PROPRIEDADES ESPECTRAIS DE MINERAIS E ROCHAS Interação da Radiação Eletromagnética com os Minerais e Rochas; Origem das Bandas de Absorção; Processos Eletrônicos; Processos Vibracionais; Fatores que Afetam a Reflectância das Rochas; Espectros de Reflectância de Minerais; Espectros de Reflectância de Rochas; Aplicações Geológicas da Espectroscopia de Reflectância. INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA COM MINERAIS E ROCHAS Rochas são assembléias de minerais, que, por sua vez, compreende vários elementos unidos por diferentes tipos de ligações químicas. Eles compreendem um sistema energético; Source Sensor Surface Quando um feixe de fótons atinge o meio, interações macroscópicas (refração, difração, e espalhamento) e microscópicas (absorção) ocorrem; 1
Fonte: Green (2003) Fonte: Green (2003) 2
ORIGEM DAS BANDAS DE ABSORÇÃO Os principais componentes das rochas e minerais (p.ex., oxigênio, silício, alumínio) não produzem feições de absorção no intervalo 400-2500 nm; Portanto, espectros de minerais e rochas são influenciados pelos componentes menores tais como ferro, magnésio e cálcio; Em geral, existem dois processos que explicam a origem das bandas de absorção: transições eletrônicas e vibracionais; PROCESSOS ELETRÔNICOS Processos eletrônicos dominam no VNIR (400-1100 nm), porque eles requerem mais energia que os processos vibracionais; A absorção de fótons em um comprimento de onda específico produz uma mudança de elétrons de um estágio de energia mais baixa para outro de energia mais alta; Existem quatro tipos de processos eletrônicos: campo cristalino, transferência de carga, bandas de condução, e centro de cores; 3
Efeitos de campo cristalino ocorrem quando um íon de um elemento de transição (Fe, Ni, Cr, Co, Cu, etc) está envolvido na estrutura do cristal; O campo cristalino afeta o nível de energia do íon e introduz novas diferenças de energia entre os níveis; Quando os fótons atingem o meio, as transições resultantes entre os níveis refletem o tipo de campo em que o íon está localizado; As bandas de absorção são determinadas pelo estado de valência do íon (e.g., Fe 2+ or Fe 3+ ), seu número de coordenação, simetria, tipo de ligação (p.ex., metal-oxigênio), e pela distorção cristalina; 4
Os efeitos de transferência de carga ocorrem quando um fóton é absorvido e causa uma migração de elétrons entre íons adjacentes, ou entre íons e ligantes; A transição pode ocorrer entre o mesmo metal em diferentes estados de valência (p.ex., entre Fe 2+ e Fe 3+ ); O exemplo mais comum do efeito de transferência de carga é produzido pelo Fe-O, que intensivamente absorve energia em menores comprimentos de onda; O efeito Fe-O é responsável pela diminuição abrupta da reflectância do infravermelho para o azul, ou pelas cores vermelha, amarela e laranja dos óxidos e hidróxidos de ferro; 5
O exemplo da safira azul e do rubi vermelho: a) Composição básica = Al 2 O 3 ; b) Impurezas = Cr 3+ (Rubi), e Fe 2+ e Ti 4+ (safira); c) Processos eletrônicos = campo cristalino (rubi) e transferência de carga (safira); 400 500 600 700 nm BLUE GREEN RED 3 2.5 2 1.5 ev RUBI 2.5 ev 2 ev SAFIRA forbidden allowed Fundamental Os efeitos de banda de condução estão restritos a alguns semicondutores (e.g., sulfetos). Eles apresentam dois níveis de energia separados por um espaço de banda em que os elétrons podem existir: banda de condução (movimento livre de elétrons) e banda de valência (elétrons presos aos átomos individuais); Um fóton que chega com energia maior que a do espaço de banda possibilitará a transição de um elétron para a banda de condução, e uma mudança na resistência elétrica do material; 6
PROCESSOS VIBRACIONAIS Processos vibracionais ocorrem predominantemente no SWIR (1000-2500 nm). De acordo com Clark (1998), as ligações em uma molécula são como molas com pesos presos. Todo o sistema pode então vibrar; A freqüência de vibração depende da resistência de cada mola (a ligação em uma molécula) e de suas massas (a massa de cada elemento em uma molécula); Para uma molécula com N átomos, existem #N - 6 modos normais de vibrações chamados fundamentais. Vibrações adicionais são chamadas sobretom, quando elas envolvem múltiplos de um simples modo fundamental, e combinações de tom quando elas envolvem diferentes modos de vibração; Água e hidroxila produzem bandas de absorção diagnósticas em minerais, especialmente em minerais argilosos; Um mineral, cujo espectro tem uma banda de absorção em 1900 nm, contém água (p.ex., hectorita and haloisita). Um espectro que tem uma banda em 1400 nm, mas não exibe uma feição em 1900 nm, indica apenas a presença de hidroxila (p.ex., caulinita); Fosfatos, boratos, arsenatos e vanadatos também apresentam bandas de absorção vibracional características; 7
Carbonatos também mostram feições vibracionais diagnósticas, e o posicionamento das bandas de absorção nos carbonatos podem variar com a composição; 8
FATORES QUE AFETAM A REFLECTÂNCIA DE ROCHAS Misturas minerais : De acordo com Clark (1999), existem quatro tipos de misturas: a) Linear - ocorre quando os diferentes materiais são discriminados no FOV, e o sinal resultante é simplesmente a soma da área fracional multiplicado pelo espectro de cada componente; b) Não-Linear - ocorre quando os diferentes materiais estão em contato intrínseco na superfície de espalhamento (grãos minerais). O sinal resultante é uma combinação não-linear dos espectros de referência dos materiais; c) Coatings - ocorre quando um material cobre o outro; c) Molecular - inclui a água adsorvida em um mineral, e gasolina sobre um solo; Misturas linear versus não-linear 9
Tamanho das Partículas, Minerais Opacos, e Porosidade Em relação ao tamanho das partículas, sua redução para materiais transparentes ou fracamente absorvedores produz um aumento na reflectância; Para componentes fortemente absorvedores, a redução no tamanho das partículas produz uma diminuição na reflectância; Embora o tamanho das partículas possa afetar a intensidade da banda, ele não muda a posição da banda de absorção; 10
Materiais claros tendem a mostrar uma menor reflectância e um maior contraste espectral se sua porosidade for reduzida. Para materiais escuros, variações na porosidade terão um fraco efeito na reflectância e no contraste espectral; A presença de pequenas quantidade de minerais opacos em uma mixtura íntima com grãos minerais claros terá um forte efeito sobre o espectro. Os minerais opacos fortemente reduzem a reflectância das rochas e afetam a aparência das bandas de absorção; Geometria de Visada A geometria de visada afeta a intensidade da luz detectada, mas não a aparência das bandas de absorção (Clark, 1999); 11
ESPECTROS DE REFLECTÂNCIA DE MINERAIS Domínios espectrais dos minerais: O diagrama espectral de Hunt (1977) : 12
ESPECTROS DE REFLECTÂNCIA DE ROCHAS Para fins de simplificação, as rochas podem ser divididas em três grupos: ígneas, sedimentares e metamórficas; Em geral, os espectros das rochas refletem os seus constituintes minerais, tamanho das partículas e misturas; A presença de pequenas quantidades de substâncias opacas reduz fortemente a reflectância das rochas e afeta a aparência de bandas de absorção bem definidas; Rochas Ígneas : Os principais constituintes das rochas ígneas (silício, oxigênio e alumínio) não exibem feições espectrais. Portanto, os constituintes menores dominam os seus espectros; Rochas Félsicas (> 66% SiO 2 ) (p.ex., granito) exibem bandas de absorção vibracional em 1400 nm, 1900 nm e 2200 nm devidas a OH and H 2 O; Rochas intermediárias (52-66% SiO 2 ) (p.ex., diorito e fonólito) apresentam feições de ferro férrico e ferroso, mas as feições mais bem definidas são as de água e hidroxila de produtos de alteração; 13
Rochas máficas (45-52 % SiO 2 ) (p.ex., diabásio) contêm feições de ferro férrico e ferroso em 700 nm e 1000 nm; Felsic Intermediate Mafic Ultramafic Mafic Felsic Rochas ultramáficas (< 45% SiO 2 ) (p.ex., piroxenito e dunito) têm grandes quantidade de minerais opacos e minrais ricos em Fe 2+, o que produz bandas ferrosas em 700 nm, 1000 nm e 2000 nm; RESUMO: Rochas félsicas tendem a ter maior reflectância que rochas máficas-ultramáficas. Bandas de absorção bem definidas dependem da ocorrência de minerais opacos (p.ex., magnetita). 14
Rochas Sedimentares : Exibem bandas bem definidas de óxidos de ferro, minerais de argila e de carbonatos, mas estas feições podem ser mascaradas por material opaco carbonoso; Arenitos geralmente têm grãos de quartzo com coberturas de óxidos de ferro (banda em 870 nm); Calcários apresentam bandas em 1900 nm e, especialmente, 2300 nm; Folhelhos carbonosos não mostram espectros com feições bem definidas; RESUMO : Rochas arenosas, com mais minerais transparentes ou menor quantidade de substâncias opacas, tendem a ter maior reflectância e bandas de absorção mais bem definidas que rochas argilosas; 15
Rochas Metamórficas : Exibem feições bem definidas em razão da presença de carbonatos e hidroxila, e de íons de ferro e cromo; RESUMO: A reflectância e a ocorrência de bandas de absorção bem definidas dependem da rocha de origem e da presença de substâncias opacas; APLICAÇÕES GEOLÓGICAS DA ESPECTROSCOPIA DE REFLECTÂNCIA 16
(1) Litoestratigrafia de Reflectância Espectral de bacias sedimentares (seqüências de superfície e de poços de perfuração) : (2) Espectroscopia de Imageamento de testemunhos de perfuração em laboratório; (3) Discriminação litológica : 17
(4) Identificação Mineral a partir de espectros obtidos em laboratório e campo (espectroradiômetros) ou de aeronaves e satélites (imageadores); (5) Quantificação de cores; (6) SR Geobotânico e Geobotania Espectral : 18
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