ژئو شيمي زمين شناسي

خلاصه مقاله :
انعكاس طيفها در طول موجهاي مرئي و نزديك به مادون قرمز وسيله اي سريع و كم خرج جهت بيان كاني شناسي نمونه ها و به دست آوردن اطلاعات درباره تركيب شيميايي ، فراهم مي آورد .
پارامترهاي نوار جذب از قبيل موقعيت ، عمق ، عرض و عدم تقارن تركيب(تركيب شيميايي )جهت تخمين تقريبي تركيب نمونه ها از ميدان ماوراء طيفي استفاده شده است . اين امر منجر به فراهم آمدن اطلاعات تكنيكهاي كاني شناسي سطح( مانند طبقه بندي ) در استفاده از موقعيت و عمق باند جذب مي شود.
به هر حال هيچ تلاشي براي فراهم كردن تصاوير پارامترهاي باند جذب صورت نگرفته است . در اين مقاله يك تكنيك درون يابي خطي ساده به منظور استنتاج عدم تقارن ،عمق و موقعيت باند جذب از اطلاعات تصويري ماوراء طيفي پيشنهاد مي شود .

اطلاعات AVIRIS بدست آمده در سال۱۹۹۵ در روي منطقه معدن كاري كاپريت (نوآدا در ايالت متحده امريكا )جهت اثبات تكنيك و تفسير كردن اطلاعات بر حسب فاز هاي دگرگوني شناخته شده منطقه استفاده مي شود .تحليل حساسيت روشهاي پيشنهاد شده نشان داد كه نتايج خوبي مي تواند براي تخمين موقعيت طول موج جذب بد ست آيد ، اگر چه عمق تخمين زده شده نوار جذب نسبت به پارامترهاي ورودي انتخاب شده حساس مي باشد .

تصاويرپا رامتري (عمق ، موقعيت ، عدم تقارن جذب ) هنگامي كه به دقت توسط مشاهدات جزيي تجزيه شده به وسيله يك زمين شناس ،آزمايش و تفسير مي شود ،اطلاعات كليدي درباره كان شناسي سطح فراهم مي آورد .تخمين عمق و موقعيت مي تواند مر تب باشيمي نمونه ها باشد و بنابراين اجازه ارتباط بين فضاي ميان بين ميدان“ زمين شيمي و مشاهدات جزيي“ فراهم مي آورد .

لغات كليدي مؤلف :
طيفهاي ماوراء، مشاهدات جزيي ، طيف نمايي، تحليل تركيت جذبي ، دگرگوني گرمابي.

۱- مقدمه :
هنگامي كه فعل و انفعالات داخلي نوري توسط يك سنگ يا ماده معدني ، نوري باطول موجهاي معين ، توسط ساير طول موجها جذب مي شود ، مي تواند به جسم ماده اصلي ارسال شود .انعكاس به عنوان ضريبي از شدت نور منعكس شده از يك نمونه به شدت نور ساتع شده بر روي آن .
تحول الكترونيك و مراحل انقال شارج (به عنوان مثال تغييرات در حالات انرژي الكترونها به اتمها يا ملكولها )وابسته به تحول يونهاي فلزي از قبيل Cr ،Ti،Fe .حالات تشخيصي تركيبات جذبي با طول موج مرئي و نزديك به مادون قرمز در منطقه طيف مواد معدني ،را بيان مي كند .(برنز ۱۹۹۳ ،آدامز ۱۹۷۴و آدامز ۱۹۷۵) علاوه بر اين مراحل جهشي H2O ،OH ( به عنوان مثال جابجايي هاي كوچك اتمها نسبت به موقعيتها ي آرامش خود).

جذبهاي قوي اساسي در بخشي از طيف با امواج متوسط تا كوتاه مادون قرمز (هانت ۱۹۷۷) توليد مي كنند. موقعيت شكل و عمق و عرض اين تركيبات جذبي توسط ساختار كريستالي مشخص كنترل مي شود كه در آن گونه هاي جذبي و ساختار شيميايي مواد شامل مي شود .
بنابر اين تركيبات جذبي مختلف مي توانند مستقيما با شيمي و ساختار ساده در ارتباط باشند عمق جذب ، نشانگري جهت مقدار ماده اي است كه سبب جذب حاضر در يك نمونه مي شود .
علاوه بر اين عمق نوار جذبي با اندازه ذره يا دانه در ارتباط است همانطور كه مقدار نور پراكنده شده و جذب شده توسط يك دانه بستگي به اندازه دانه دارد.يك دانه بزرگتر مسير دروني بزرگتري بر اساس قانون بيرز دارند كه فوتونها ممكن است در آن جذب شده باشند .

 

در دانه هاي كوچكتر سطوح انعكاسي بيشتري در مقايسه با طولهاي مسير فوتون در داخل وجود دارد ، چنانچه ضريب پخش فرا تر رود انعكاس با افزايش دانه كاهش مي يابد .
ميدان وطيف آزمايشگاهي براي ارتباط دادن تركيبات جذبي با حالات شيميايي نمونه ها هم در گرايش خاك شناسي و هم كاني شناسي به مانند علم پوشش گياهي استفاده ميشود .
جهت تحليل اطلاعات تصويري ماوراء طيفي چندين تكنيك موجود مي باشند تا تركيب سطح را (به عنوان مثال كاني شناسي سطح ) از تركيبي از عمق و موقعيت نوار جذبي استنتاج كند . به هر حال اين قبيل تكنيك ها اطلاعات سه بعدي در رابطه با تغييرات شكل موقعيت و عمق نوار جذبي به وجود نمي آورند .
علي رقم اين حقيقت كه اين پارامترها استفاده حياتي در نقشه برداري تركيبي سطح دارند در اين مقاله در ابتدا مروري درباره استفاده از انعكاس طيف نما جهت تخمين ژئو شيمي سنگ ، خاك و استفاده از طيف نماي آزمايشگاهي و ميدان براي بيو شيمي هاي برگ مانند ارائه شده است .

سپس تكنيكهاي تحليلي تركيب سه بعدي موجود نسبت به تركيبات جذبي نقشه در اطلاعات تصويري ماوراءطيفي ارز يابي مي شود . پس از آن يك روش انتر پله خطي ساده جهت تخمين زدن پارامترهاي نوار جذبي از طريق اطلاعات تصويري ماوراء طيفي معرفي مي شود . در پايان در يك مطالعه موردي استفاده از يك تكنيك در تحليل اطلاعات تصويري ماوراء طيفي هوا برد براي نقشه برداري تركيبي سطح به اثبات مي رسد .

۲- تحليل تركيب جذبي طيفي بر روي اطلاعا ت طيفي انعكاسي
طيف انعكاسي مواد معدني در گستره طول موج مرئي تا نزديك مادون قرمز توسط حضور يافقدان يونهاي فلزي تحول يافته (مانند آهن، كروم،منواكسيد كربن ،نيكل ،“ هانت ۱۹۷۷ و برنز ۱۹۷۳“ ) ظاهر مي شود .
حضور و فقدان آب و هيدروكسي ، كربنات و سولفات تركيبات جذبي را در منطقه SWIR بيان مي كند . مولكول آب با عث مي شود تا نسبت مواد معدني – آب در طيف انعكاسي قوي ديده شوند .قدت اوليه انبساط OH در حدود يك چهارم ميكرو متر و تركيبات H-O-H با انبساط OH نزديك به يك نهم ميكرومتر يافت شده است .
گروههاي OH معمولا در چندين سايت بلور شناسي از يك ماده معدني مخصوص رخ مي دهند و اساسا به يونهاي فلزي متصل مي شوند .بنابراين ممكن است بيش از يك تركيب OH وجود داشته باشد.

تركيب فلز OHبه علاوه انبساط OH حدود ۲/۲ تا ۳/۲ ميكرو متر اتفاق مي افتدو اين تشخيص كاني شناسي مي باشد .
كربناتها همچنين باندهاي جذبي ارتعاشي را از طريق يون CO3 ( دوبار منفي) در ۵/۲ تا ۵۵/۲ و ۳/۲ تا ۳۵/۲ ميكرو متر نشان مي دهند و سه باند ضعيفتر نزديك ۱۲/۲ تا ۱۶/۲ و ۹۷/۱ تا ۲ و ۸۵/۱ تا ۸۷/۱ ميكرو متر اتفاق مي افتد .تخمين هاي مقداري تركيبهاي كاني شناسي و تحليل شيميايي بر پايه اطلاعا ت طيف نمايي توسط بسياري از مولفان ثابت شده است .(آدامز ۱۹۷۵ و كلارك۱۹۹۰ )

آدامز در ۱۹۷۵ و كلوتيز ۱۹۸۶ نشان دادن كه نوارهاي جذبي آهن نزديك ۲/۱ ميكرومتر بر اساس تابعي از ضريب (آهن + منيزيم ) آهن عمل ميكند .
به طور مشابه كنيگ و ريدلي ۱۹۸۷ اين تاثير را زبرجدها نشان دادن (موستارت ۱۹۹۲ )نشان داد كه ضر يب آهن + منيزيم مي تواند از طريق طيف انعكاسي محاسبه شود . (دوك ۱۹۹۴ )شيفت هاي ماهرانه اي از آلومينيوم ، OH در نوار جذبي طبق نظر روسها با تركيب آلومينيوم يافت .هنگامي كه آلومينوم يا منيزيم جايگزين مي شود كريستال به علت تغييرات اندك در طولهاي آلومينيوم OH تخريب شده و بنابر اين طولهاي جذبي به اندازه ۲/۲ ميكرومتر در موقعيت نوار جذبي به وجود مي آيند (دوك ۱۹۹۴) .
از اين رو (دوك۱۹۹۴) راه مقدار يابي تركيب روسي آلومينيوم را از موقعيت نوار جذبي آلومينيوم OH بدست آورد .(وندرمير ۱۹۹۴ و ۱۹۹۵ )ثابت كرد كه طيف نمايي انعكاسي ميزاني براي ضريب كلسيت فراهم مي آورد .“ دولوميت در سنگ آهك “.

در علم خاك طيف نمايي انعكاسي جهت مقدار يابي پارامترهاي خاك از قبيل مسئله ارگانيك ، آهن كل،منيزيم و كلسيم قابل معاوضه و PH استفاده شده است .اخير كاريوكي ۲۰۰۳ نشان مي دهد كه تعويض ظرفيت كاتيون CEC مي تواند از طريق طيف انعكاسي تخمين زده شود .

در علوم گياهي طيف انعكاسي براي سالها جهت تخمين بيوشيمي استفاده مي شده است .از زمان كار پيش قدمانه كوران ۱۹۸۲ بر روي بيو شيمي برگ و وسمن ۱۹۷۸ بر روي مشاهدات جزيي بيو شيمي ، بسياري از مولفان ثابت كرده اند كه سازنده هاي برگ ( مخصوصا رنگدانه ها ي برگ) مي تواند اندكي از طريق اطلاعات طيفي تعيين شود .به عنوان مثال كوران ۱۹۹۲ و فورتي ۱۹۹۶ نمونه هاي بيوشيمي كه تخمين زده مي شوند شامل آب برگ (بومن ۱۹۸۹) كلروفيل ۲ (ليچتن تالر ۱۹۹۶) و نيتروژن (يودرو كراسبي ۱۹۹۵ )مي باشند .اخيرا (كوكالي و كلارك ۱۹۹۹ ) مدلي براي بيان غلظت تركيبات FOLIAR از طيف انعكاسي با استفاده از تحليل عمق نوار جذبي و مضرب خطي رگرسيون برگشتي ارائه مي دهند تا رابطه اي بين انعكاس و غلظت چندين مولفه (نيتروژن و سلولز ) تخمين بزنند.

كوران ۲۰۰۱ نمونه از تحليل بيوشيمي طيف انعكاسي برگ كه با استفاده از تحليل عمق و موقعيت نوار جذبي نشان داد .

۳- تحليل تركيبات جذبي طيفي در اطلاعا ت تصويري ماوراء طيفي :
تكنيكهاي مختلفي براي پروسه كردن شبه سازي ماوراء طيفي به منظور به دست آوردن اطلاعات تركيبي سطح بر روي يك بستر پيكسل به پيكسل برا ي تمامي تصاوير وجود دارد .تكنيكهايي كه به طور ويژه از عمق و موقعيت نوار جذبي استفاده مي كنند شامل :

۱- عمق نوار جذبي مرتبط (RBD)
2- تناسب تركيب طيفي (SFF) به صورت تكنيكي .
۳-تري كوردر و تترا كوردر به صورت الگوريتمي در آزمايشگاه طيفي سازمان نقشه بردار امريكا توسعه يافت .

اين تكنيكها به صورت پي در پي طيف انعكاسي را جابه جا مي كند .
بنابر اين دانستن اين كه جذب در يك طيف از دو بخش تشكيل شده است ، ضروري است :تركيبهاي انفرادي و مداوم .تداوم يا پيش زمينه ، توان بازتاب سراسري انعكاس منحني شكل مي باشد .
جابجايي مقياسهاي موثر طيفي تا صددر صد هنگامي صورت ميگيرد كه منحني طيفي به قسمت مداوم و پي در پي نزديك مي شود به صورت رياضي مي تواند به صورت زير انجام شود كه L(W) طيف به صورت تابعي از طول موج W،O : طيف مشاهده شده ، C1 ،C : تداوم براي طيف C0 تداوم براي طيف مشاهده شده ، LC طيف جابجا شده – مداوم O عبارت است از طيف مشاهده شده جابجا شده .

شكل يك تقريبي از تداوم و تداوم انتقالي و تعريفي از تركيب جذبي مي باشد .
توسعه روش نقشه برداري معدني به وسيله تصوير بردار ي از اطلاعات طيف متر و با استفاده از تصاوير RBD، مستقيما از اطلاعات تابشي ناشي مي شود .
اساسا تصاوير RBD يك اصلاح مداوم محلي را فراهم مي كند به طوريكه جابجايي كانال به كانال كوچك از انحراف راديو متريك به خوبي تفاوت جذب اتمسفريك و توقف تابش خورشيدي براي هر پيكسل در مجموعه اطلاعات صورت ميگيرد .براي توليد يك تصوير RBD چندين كانال اطلاعاتي از هر دوسوي باند جذبي جمع مي شود و سپس توسط مقداري از چندين كانال از مينيمم نوار جذبي تقسيم مي شود .

تناسب تركيب طيفي توسط نرم افزار ENNI (كلارك۱۹۹۰ )از طيف پيكسلي جابجا شده پي در پي استفاده مي كند كه جهت مقايسه طيف انعكاسي پي در پي از كاني شناسي شناخته شده به كار برده مي شود .
يك تصوير مقياسي جهت هر عضو انتهايي انتخاب شده جهت تحليل با تفريق اوليه طيف جابجا شده پي در پي از ديگري توليد مي شود .بنابر اين آنها را معكوس و به صورت صفر پي در پي در مي آوريم .يك فاكتور مقياس ، معادل يك تركيب طيفي عميق است ، حال آنكه يك فاكتور مقياسي كوچك يك تركيب طيفي ضعيف را نشان مي دهد .

خطاي RMS كل (ميانگين ريشه جذر )براي شكل دهي يك خطاي تصويري RMS براي هر عضو انتهايي به كار برده مي شود .ضريب مقياس تصوير و تصوير RMSيك تصوير متناسب را توليد مي كند كه ميزاني از چگونگي انتخاب طيف ناشناخته ازطيف انعكاسي بر روي يك بستر پيكسل به پيكسل مي باشد .
تتراكوردر(تري كوردر و عامل موفقيتش) از الگوريتمهاي انتخابي طيفي استفاده ميكنند كه در يك پروسه دو مرحله اي بكار مي رود .
ابتدا شيب طيفي محلي (پي درپي) تخمين زده مي شود و هر دو از انعكاس دو طيف مشاهده شده جدا مي شوند .
در مرحله بعد شناسايي مواد معدني از طريق طيف آنها انجام داده مي شود كه اين كار توسط فاكتورهاي زير صورت مي پذيرد .

۱- خوب بودن تناسب تركيب يك طيف .
۲- سطح انعكاس.
۳- شيب مداوم .
۴- حضور يافقدان تركيبات طيفي فرعي كليدي .

تتراكوردر از اين تركيبات طيفي جابجا شده پي در پي و انعكاسي استفاده مي كند تاتناسب سنگيني جهت محاسبه بين طيف ناشناخته و طيف شناخته شده بوجود آورد .با استفاده از يك متخصص سيستم اطلاعات تركيبي سطح استنتاج مي شود و نتايج داراي اعتبار مي شوند . اين روش نقشه برداري تمامي اطلاعات تركيبي معتبر شده سطح را توصيف مي كند .(اكثر نقشه هاي كاني شناسي)
اما آنها اطلاعاتي درباره عدم تقارن ، عمق و موقعيت نوار جذبي بر روي يك بستر پيكسل به پيكسل فراهم نمي آورد اگر چه اين پارامترها در انتخاب انجام شده استفاده مي شود .

۴-عدم تقارن عمق و موقعيت نوار جذبي توسط نقشه برداري از اطلاعات تصويري ماوراء طيفي .

همانطور كه در بخشهاي قبلي بحث شد ميدان و طيف انعكاسي آزمايشگاهي براي استنتاج اطلاعات تركيبي روي نمونه ها استفاده مي شده است .
معمولا اين امر شامل يك ضريب رگرسيون خطي از پارامترهاي نوار جذبي و تركيب شيميايي مي باشند .
پارامترهاي نوار جذبي زير كه توسط طيف جابجايي شده پي در پي (شكل ۱) محاسبه شده ،اغلب استفاده مي شود :

۱- موقعيت نوار جذبي .
۲- عمق نوار جذبي .
۳- عدم تقارن نوار جذبي ، عمق مرتبط ، D ، از تركيب جذبي به عنوان ارزش انعكاسي تعريف مي شود و در شانه ها مقدار انعكاس در نوار جذبي مينيمم تفريق مي شود.

عمق يك نوار جذبي D مي تواند در ارتباط با RC به صورت پي در پي تعريف شود :

كه Rb انعكاس د رانتهاي باند است و RC انعكاس پي در پي در همان طول موج مانند Rb مي باشد . اين طيفها (همچنين به طيف انتقالي پي در پي بر ميگردد)جهت تركيبات جذبي استفاده مي شود ، كه براي يك ماده معدني معين ، بر اساس عدم تقارن ، عرض ، عمق و موقعيت منسوب مي شود .
موقعيت باند جذبي لاندا به عنوان باندي كه حداقل مقدار انعكاس را درگستره تركيب جذبي و بر روي طول موج دارد تعريف مي شود .

فاكتور عدم تقارن ، S، معروف به صورت زير تعريف مي شود كه ALEFT منطقه جذب از نقطه شروع تا نقطه ماكزيمم مي باشد و ARIGHT منطقه جذب از نقطه جذبي ماكزيمم تا نقطه انتهاي جذب (شانه )مي باشد . مقادير برا ي Sاز صفر تا بي نهايت تغيير مي كند و مقدار يك براي S به معناي تقارن تركيب جذبي مي باشد.
تركيباتي كه در آنها منطقه دست چپ بزرگتر از دست راست است (تركيبات جذبي ، اريب به سمت طول موج طولاني تر )منجر به مقادير بزرگتر از يك در عدم تقارن مي شود .تركيباتي كه منطقه سمت چپ كوچكتر از منطقه سمت راست است (تركيبات جذبي اريب به سمت طول موج كوتاهتر ) منجر به مقادير بين صفر ويك در عدم تقارن خواهد شد .
(اوكادا و ايواشيتا۱۹۹۲) توليد موج مانندي بر روي تصاوير ماوراء طيفي مي كنند اگر چه الگوريتمهاي بسيار خوب مستند نشده اند .

 

تعريف پارامترباند جذبي آنگونه كه در بالا توضيح داده شد اطلاعات طيفي نسبتا مداومي را مرقوم مي كند كه اطلاعات بدست آمده از طيف مترهاي تصويري در يك مقدار بزرگ از باندهاي طيفي گسسته قرار دارد .
طيف آزمايشگاهي مانند ASD،۳۷۰۰GER از طيف مترهاي ميداني منتج مي شود و مي تواند مداوم در نظر گرفته شوند . و سايل تصوير بردار ي طيف را به چند ناحيه تقسيم مي كنند (۱۰ الي ۲۰ نانو متر عرض )باندها و نمونه طيفها هر كدام ۱۰ تا ۲۰ نانومتر هستند بنابر اين روابط ۲ و ۳ نيازمند تصوير برداري اطلاعات طيف متر مي باشد .
در اينجا ما يك روش تقريبي خطي ساده از پارامترهاي تركيب جذبي پيش نهاد مي كنيم .ما تمامي محاسبات را بر روي اطلاعات تصويري با استفاده از اسكريپتهايي كه مي توانند بر روي اپراتور رياضي باند بااستفاده از نرم افزار ENVI انجام داده ايم .

موقعيت طول موج مركز باند معمولا جهت محاسبات بيشتر استفاده مي شود بنابر اين فراهم آوردن موقعيت طول موج طيفي بر روي تعداي از موقعيتهاي طول موجي يك تركيب جذبي صورت مي گيرد .
براي تطبيق اين موضوع يك روش خطي ساده جهت محاسبه پارامترهاي تركيب جذبي از طريق اطلاعات تصويري پيشنهاد مي شود .
شكل ۲ به صورت گرافيكي اين روند را توضيح مي دهد .