vertical cuts originating from different rock parents in a region of São Paulo, Brazil. Five soil profiles with contrasting source materials (sedimentary and magmatic) were used to evaluate the spectroscopy as a tool capable of identifying changes in the profile during weathering. Soil samples were collected and sent for chemical, physical, mineralogical and spectroscopic analyzes. The proximal sensors analyzes in the laboratory were realized using three sensors, each contemplating a region of the electromagnetic spectrum (x-ray, visible and infrared). In the field, the gamma-ray sensor and the multispectral AISA fênix camera were used to read the entire soil profile developed under sandstone in the spectral regions of visible to shortwave infrared. The elemental, mineralogical and other attributes present in the soil samples collected were evaluated in order to evaluate the weathering intensity of each horizon of the soil profiles. These data were used to describe spectra behavior. The indexes of weathering and the major oxides were quantified from linear and multivariate models using gamma and visible infrared (Vis-IR) data, respectively. The oxides were spatialized in the images of the Fenix AISA sensor for the visual observation of the behavior of the elements and minerals along the profiles. The elemental difference between horizons was calculated from the fluorescence data for comparison with the mass balance calculated by the data provided by the traditional analyzes and the entire spectral region was used separately and together for the segregation of the samples according to with the intensity of weathering. From the behavior of the spectral curves in the region of visible to the medium infrared, it was possible to identify the difference in texture of the horizons, the presence of structural and soil water, the influence of the organic matter and the main minerals that are reflections of the intensity of weathering of each horizon of the analyzed profiles. The data of the GAMA and FRX sensors presented high values of correlation with the oxides and indices used in the quantification of the intensity of weathering, indicating the viability of the sensors for the calculation of the indices. The models for the quantification of the indexes of weathering and oxides presented R² above 0.5. The application of the Vis-IR model to the AISA images allowed quantifying the pixel-to-pixel oxides along the profile and observing the differentiation of the horizons, facilitating the interpretation of the weathering analysis. Due to the specificity of each spectral region to analyze an object, the use of several sensors working at different wavelengths may be an alternative for the faster evaluation of the intensity of weathering occurring in profiles from different source materials.

O saprolito é um corpo geológico constituído pela mistura de minerais primários e secundários resultantes do intemperismo físico e químico, o qual mantém vestígios da estrutura original da rocha. Difere do solo pela evidente filiação litogenética e insignificante atividade biológica. Apesar das definições, no entanto, o limite e a distinção entre solo e saprolito nem sempre são claros, devido a continuidade entre estes corpos em termos de processos hidrológicos e geoquímicos, bem como de suas composições físicas e mineralógicas, o que gera grande confusão nas descrições morfológicas e na organização de informações. Devido ao caráter multidisciplinar das ciências envolvidas no estudo do saprolito e a dedicação parcial de todas elas, há uma grande carência de padronização de termos e procedimentos para sua caracterização e análise. O objetivo geral desta tese é a caracterização de saprolitos desenvolvidos a partir de variadas litologias, no intuito da elaboração de procedimentos para a descrição, classificação e análise de saprolitos. Especificamente objetivou-se avaliar detalhadamente os padrões de alteração física, mineralógica e geoquímica em materiais, influenciados por atributos litológicos relativos a composição mineralo-química e estrutural do material parental. Para tanto foram descritos e amostrados 15 perfis de alteração; compostos por solo, saprolito e rocha, derivados de rochas sedimentares e metamórficas na região Sudeste do Brasil, nos estados de São Paulo e Minas Gerais. As descrições demonstraram que os corpos saprolíticos avaliados podem ser agrupados em quatro tipos morfológicos principais, sendo propostas as seguintes categorias estruturais: contínua, fraturada, fragmentada e terrosa. Dentre todos saprolitos avaliados, aqueles derivados de rochas metamórficas apresentaram maior complexidade morfológica. Deste modo, 9 perfis filiados a xistos e gnaisses foram submetidos a análises físicas, geoquímicas e mineralógicas para avaliação dos processos de alteração e desenvolvimento de sistema de classificação. A composição mineralógica de solos e saprolitos se mostrou semelhante, entretanto, ocorreram dissimilaridades geoquímicas entre estes corpos. Atributos físicos como densidade e porosidade total não demonstraram diferenças significativas entre solo e saprolito, entretanto, ao se considerar isoladamente amostras de saprolito, houve correlação positiva entre a perda de massa e a porosidade total, tornando este último atributo útil `a proposta de classificação de saprolitos. / The saprolite is a geological body constituted by the mixture of primary and secondary minerals resulting of physical and chemical weathering, which retains traces of the original rock structure. It differs from the soil by the evident litogenetic affiliation and insignificant biological activity. Although the definitions, however, the limit and the distinction between soil and saprolite are not always clear, because the continuity between these bodies in terms of hydrological and geochemical processes, as well as their physical and mineralogical compositions, which creates great confusion in morphological descriptions and information network. Due to the multidisciplinary nature of the sciences involved and the partial dedication of all of them in the saprolite investigations, there is a great lack of standardization of terms and procedures for characterization and analysis. The overall objective of this thesis is the characterization of saprolite developed from various lithologies in order to draw up procedures for the description, classification and saprolite analysis. Specifically aimed to evaluate in detail the patterns of physical, mineralogical and geochemical changes in some materials influenced by lithological attributes how the mineralogical and chemical composition, as well as the structure of parental material. For this were described and sampled 15 weathering profiles, composed of soil, saprolite and rock derived from sedimentary and metamorphic rocks in southeastern Brazil, in the states of São Paulo and Minas Gerais. The descriptions shown that saprolite evaluated can be grouped into four main morphological types, proposed the following structural categories: continuous, fractured, fragmented and earthy. Among all evaluated saprolite, those derived from metamorphic rocks showed higher morphological complexity. Thus, 9 affiliated profiles schists and gneisses to have been subjected to physical, geochemical and mineralogical analyzes to evaluate the change processes and to developing the classification system of saprolites. The mineralogical composition of soils and saprolite was similar, however, there were dissimilarities regard geochemical attributes between this bodies. Physical properties such as density and porosity showed no significant differences between soil and saprolite, however, when considered in isolation saprolite samples, there was a positive correlation between weight loss and total porosity, making this last attribute able to integrate the proposed saprolite classification.

É conhecido que, atualmente, o Brasil possui uma demanda substancial de obras de engenharia, como por exemplo, o Trem de Alta Velocidade (TAV) entre as cidades do Rio de Janeiro e de Campinas, necessárias para suportar as presentes e futuras demandas para o desenvolvimento do país. Este projeto governamental do TAV deverá requerer produção elevada de agregados de alta qualidade para emprego como lastro e também para concreto. No tocante ao uso como lastro, o agregado fica exposto e sujeito à ação constante das intempéries, fazendo com que estudos envolvendo alterabilidade sejam tão importantes quanto os de caracterização geomecânica dos materiais pétreos, levando-se em conta as condições intempéricas típicas de uma zona tropical que estarão submetidos. Estas constatações motivaram investigar as relações entre as propriedades tecnológicas de nove tipos de rochas cristalinas (micro-gabro, gnaisse e variedades de granitos) e suas utilizações como lastro do trecho Campinas/São Paulo do traçado do TAV. Em termo práticos, estas rochas foram submetidas a ensaios físicos, mecânicos e de alterabilidade acelerada, sendo que os testes de ciclagem água-estufa foram conjugados aos ensaios de abrasão Los Angeles, choque Treton e esmagamento. Os resultados indicaram que alguns materiais apresentaram valores de resistência inferiores ou próximos aos limites normatizados para lastros de ferrovia, além da perda de qualidade verificada nos ensaios de resistência à intempérie, inviabilizando ou restringindo a utilização de três dos materiais estudados para lastro. De modo geral, tais informações poderão servir de subsídio aos órgãos governamentais para tomada de decisões, quanto ao emprego dos materiais disponíveis na área onde será construído o TAV brasileiro, uma vez que os custos de manutenção da camada de lastro da ferrovia são críticos quando se opta por uma via lastrada ou em laje. / It is well known that Brazil currently shows a high number of engineering projects that are necessary to the development of the country. The projects include the High-Speed Rail (HSR) that will connect Rio de Janeiro and Campinas cities and requires a great production of high-quality construction aggregates to be used in track ballast and also in concrete. In the case of the track ballast, previous studies about the weathering of the aggregates together with a mechanical characterization are important and have to take in consideration that the material will be submitted to weathering conditions typical of a tropical environment. These assumptions motivated the investigation of the technological properties of nine types of crystalline rocks (microgabbro, gneiss and varied granitic rocks) considering their potential to be used as track ballast in the HSR between Campinas and São Paulo. The rock samples were submitted to physical, mechanical and accelerated weathering tests. The soundness by artificial weathering, drying water were conjugated to the Los Angeles abrasion tests, Treton shock and crushing. The results indicate that some materials present resistance values bellow or near the limit normalized for track ballast, besides the loss of the quality verified in weathering resistance tests, making it impossible or restricting the use of the three studied materials as track ballast. In general, such information can be used by government agencies to make decisions about the materials available in the area where the brazilian HSR will be built once the maintenance costs of the track ballast are critical to the choice between a track ballast or slab track.

A dissertação versa sobre a lateritização do depósito Madeira que ocorre associado à fácies albita granito do granito Madeira (tipo A, ~ 1,82 Ga). O depósito Madeira situa-se na floresta amazônica, onde intemperismo químico é intenso e lateritização é um importante processo de formação de depósitos minerais. Este depósito representa um caso particular, onde a rocha-mãe é um depósito mineral; assim, mineralização primária e mineralização laterítica ocorrem no mesmo perfil. A rocha-mãe tem uma associação mineral incomum, que inclui quartzo, albita, k-feldspato, zircão, criolita (Na3AlF6), fluorita, polilitionite, riebeckita rica em Zn, F-anita rica em Zn, torita, cassiterita, pirocloro, columbita, xenotima, gagarinita- (Y), fluocerita-(Ce) e genthelvite. Uma característica importante da rocha é a sua riqueza em flúor (2 a 6% em peso), principalmente sob a forma de criolita ou fluroita na matriz. Inicialmente foram investigadas as alterações micromorfológicas destes minerais ao longo de perfis de intemperismo. Em seguida, os realizados estudos geoquímicos em perfis selecionados. Os dados químicos foram convertidos em proporções volumétricas para quantificar as variações nos teores de elementos em amostras com diferentes graus de lateritização, e foram realizados cálculos de balanço de massa tendo o Al como elemento de referência. Desta forma, foram obtidas muitas informações sobre os processos que atuaram na formação do perfil laterítico a partir do depósito Madeira. A rocha-mãe representava claramente um sistema aluminoso com quantidades mais baixas de Fe. A perda total de álcalis e perda parcial de SiO2 originou argilas cauliníticas. A razão molar de SiO2/Al2O3~2 foi adequada para a geração de minerais de argila aluminosos com estrutura 1:1, tais como a caulinita. Com a maior perda de SiO2 na parte superior do perfil ocorreu a formação de gibsita. Hematita é principal mineral de ferro formado porque o meio foi alcalino com alta razão OH/Fe (>2). A lixiviação de elementos alcalinos conduziu ao enriquecimento relativo de alguns elementos economicamente importantes, tais como Sn, Nb e ETR. No entanto, a distribuição de alguns metais, tais como o Pb, Zn e ETR, difere do padrão normalmente esperado no intemperismo, o que pode ser explicado por algumas características especiais da paragênese e pela alta atividade de F nas soluções, que influenciou os processos intempéricos de duas maneiras diferentes: intensa corrosão até mesmo de minerais muito resistentes e formação de complexos estáveis, especialmente com cátions duros, tais como os ETR. / The paper deals on the laterization of the Madeira deposit associated with the albite-enriched granite facies of the A-type Madeira granite (~1.82 Ga). The Madeira deposit is located in the Amazon rain forest, where chemical weathering is intensive and lateritization is a major process of ore deposit formation. This deposit represents a particular case, where the parent rock is an ore deposit; thus primary mineralization and lateritic mineralization occur in the same profile. The parent rock has an unusual mineral association, which includes quartz, albite, k-feldspar, zircon, cryolite (Na3AlF6), fluorite, polylithionite, Zn-rich riebeckite, Zn-F-rich annite, thorite, cassiterite, pyrochlore, columbite, xenotime, gagarinite-(Y), fluocerite-(Ce), and genthelvite. An important feature of the rock is the F richness (2 to 6% wt) mainly in the form of cryolite or fluorspar in the matrix. We first investigated the micromorphological changes of these minerals throughout the soil profile and then focused the geochemical studies in selected profiles. The chemical data were converted into volumetric proportions to quantify the variations in element contents in samples with different degrees of lateritization, and we performed mass balance calculations with Al as the reference element. In this way, we obtain many new constraints on the processes that formed the weathering profile from the Madeira deposit. The parental rock was a clearly aluminous system with lower amounts of Fe. The total loss of alkalis and partial loss of SiO2 created kaolinitic clay minerals. The SiO2/Al2O3 molar ratio ≈2 was suitable for generating aluminous clay minerals with 1:1 structures, such as kaolinite. Greater losses of SiO2 occurred and gibbsite formed at the top of the weathering profiles. Hematite formed as the main ferric mineral because the medium was alkaline with a high OH-/Fe ratio (> 2). The leaching of alkaline elements led to relative enrichment in some economically important elements, such as Sn, Nb, and REEs, in the lateritic profiles. However, the distribution of some of the metals, such as Pb, Zn, and REEs, in the weathering profile is very unusual and may be explained by some special characteristics of the paragenesis and the high activity of F in the solutions, which greatly influenced the weathering processes in two different ways. This halogen was responsible for the intense corrosion of even very resistent minerals and formed stable complexes, especially with hard cations such as REEs.

With the atmospheric concentration of carbon dioxide steadily increasing and little sign of a reduction in fossil fuel demand worldwide, there is a well-established need for an alternative strategy for dealing with carbon emissions from energy production. One possible solution is the accelerated weathering of ultramafic rocks. Accelerated weathering is an environmentally benign route to a thermodynamically and kinetically stable form of carbon. The chemistry is based on naturally occurring reactions and the raw materials are abundant across the earth's surface. However, the reactions are relatively slow, and achieving reaction rates sufficient to match the carbon dioxide production rate at an energy conversion facility is challenging. This work addresses a number of the challenges facing the integration of accelerated weathering with energy conversion, and presents one view of how the integration could be achieved. This work begins by developing a suite of tools necessary for investigating the dissolution and precipitation of minerals. Chapter 2 starts with a description of the minerals that will be evaluated, and then goes on to develop the techniques that will be used. The first is a differential bed reactor, which is used for measuring the dissolution rates of minerals under tightly controlled conditions. Next a bubble column reactor is developed for the investigating the adsorption of carbon dioxide and the precipitation of mineral carbonates in a single vessel. These techniques, together with a batch reactor for studying direct carbonation reactions, constitute a comprehensive set of tools for the investigation of accelerated mineral weathering. With the necessary techniques developed and proven, Chapter 3 addresses the first challenge faced by accelerated mineral weathering; the dissolution rate of magnesium from a silicate mineral. While the dissolution of this mineral is thermodynamically favorable, the kinetics are prohibitively slow. It is thought that this is because silica from the mineral tends to accumulate on the particle surface creating a passivation layer, which limits the reaction rate of the mineral. In this work, the effects of a combination of chemical chelating agents, catechol and oxalate, are evaluated for their ability to circumvent this passivation layer. The results indicate that catechol and oxalate modify the passivation layer as it forms, both accelerating the dissolution rate of the mineral and maintaining pore volume, leading to greater dissolution rates. This pore modification process is proposed as the primary mechanism by which catechol affects the passivation layer. The combination of catechol and oxalate under acidic conditions is also shown be effective when the ambient solution approaches the saturation point of silica. Finally, the chelating does not impede the precipitation of carbonate products, a critical hurdle for a carbon storage process. The chelating agent work is extended in Chapter 4, with a sensitivity study that evaluates the response of the dissolution rate to changes in both pH and the concentration of the chelating agents. Oxalate and pH are found to exhibit a strong influence on the mineral dissolution rate, while the effect of catechol is more apparent after significant dissolution has taken place. These observations are in agreement with the model of passivation layer modification proposed. In addition, some alternatives to the chelating agent catechol are evaluated. It is found that when used in combination with oxalate, these alternatives appeared equivalent to catechol, but alone they had only a minor effect. Catechol was also noted to have a significant effect on the dissolution rate of iron from the silicate mineral, and a mechanism for this effect was proposed. The direct adsorption of carbon dioxide and precipitation of solid carbonates in a single reaction step presents another challenge for accelerated mineral carbonation. In general, the magnesium carbonates formed at ambient pressure and moderate temperatures tend to be hydrated, and at times contain unused hydroxides, leading to inefficiencies in both transport and storage. It is shown in Chapter 5 that by seeding reaction vessels with the anhydrous form of magnesium carbonate, it is possible to grow this desired phase with minimal formation of the metastable hydrated phases. The formation of this phase is primarily limited by the precipitation rate, but in some situations, carbon dioxide hydration kinetics and magnesium hydroxide precipitation kinetics also play a role. In Chapter 6, these developments in both magnesium silicate dissolution and carbonate precipitation are combined into a proposed technology for the direct capture and storage of carbon dioxide. This application of accelerated mineral weathering is shown to significantly reduce the carbon emissions of an energy conversion technology through life cycle assessment. This novel approach to the mitigation of carbon emissions presents a compelling argument for the continued development of accelerated mineral weathering as a combined carbon capture and storage technology.