ویژگیها و طول موج

دانلود پایان نامه

نمونهبرداری چند طیفی استر، تمایز پیکسل‌هایی را که یک گروه کانیشناسی خاص در آنها غالب است، امکانپذیر می‌کند. آنالیز بازتاب طیفی استر، برای نقشه‌برداری لیتولوژیهایی که با سیماهای جذبی Fe3، Fe2، Al-OH،Fe-OH ،Mg-OH و CO3 مشخص می‌شوند، موثر اثبات شده‌است (هیوسن و همکاران، 2005؛ روئن و مارس، 2003؛ روئن و همکاران، 2006).
به طور کل سیماهای جذبی که از طریق آنها ترکیبات مختلف را شناسایی می‌کنند، حاصل فرایندهای مولکولی هستند که در دو نوع ارتعاشی و الکترونی می‌باشند.
در این فصل به بررسی دلایل جذب کانی‌ها و سنگ‌ها در محدوده بازتابی طیف الکترومغناطیس پرداخته و سپس ویژگیهای طیفی نمونه سنگ‌های گنبد سیاه‌تاق تشریح می‌گردد.
3-3-بررسی رفتار طیفی کلی سنگ‌های آذرین در محدوده VNIR-SWIR
سنگ‌های آذرین از مخلوط کانی‌های سیلیکاتی حاصل از انجماد ماگما در زیر زمین و یا گدازه بر روی زمین به وجود میآیند. کانی‌های سنگساز سیلیکاتی را می‌توان به دو گروه بزرگ میفیک و فلسیک تقسیمبندی کرد. طیف‌های بازتابایی کانی‌های سیلیکاتی در ناحیه طول موجهای 4/0 تا 5/2 میکرومتر، به طور عمده تحت تاثیر آهن فرو (+²Fe)، یون‌های هیدروکسیل (OH) و آب (H2O) موجود در ساختار بلوری سیلیکات است. همچنین عبارت زیر درباره باندهای جذبی ناشی از این دو یون و ترکیب آب درست است که: موقعیت دقیق طیفی یک باند جذبی بر حسب کانی می‌تواند تغییر کند، زیرا برهمکنش یون با میدان بلوری پیرامون، تعیین کننده موقعیت باند جذبی است (وینسنت، 1997).
سنگ‌های آذرین حدواسط تا بازیک دگرسان شده حاوی مقادیر قابل توجهی کلریت و اپیدوت میباشند. کلریت و اپیدوت کانی‌های سبزرنگی هستند که سیمای جذبی 31/2 میکرومتر را نمایش میدهند و در مقایسه با سایر کانی‌ها در باند 4 جذب نسبتا ضعیف و در باند 5 بازتاب قوی دارند. سیمای جذبی اپیدوت در 33/2 و 24/2 میکرومتر ناشی از ارتعاشات Fe-OH و جذبهای موجود در 05/1 و 62/0 میکرومتر ناشی از انتقال یون فریک است. سیمای طیفی کلریت تقریباً مشابه با سیمای طیفی اپیدوت است با این تفاوت که جذب کلریت در 33/2 میکرومتر ضعیفتر و مربوط به حالتهای خمشی Mg-OH است. کانی‌های رسی در محدوده 4/2-1/2 میکرومتر به دلیل ارتعاشات Al-OH و Mg-OH دارای جذب می‌باشند و بیشترین بازتاب آنها در 6/1 میکرومتر است. کائولینیت که معمولا محصول دگرسانی فلدسپارهاست، جذب قوی در 2/2 میکرومتر را به علت ارتعاشات Al-OH و همچنین یک جذب قوی در 4/1 میکرومتر به علت باندهای ارتعاشی یون OH دارد (کلارک و همکاران، 1990). باندهای جذبی کوارتز تنها در فروسرخ گرمایی دیده می‌شود.
3-4- بررسی رفتار طیفی کلی سنگ‌های رسوبی در محدوده VNIR-SWIR
اغلب سنگ‌های رسوبی به دلیل داشتن آب در طول موج های 4/1 و 9/1 میکرومتر جذب نشان می‌دهند. شاخص جذب شیل‌های رسی در محدوده 3/2-1/2 میکرومتر قابل رویت است. شیل‌های کربناتی در این زمینه شاخصهای کمتری به نمایش میگذارند و ماسه‌سنگ‌های خالص کمترین ویژگی طیفی را نشان می‌دهند. ماسه‌سنگ‌ها معمولا به علت داشتن ناخالصیهای اکسیدآهن دارای پدیده‌های طیفی در ناحیه 87/0 میکرومتر هستند (ماسه‌سنگ سیمای جذبی Si-O شدیدی در نزدیکی 7/8 میکرومتر نشان می‌دهد که عمدتاً توسط کوارتز ایجاد می‌شود). شناخت سنگ‌های آهکی بر اساس باندهای جذب کربناتها میسر است. باندهای ترکیبی و بالاتن ارتعاشات اصلی بنیان CO32 در فروسرخ نزدیک رخ میدهند؛ قویترین آنها در محدودههای 55/2-50/2 و 35/2-30/2 میکرومتر هستند و سه باند ضعیفتر در نزدیکی 16/2-12/2، 0/2-97/1 و 87/1-85/1 میکرومتر رخ میدهند. کلسیت باندهای جذبی را در 87/1، 99/1، 15/2 و 33/2 میکرومتر نشان می‌دهد. تمام این باندها در اثر باندهای ترکیبی و هارمونیک نوسانهای C-O موجود در یون 2CO3 ایجاد می‌شوند. دولومیت باندهای جذبی مشابه کلسیت را نشان می‌دهد، اما بخاطر حضور Mg، این باندها اندکی به سمت طول موجهای کوتاهتر ( 86/1، 98/1، 13/2 و 30/2 میکرومتر) جابجا می‌شوند. استفاده از باندهای جذب یون آهن فرو در ناحیه 1 میکرومتر نیز برای تشخیص دولومیتها مناسب خواهد بود. در توان تفکیک مکانی استر، سیمای جذبی CO3 در طیف دولومیت، از سیمای جذبی CO3 کلسیت و Mg-OH اپیدوت، با یک فروافتادگی ناچیز (جذب ضعیف) در 26/2 میکرومتر (باند 7 استر) در طیف دولومیت تشخیص داده می‌شود. در محدوده طول موج 5/2-5/0 میکرومتر مرئی-فروسرخ نزدیک (VNIR) و فروسرخ کوتاه‌موج (SWIR)، کلسیت و آنکریت سیماهای جذبی را به ترتیب در 33/2 تا 34/2 میکرومتر و 31/2 تا 32/2 میکرومتر نشان می‌دهند. آنکریت، آهندار است و به صورت سری محلول جامد با دولومیت تشکیل می‌شود [Ca(Fe2, Mg, Mn2)(CO3)2] (ماندارینو، 1999). سیدریت (FeCO3) باندهای کربناتی را در 9/1 و 32/2 میکرومتر نشان می‌دهد و به دلیل وجود Fe2+ در 15/1 میکرومتر نیز دارای جذب می‌باشد.
خلاصه اینکه سنگ‌های رسوبی در طیف‌های خود، وجود کانی‌های سیلیکاتی، کربناتی و فسفاتی را نشان می‌دهند. به نظر می‌رسد سنگ آهک‌ها، شیل‌ها، سیلت‌سنگ‌ها و ماسه‌سنگ‌ها دارای طیف‌های بازتابایی کاملا متفاوتی هستند. اما مهمترین محدوده طول موج برای جدا کردن سنگ‌ها از یکدیگر با استفاده از دستگاههای طیفی، روزنه جوی فروسرخ گرمایی در 8 تا 14 میکرومتر است که بسیاری از باندهای رستشترالن خاص ترکیب کانی‌ها در آن واقع شده‌است. این اختلاف نشان می‌دهد که اگر داده‌های باندهای طیفی در محدوده طول موجهای مرئی، فروسرخ بازتابی و فروسرخ گرمایی در دسترس باشند، این سنگ‌ها احتمالا می‌توانند توسط سنجنده‌های چند طیفی (مانند استر) از هم جدا شوند. در محدوده طول موجهای 2 تا 25 میکرومتر، تعدادی باند جذبی در سیلیکاتها و کربناتها وجود دارد که به دلیل کشیدگی و خمش اساسی لیگاندها یا پیوندهای بین یونها در شبکه بلوری، باعث حداکثر بازتابش قوی در آنها می‌شود. به این گونه باندهای بازتابایی که همگی نتیجه جنبشهای بین اتمی هستند، نام آلمانی رستشترالن داده شده که به معنی پرتوهای بازمانده است (وینسنت، 1997).
3-5-رفتار طیفی عوامل بنیادین موثر در طیف سنگ‌ها و کانی‌ها در محدوده VNIR-SWIR
اندازه‌گیریهای طیفنمایی در ناحیه VNIR-SWIR برای شناسایی کانی در تعدادی از تحقیقات به روی کانی‌های خالص (گفی و همکاران، 1993؛ هاپک، 1993؛ کلارک، 1999؛ هوواری، 2004) و نمونه‌های طبیعی حاوی چند کانی (هانت، 1982؛ کرولی، 1991؛ هوواری و همکاران، 2003؛ بیشاپ و همکاران، 2004) به کار رفته است. این محدوده طیفی به طور ویژه برای شناسایی کانی‌های رنگی به خوبی پیوسته است. آهن و دیگر فلزات واسطه در کانی‌ها، سیماهای جذبی ناشی از انتقالهای الکترونی را نمایش می‌دهند که باندهای مشخصی را بوجود میآورد (کلارک، 1999). عامل OH، گروه کربنات و سولفات در کانی‌ها، سیماهای طیفی ویژه‌ای در این ناحیه ((VNIR-SWIR ایجاد می‌کنند که ناشی از بالاتنها و ترکیبات ارتعاشات مولکولی است (گفی و همکاران، 1993؛ کلارک، 1999؛ هوواری و همکاران، 2003؛ بیشاپ و همکاران، 2004).
سیمای طیفی هیدروکسیلها و کربناتها که از مهمترین اجزای تشکیلدهنده پوسته زمین هستند در محدوده 3-1 میکرومتر فروسرخ موج کوتاه بسیار شاخص است. یون هیدروکسیل به طور گسترده در کانی‌های سنگساز مانند رسها، میکاها، کلریت و تبخیریهایی مانند ژیپس وجود دارد. این یون دارای باند جذبی در محدوده 77/2-74/2 میکرومتر و یک بالاتن در 44/1 میکرومتر است. Fe2، Al-OH و CO3 سیمای جذبی طیفی در 65/1، 2/2 و 3/2 میکرومتر نمایش می‌دهند (مارس، 2010).
باندهای جذبی هیدروکسیل در محدوده فروسرخ بازتابی، حاصل باندهای هارمونیک و ترکیبی باندهای ارتعاش مولکولی یون هیدروکسیل اولیه واقع در طول موجهای بلندتر از 5/2 میکرومتر است. موقعیت باندهای جذبی هیدروکسیل به موقعیت یون OH در شبکه بلوری بستگی دارد که می‌تواند در مکانهای مختلف، میدانهای پتانسیل مختلف داشته باشد (هانت و سالیسبوری، 1970). معمولترین باندهای ترکیبی و هارمونیک هیدروکسیل در 4/1 میکرومتر، (هارمونی کشیدگی O-H)، 2/2 و 3/2 میکرومتر قرار دارد. باندهای جذبی آب (H2O) در طول موج های 4/1 و 9/1 میکرومتر قرار دارند، اما وجود باند 4/1 میکرومتری بدون باند 9/1 میکرومتر، نشان می‌دهد که گروههای هیدروکسیل دیگری غیر از گروه هیدروکسیل آب نیز وجود دارد (هانت و سالیسبوری، 1970).
آهن فرو (Fe2+ ) مانند دیگر یون‌های فلزی واسطه، بسته به ساختار بلوری کانی مورد نظر و میزان ناخالصیهای موجود، می‌تواند تعداد زیادی باند جذبی تولید کند. عدد همارایی (کئوردینانسیون) و تقارن مکانی یون فلزی واسطه، نوع پیوند و لیگاند تشکیل شده (با اکسیژن یا برخی عناصر دیگر)، فاصلههای بین اتمی لیگاند فلزی و واپیچش مکانی یون فلزی، همگی به تعیین طول موجی که باند جذبی خاصی در آن رخ می‌دهد، کمک می‌کنند (هانت و سالیسبوری، 1970). باندهای جذبی آهن فرو در نزدیکی طول موج 0/1 میکرومتر تشکیل می‌شوند. آهن فریک (+Fe3) جذب شدیدی را در پیوند طول موج فرابنفش-مرئی به علت اثر انتقال بار الکتریکی ایجاد می‌کند و در اثر آن کاهش شدید بازتاب در محدوده طول موج نور آبی و افزایش بازتاب به طرف محدوده فروسرخ صورت می‌گیرد که بیشترین آن (بازتاب) در ناحیه 6/1-3/1 میکرومتر قرار دارد.
از آنجایی که این تحقیق بر روی گنبدنمکی سیاه‌تاق (متعلق به سری تبخیری هرمز) صورت گرفته، بنابراین آگاهی از رفتار طیفی کلی سنگ‌های رسوبی- تبخیری و همچنین سنگ‌های آذرین مربوط به این پدیده زمین‌شناسی ضروری به نظر می‌رسد. در ادامه به مطالعه رفتار طیفی بازتابی چند نمونه از خاک و سنگ گردآوری شده از گنبد مزبور میپردازیم.
3-6-بررسی طیف‌های بازتابی اندازه‌گیری شده از سطح تازه و هوازده نمونه‌های گنبدنمکی سیاه‌تاق با استفاده از دستگاه طیف‌سنج ASD
رفتار طیفی منحنی تفکیک بالای سطح هوازده و تازه در اکثر نمونه‌ها مانند هم و تنها در بعضی از باندهای جذبی دارای جابجایی اندک است. در برخی از نمونه‌ها تفاوتهای فاحش میان این دو منحنی، به علت آثار هوازدگی و فرسایشی شدید، زبری و ناهمواری بافتی، رنگهای تیره ناشی از پوشش جلای بیابانی (ورنیه صحرایی) و سایر آلودگی‌های محیطی در سطح خارجی و هوازده نمونه می‌باشد. در مناطق گرمسیری و بیابانی، مانند مناطقی که گنبدهای نمکی حضور دارند، سطح بیشتر رخنمونها به دلیل هوازدگی از اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن و منگنز پوشیده می‌شود؛ به این پوشش در اصطلاح کلاهک آهنی یا ورنیه صحرایی می‌گویند.
در منحنی طیفی توان تفکیک بالای بیشتر نمونه‌ها سیماهای جذبی در 48/2، 47/2 و 45/2 میکرومتر (نزدیک 5/2 میکرومتر) دیده می‌شود که به یون OH نسبت داده می‌شود؛ بنابراین از ذکر مجدد آن در تمامی توضیحات خودداری می‌شود. کوارتز و اورتوکلاز و به طبع آن ماسه‌سنگ‌ها، سیلت‌سنگ‌ها و ریولیتهای خالص، رفتار طیفی خاصی نشان نمی‌دهند و برخی سیماهای جذبی آنها بخاطر ناخالصیهای موجود در نمونه است. در بررسی منحنی‌های طیفی توجه به این نکته مهم است که عمیقترین سیمای جذبی مربوط به ترکیبی است که بیشترین مقدار را در نمونه دارد. ضمن اینکه منحنی طیفی بازنویسی شده نمونه‌ها در کنار منحنی توان تفکیک بالا مشاهده می‌شود. طیف بازتابی نمونه‌ها بر اساس یک منحنی طیفی مرجع (همانطور که قبلا توضیح داده شد) اندازه‌گیری و ثبت می‌شود. این منحنی کالیبراسیون در محدوده 1800 تا 1900 نانومتر (8/1 تا 9/1 میکرومتر) به دلیل رطوبت موجود در هوا دارای بازتاب و جذب است که به صورت خطوط زیگزاگی دیده شده که در واقع نویز محسوب می‌شوند. بنابراین در تفسیر منحنی طیفی نمونه‌ها در نظر گرفته نمی‌شوند، چون مربوط به رطوبت و عناصر جوی از قبیل آب، دی اکسیدکربن، نیتروژن و … می‌باشند. در شکل (3-4) این منحنی طیفی کالیبراسیون را مشاهده می‌کنید.
شکل 3-4- تصویر منحنی طیفی کالیبراسیون که در آن
محل خطوط نویز ناشی از رطوبت هوا دیده میشود.
نمونه S1، یک انیدریت است که عمیقترین جذبها را به ترتیب در 94/1، 75/1 و 44/1 میکرومتر به دلیل حضور H2O نشان می‌دهد. جذب در 2/1، 49/1 و 53/1 میکرومتر نیز ناشی از آب است. دو جذب تیز در 0/1 و 85/1 و نیز پهنای جذبی کم عمق از 4/0 تا 67/0 میکرومتر به دلیل ناخالصیهای آهن فرو می‌باشد. طیف‌های بازتابایی کوچک در 2/2 و 47/2 میکرومتر احتمالا ناشی از هارمونیکهای باندهای رستشترالن یون سولفات است (شکل 3-5).
شکل 3-5- منحنی طیفی توان تفکیک بالا در نمونه S1 (سمت راست)
و بازنویسی شده آن به 9 باند استر (سمت چپ).
نمونه S2 سنگ کربناتی که عمیقترین جذب مربوط به کربناتها را در 33/2 میکرومتر به نمایش میگذارد؛ سایر جذبهای مربوط به کربنات عبارتند از 88/1 و 98/1 میکرومتر. حضور مقداری کانی رسی در سنگ، جذب 2/2 میکرومتر را بوجود آورده است. اکسیدهای آهن نیز در 42/0، 67/0 و 99/0 میکرومتر دارای جذب هستند. سیمای جذب آب در 36/1 و 44/1 میکرومتر است. منحنی طیفی سطح تازه بازتاب بالاتری دارد (شکل 3-6).