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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.11.2019.tde-20032019-161925
Documento
Autor
Nome completo
Clécia Cristina Barbosa Guimarães
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2019
Orientador
Banca examinadora
Dematte, Jose Alexandre Melo (Presidente)
Azevedo, Antonio Carlos de
Bonfatti, Benito Roberto
Valladares, Gustavo Souza
Título em português
Intemperismo de solos e a energia eletromagnética sob a ótica de várias faixas do espectro (Gama, raios X, Vis, NIR, SWIR e MIR)
Palavras-chave em português
Espectroscopia
Intemperismo
Rochas magmáticas
Rochas sedimentares
Resumo em português
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.
Título em inglês
Weathering of soils and electromagnetic energy from various ranges of the spectrum (Gama, X-ray, Vis, NIR, SWIR and MIR)
Palavras-chave em inglês
Magmatic rocks
Sedimentary rocks
Spectroscopy
Weathering
Resumo em inglês
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.
 
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Data de Publicação
2019-04-01
 
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