FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
–
FATEC-SP
CURSO DE MATERIAIS, PROCESSOS E COMPONENTES
ELETRÔNICOS
FLÁVIA FERNANDA MARTINS PINTO
DATAÇÃO DE SEDIMENTOS QUATERNÁRIOS
SÃO PAULO
FLÁVIA FERNANDA MARTINS PINTO
DATAÇÃO DE SEDIMENTOS QUATERNÁRIOS
SÃO PAULO
2011
Agradecimentos
À Prof.ª Dra. Sonia Hatsue Tatumi, pela confiança, apoio e amizade durante todo trabalho.
Ao Prof.° Geraldo Villas Boas da Universidade Federal da Bahia, pelo fornecimento das amostras do litoral da Bahia.
Ao René, Lucas e Renato e à Prof.ª Sonia, pelo fornecimento das amostras do litoral do Maranhão.
Aos professores da FATEC-SP, pelos ensinamentos ao longo do curso. A FATEC-SP pelo espaço e equipamentos fornecidos às pesquisas.
À Katia e ao José pelo auxilio e orientação nas medidas de difração de raios-X.
Ao Elcio, René, Juan, Diego e Márcio pelo auxilio e orientação na utilização dos equipamentos TL/OSL Daybreak, TL/OSL RISO e detector de NaI(Tl).
Aos engenheiros do CTR-IPEN/CNEN, Elizabeth e Carlos, pela colaboração das irradiações com radiação-γ nas amostras.
Ao Thiago, René e Elcio pela amizade e dedicação durante o desenvolvimento desse trabalho.
Aos amigos do Laboratório de Vidros e Datação, pelo apoio e amizade em todos os momentos.
Ao CNPq pela bolsa de Iniciação Científica e pelo apoio financeiro na compra de materiais de consumo e viagens para congressos.
Aos meus amigos, Juliana, Claudio, Alessandro, Marcelo, Viviane, Hélio, Mari, Michele, Paula e Raquel pelo carinho e apoio.
Em especial, aos meus pais Elisabete e Valdemir, que são a razão da minha vida e sempre me apoiaram com seu amor incondicional, aos meus irmãos Ana, Gabriel e Miguel, por me proporcionarem momentos de companheirismo e felicidade, e aos meus tios, Mônica, Maria Cristina e João pelo apoio e carinho.
Sumário
1. Introdução ... 7
1.1. A Natureza Atômica da Matéria ... 7
1.2. Radioatividade ... 8
1.2.1. Radioatividade natural ... 9
1.2.2. Radioatividade artificial ... 9
1.2.3. Tipos de decaimento radioativo ... 10
1.2.4. Poder de penetração ... 10
1.3. O Processo de Ionização ... 11
1.4. Interações da radiação com a matéria ... 11
1.4.1. Espalhamento Compton ... 12
1.4.2. Efeito fotoelétrico ... 13
1.4.3. Produção de Pares ... 13
1.5. Cristalografia do quartzo ... 14
1.6. Defeitos em cristais iônicos ... 15
1.7. Modelos de Bandas de Energia ... 16
1.8. Processos de luminescência por absorção de partículas e fótons ... 17
1.9. O Mecanismo da LOE ... 18
2. Materiais e Métodos ... 23
2.1. Metodologia da Datação ... 23
2.2. Metodologia de Regeneração por Múltiplas Alíquotas – (Protocolo MAR) ... 23
2.3. Metodologias do Protocolo SAR. ... 24
2.4. Determinações da dose anual ... 26
2.5. Aparelho leitor de LOE/TL ... 27
2.6. Tratamentos Químicos ... 27
2.7. Difrações de Raios –X ... 28
2.8. Irradiação Gama ... 30
3. Resultados e discussão ... 31
3.1. Decaimento da LOE nas amostrasnaturais ... 31
3.2. Decaimentos da LOE nas amostras irradiadas ... 33
3.3. Curvas de crescimento padrão da LOE ... 35
3.4. Resultados protocolo SAR ... 37
3.5. Histogramas das Paleodoses ... 38
Resumo
Este projeto tem como objetivo aplicar a datação de luminescência de cristais em sedimentos coletados no litoral do Estado da Bahia e do Maranhão. As idades foram obtidas pelo método da Luminescência Opticamente Estimulada (LOE), empregando o protocolo de regeneração por múltiplas alíquotas (MAR) e depois o protocolo de dose regenerativa com alíquota única (SAR - Single Aliquot Regenerative), nos cristais de quartzo. Os sedimentos analisados foram coletados em tubos de PVC em diferentes profundidades: 50, 70, 100, 150 e 170 cm, a coleta das amostras da Bahia foi efetuada pelo geólogo Prof. Dr. Geraldo Vilas Boas da UFBA, e as amostras do Maranhão foram efetuadas pelo grupo de Datação e Luminescência de Cristais da FATEC-SP. As idades serão usadas para estimar as variações do nível do mar do local de estudo, estas por sua vez dependem das variações climáticas que ocorreram na região, porém este estudo será realizado pelos geólogos. Nas medidas de LOE foram usados cristais de quartzo que foram encontrados na amostra. Para a LOE de quartzo foi usado como agente de excitação luz azul (570nm) e o filtro de detecção será o U340 (que resulta em uma transmissão de (267-377,5 nm).
Com as medidas feitas foram construídos os gráficos de calibração para a determinação da Paleodose (P), que é a quantidade de dose acumulada no cristal.
7
1.
Introdução
1.1.
A Natureza Atômica da Matéria
Toda matéria é constituída de átomos, este pode ser definido como a estrutura elementar da matéria, sendo representado por um núcleo circundado de elétrons [1]. Desta forma, os elétrons circundam o núcleo em orbitas bem definidas, essa representação é chamada de modelo atômico de Bohr, representado na Figura 1.
Figura 1 – O modelo atômico de Bohr.
O núcleo é composto de partículas chamadas prótons e nêutrons, que se encontram fortemente ligados uns aos outros. Porém, o núcleo é muito pequeno, sua dimensão típica é da ordem de 10-14 m, mesmo assim, contém a maior parte da massa do átomo.
Cada próton possui carga positiva de 1,602x10-19 Coulomb. O número de prótons no núcleo de um átomo é chamado número atômico (Z) e é único para cada elemento. Desta forma, o número atômico é o indicador utilizado para caracterizar um átomo.
Já o nêutron tem carga elétrica total igual a zero e massa semelhante à do próton. Define-se também o número de massa (A), que representa a soma da quantidade de prótons e nêutrons existentes em um átomo.
Os elétrons são extremamente leves se comparados às partículas nucleares, pesam em torno de 1/1800 de uma partícula nuclear, possuem carga igual à do próton, porém negativa.
8 A quantidade de elétrons na camada mais externa (elétrons de valência) e o arranjo entre prótons, nêutrons e elétrons são o que determinam as características e propriedades dos diversos elementos.
Os elétrons podem se mover de uma camada para outra, em um processo chamado de transição. Nesse processo deve ser cedida energia ao elétron para que ele transacione para uma camada mais externa. No caminho inverso, para transacionar para uma camada mais interna, o elétron cede energia para o meio exterior em forma de radiação eletromagnética. [1] Enquanto o elétron estiver girando na mesma órbita, ele não emite nem absorve energia, Porém, ao saltar de uma órbita para outra, o elétron emite ou absorve urna quantidade bem definida de energia.
Recebendo energia (térmica, elétrica ou luminosa) do exterior, o elétron salta de uma órbita mais interna para outra mais externa. Entretanto, ao voltar de uma órbita mais externa para outra mais interna, o elétron emite um quantum de energia, na forma de luz ou outra radiação eletromagnética, como ultravioleta ou raios X.
1.2.
Radioatividade
A maioria dos átomos encontrados na natureza eletricamente neutra é estável quanto à sua estrutura.
Quando o arranjo nuclear apresenta um desequilíbrio, que geralmente envolve a relação entre a quantidade de prótons e nêutrons, pode ser que o núcleo elimine uma partícula ou uma energia em forma de radiação eletromagnética, para que esse núcleo alcance equilíbrio. Esse processo é chamado desintegração radioativa. O núcleo radioativo, após
emitir o “excesso” de energia, em geral muda de posição na tabela periódica, por isso, este processo é também chamado decaimento radioativo.
Portanto, a radioatividade pode ser definida como emissão de partículas e energia por um núcleo para que alcance a estabilidade, os átomos com núcleos instáveis são denominados radioisótopos.
9 atividade (Ʌ) de uma fonte radioativa, ou seja, é a velocidade de desintegração de uma fonte radioativa. Assim:
Atividade= Ʌ= =
[s-1]
(1)
No SI, a atividade é expressa em Bequerel (Bq), e 1Bq é igual a uma desintegração por segundo. Para fazer a caracterização de uma fonte radioativa, além da atividade, temos também o tempo de meia-vida (t1/2), ou seja, o intervalo de tempo em que a atividade de uma
amostra radioativa se reduz a metade.
O tempo de meia-vida é, em geral, expresso em qualquer unidade de tempo apropriada, ou seja, para fontes de meia-vida curta usa-se à hora, o minuto ou o segundo, já para as fontes de meia-vida longa, usa-se o mês. [1]
1.2.1.
Radioatividade natural
A radioatividade de origem natural ocorre de várias formas. As mais significativas são as que foram produzidas na formação do universo, há bilhões de anos, e permanecem importantes por causa do seu altíssimo t1/2,tais como o 40K (potássio), com t1/2=1,26 x 107
anos, o 232Th (tório), com t1/2=1,405 x 1010 anos, e o 235U (urânio), com t1/2=7,037 x 108 anos,
que estão espalhados pelo solo terrestre.
Materiais radioativos como o 14C (carbono) e o 3H (trítio) também são gerados naturalmente pela ação dos raios cósmicos na atmosfera. Os raios cósmicos são radiações provenientes do espaço exterior, principalmente do sol.
1.2.2.
Radioatividade artificial
10
1.2.3.
Tipos de decaimento radioativo
O núcleo radioativo para atingir a estabilidade emite partículas nucleares ou radiação eletromagnética. Os processos mais importantes pelos quais um átomo radioativo atinge a
estabilidade são chamados decaimento alfa (α), beta (β) e gama (γ). O núcleo original é
denominado pai e o resultante do processo de decaimento é chamado de núcleo filho.
No decaimento β o núcleo emite a partículas que são similares aos elétrons. Porém, podem ter carga positiva, chamada pósitrons (β+), ou negativas, chamada antineutrinas (β-). A emissão de β é um processo comum em núcleos de massa pequena ou intermediária, que possuem excesso de nêutrons ou prótons em relação à estrutura estável correspondente.
Já no decaimento α a emissão é constituída de dois prótons e dois nêutrons (que é
semelhante a um núcleo de hélio) e grande quantidade de energia. Em geral, os emissores α
têm Z elevados.
Quando um núcleo decai por emissão α ou β, geralmente ainda não atinge a
estabilidade, assim, emite também a energia excedente em forma de radiação eletromagnética,
a radiação γ.
Portanto, conhecendo-se o tempo de meia-vida e o tipo de emissão predominante é possível determinar qual é o elemento radioativo [1].
1.2.4.
Poder de penetração
As partículas alfa têm um alcance no ar inferior a 10 cm. São barradas, por exemplo, por papel, roupas e pela pele. Portanto, quando as partículas α são provenientes de uma fonte
externa ao organismo humano, praticamente não oferecem nenhum perigo para o organismo [1]. No entanto, como são constituídas por 2 prótons e 2 nêutrons, são altamente ionizantes, pois arrancam elétrons dos átomos e moléculas do meio, transformando-se em átomos de hélio. Desta forma, se a partícula alfa for proveniente de uma fonte interna ao organismo (o material radioativo for ingerido, inalado, absorvido pela pele ou ferimento), oferece sério perigo, pois a partícula alfa se move lentamente e causa muito mais ionização ao longo de seu trajeto.
Como as partículas β são constituídas de elétrons são bem mais leves e de maior
velocidade que as partículas α, elas penetram mais na matéria. Assim elas podem atravessar
11
é bem menor, a partícula β é cerca de 7000 vezes mais leve que a partícula α e tem velocidade
bem maior.
A penetrabilidade dos raios gama é muito maior, pois são ondas eletromagnéticas de
comprimento de onda (λ) muito pequeno. O alcance no ar é muito grande, em torno de 30 cm no solo. São barradas por placas de chumbo de 3 cm de espessura, seu poder de ionização também é muito grande.
1.3.
O Processo de Ionização
As radiações ionizantes existem no Planeta Terra desde a sua origem, sendo desta maneira um fenômeno natural.
Um átomo neutro é aquele que tem carga total neutra, ou seja, que tem Z elétrons. Entretanto, é possível retirar elétrons de um átomo neutro de modo que seja formado um par iônico em que o elétron represente o íon negativo e o restante do átomo, que passa a ter Z-1 elétrons, portanto, uma carga positiva a mais, o íon positivo.
Se a radiação incidente transportar energia igual ou superior à energia de ligação do elétron, o processo de ionização é passível de ocorrer, e a radiação é chamada ionizante. Assim, a radiação ionizante, seja eletromagnética ou corpuscular, é a radiação que possui a propriedade de, ao incidir em um meio, torná-los eletricamente carregados (ionização).
Os processos pelos quais um átomo é ionizado recebem nomes especiais para cada tipo de interação. Por exemplo, um fóton pode interagir com um elétron orbital mais externo ou com um elétron mais interno do átomo, pode ser desviado de sua trajetória ou transferir toda a sua energia no processo de ionização.
1.4.
Interações da radiação com a matéria
12 consideráveis de matéria sem sofrer interações. As principais interações que ocorrem na matéria com fótons de energias na faixa de poucos keV até dezenas de MeV são:
Espalhamento Compton, efeito fotoelétrico e a produção de pares. A probabilidade relativa da ocorrência destes três processos depende da energia dos raios- γ e do número
atômico do material absorvedor. [1]
1.4.1.
Espalhamento Compton
É a interação dos fótons com os elétrons das camadas mais externas dos átomos. Pode ocorrer com fótons de qualquer energia do espectro, mais provavelmente com os de energia média e maiores.
Nesse tipo de interação o fóton incidente transfere parte de sua energia para o elétron e muda de direção e, portanto, resulta em ionização do átomo.
Normalmente, o fóton espalhado e o elétron secundário têm a energia para produzir mais interações até perderem toda a energia, e em sua última interação o fóton espalhado provavelmente será absorvido. O elétron secundário possivelmente preencherá um vazio deixado em outro átomo por uma ionização anterior.
Em geral, a probabilidade de ocorrência do espalhamento Compton diminui com a energia (E) dos fótons por, aproximadamente, E-1. O fóton de raios-X pode ser espalhado de 0° a 180°, e a 0° não há transferência de energia transferida ao elétron na interação. Os fótons espalhados a 180° formam o que se chama de radiação retroespalhada (“backscattered radiation”).
13
1.4.2.
Efeito fotoelétrico
Caracteriza-se pelas interações que ocorrem com os elétrons das camadas mais internas do átomo, mas apenas se o fóton transportar mais energia que a energia de ligação do elétron. Desta forma, o fóton desaparece, pois transfere toda a sua energia para o elétron.
O elétron secundário é chamado fotoelétron. Após ocorrer o efeito fotoelétrico ocorre a emissão de radiação característica, que, nesse caso, é também chamada de radiação secundária. Em geral, o elétron secundário tem energia para produzir mais interações até perder toda a sua energia.
A probabilidade de ocorrência (secção de choque) é diretamente proporcional ao cubo do número atômico (Z3) do átomo e inversamente proporcional ao cubo da energia (E-3) do fóton.
Figura 3 – Efeito fotoelétrico.
1.4.3.
Produção de Pares
14 O fenômeno de produção de pares é um fenômeno de altas energias, onde os fótons estão na região dos raios X de grande energia ou nas regiões dos raios-γ. [2].
Figura 4 – Processo de produção de pares.
1.5.
Cristalografia do quartzo
O quartzo está presente em rochas que contêm excesso de sílica, como o granito, pegmatito, também ocorre em rochas metamórficas. Como o quartzo, é um dos minerais mais abundantes da crosta terrestre, cerca de 12%, este pode ser encontrado em grandes quantidades na forma de areia, no leito de rios e, sobre as praias.
Existem alguns tipos de arranjos geométricos para o quartzo, porém para o intuito da datação o interesse é no quartzo-α. A forma do quartzo alfa é romboédrica, e aparece de maneira regular, porém para o quartzo beta esse fato não ocorre.
Normalmente os cristais são prismáticos com faces do prisma estriadas horizontalmente. Como algumas faces dos cristais se desenvolvem melhor do que outras, desta forma, os cristais são formados irregularmente. Entretanto, os ângulos entre as faces permanecem constantes.
A coloração é o parâmetro empregado para classificar as variedades de quartzo natural. A maior parte dos cristais tem aspecto opaco devido às inclusões e fissuras internas, sendo denominado quartzo leitoso. O quartzo hialino ou cristal de rocha é incolor e possui grande transparência.
O quartzo é constituído de tetraedros de SiO2, aonde os oxigênios se fixam no vértice e
15
Figura 5 – Estrutura cristalográfica do quartzo.
O uso do quartzo na datação de objetos arqueológicos, cerâmicas e sedimentos é devido as suas propriedades físicas, como a absorção de radiações ionizantes, e também a emissão de luz, em resposta há algum estimulo externo, pelo aquecimento (termoluminescência) ou pela estimulação óptica (luminescência opticamente estimulada).
O quartzo possui também grande resistência química. À temperatura ambiente, ele é atacado somente pelo ácido fluorídrico.
1.6.
Defeitos em cristais iônicos
Em um cristal real, como os átomos estão em constantes movimentos, podem incorporar impurezas e a estrutura não obedece rigorosamente a sua rede cristalina, invariavelmente este apresentará pequenos defeitos ao longo da sua estrutura. Desta forma, o estudo sobre estes defeitos, torna-se importante para que possamos entender a interação da radiação ionizante com a matéria [4].
A coloração e as propriedades luminescentes de muitos cristais devem-se ao fato de que existem pequenas imperfeições (impurezas) em sua estrutura cristalina. Os defeitos cristalinos são classificados em pontuais, lineares e planares. Porém, o foco do nosso estudo está voltado para o primeiro tipo de defeito.
O defeito pontual mais simples é a lacuna, que corresponde a uma posição atômica na qual falta um átomo (Figura 6-a). As lacunas podem ser originadas durante a solidificação, como resultado de perturbações locais durante o crescimento dos cristais, ou podem ser criadas pelo escape do átomo causado por vibrações atômicas.
16 manter o balanço de cargas). As Lacunas e defeitos de Schottky favorecem a difusão, pois há maior mobilidade atômica (Figura 6-f).
O defeito de Frenkel envolve o deslocamento de um íon de sua normal e se move para o interior de um sítio intersticial (Figura 6-e), esses defeitos são comuns em empacotamentos poucos fechados, e normalmente envolve um cátion, pois como possui um menor tamanho, facilita o seu deslocamento.
Os defeitos intersticiais envolvem um átomo extra no interstício (do próprio cristal), este produz uma distorção no reticulado como mostra a (Figura 6-b). Porém, para que ocorram os defeitos substitucionais é necessário que haja um vazio (lacuna) na rede cristalina, para que este se movimente (Figura 6-c e d).
Figura 6 – Defeitos pontuais: (a) lacuna, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno, (d) átomo substitucional grande, (e) defeito de Frenkel, (f) defeito de chottky. Todos estes defeitos perturbam o “perfeito”
arranjo atômico dos átomos vizinhos.
1.7.
Modelos de Bandas de Energia
As bandas de energia ocorrem em sólidos, os níveis individuais dos átomos se superpõem em bandas de energia, a largura das bandas e a quantidade de estados ocupados em cada banda variam de material para material. São esses os parâmetros que determinam o comportamento em termos de condutividade elétrica do sólido. Dependendo da largura da banda proibida (BP) e da sua ocupação o material pode ser definido como condutor, isolante ou semicondutor.
17 valência (BV). Os elétrons da BV podem passar para a BC se esses receberem energia suficiente para vencer a barreira de potencial Eg.
Figura 7 – Modelo de diagrama de bandas.
1.8.
Processos de luminescência por absorção de partículas e fótons
Durante o período em que os cristais de quartzo ficam soterrados, eles acumulam energia que recebem de elementos radioativos presentes no solo, como 232Th, 235U, 238U,40K , além dos raios cósmicos em menor escala (~ 10% do total). Essa energia acumulada pode ser proporcional à concentração de cargas (elétrons e/ou lacunas) que ficam presas em “centros de aprisionamento”, na BP [4].
O elétron está associado ao seu núcleo por uma força eletrostática, quanto maior for à distância entre uma eletrosfera e o núcleo, menor será a energia retendo um elétron que a ocupa. O mesmo acontece entre a última das eletrosferas, a chamada BC e o nível de vácuo, onde o potencial formado pela carga do núcleo não tem mais influência. Portanto, não há estados, ou energias, possíveis para um elétron ocupar a BP num cristal perfeito e puro, ou seja, não apresenta outros elementos que provoquem uma alteração do potencial formado pela rede cristalina. Todavia os cristais analisados ou datados não são puros, pois sua formação é característica da região de onde foi retirado, sendo assim, depende dos eventos geológicos que a região sofreu e dos seus elementos. Esses elementos estão presentes na rede cristalina do cristal, alterando as suas características. Desta forma, há agora estados metaestáveis que o elétron pode ocupar na BP.
18 Sendo assim, maior será a quantidade de elétrons aprisionados. Essa explicação se baseia na suposição de que a concentração de armadilhas permanece constante ao longo dos anos. Mas sabe-se que há a possibilidade da criação de novos centros de aprisionamento com a irradiação com altas doses de radiação nuclear [5].
Desde a sua formação, o cristal é exposto a diversos agentes, como exposição à luz do sol, aquecimento do solo devido a queimadas etc. O aquecimento provoca vibrações na rede cristalina, e essas vibrações podem chegar a tal ponto que acabam ejetando elétrons de suas armadilhas. Do mesmo modo, a liberação de elétrons pode ocorrer pela absorção de um fóton. Os elétrons ejetados das suas armadilhas, tanto pela ação do calor como pela da luz, difundem pelo cristal até que um centro de recombinação seja encontrado, esse tempo gasto pela difusão, entre a liberação da armadilha e a recombinação, é muito curto, podendo ser considerado quase imediato.
Dependendo do tipo de centro com o qual o elétron se recombina, este poderá provocar a emissão de luz, ou Luminescência Opticamente Estimulada (LOE) caso tenha havido absorção de fótons de uma fonte qualquer. Os comprimentos de onda presentes na emissão são característicos dos centros de recombinação envolvidos no processo, e sua intensidade é proporcional ao número de elétrons aprisionados e, portanto, à energia acumulada que foi absorvida do fluxo de radiação nuclear.
1.9.
O Mecanismo da LOE
O método de determinação de doses equivalentes através da LOE foi introduzido por Huntley (1985). Este método obteve a sua crescente utilização devido ao fato da LOE possuir
um referencial, ou marco “zero”, mais facilmente atingível do que os métodos anteriores, baseados na TL de cristais, o que para datação de sedimentos cuja deposição se deu de maneira rápida e não uniforme com relação à exposição à luz solar, se consolida uma grande vantagem.
19 Existem vários modelos matemáticos que tentam expressar ou aproximar ao máximo, as funções das curvas de decaimento obtidas experimentalmente. As suposições são feitas com base nos conceitos da física que estuda os defeitos nas redes dos sólidos cristalinos. Exemplos de conceitos são: armadilhas rasas ou profundas, armadilhas de competição, centros de rearmadilhamento entre outros.
O modelo mais simples que se pode conceber para a curva de decaimento da LOE, como mostrado em [6], é aquele que considera uma armadilha e um centro (armadilha de buracos) como é ilustrado na Figura 8 abaixo:
Figura 8 – Modelo simples de uma armadilha / um centro (armadilha de buraco).
A maioria dos modelos para LOE admite o transporte de cargas opticamente excitadas através das bandas de energia, a fim de atingir os sítios de recombinação. Na Figura 8 acima, a luz estimula os elétrons aprisionados, de concentração n, dentro da banda de valência a uma taxa f, seguida pela recombinação com buracos aprisionados, de concentração m, produzindo LOE de intensidade ILOE. Com essas definições, a equação diferencial que descreve o fluxo de
cargas nc na BC, é:
dt dm dt dn dt
dnc
(2)
Que pode ser derivada da condição de neutralidade de cargas:
m n
20 Fazendo suposições de quase equilíbrio:
dt dm dt dn dt dnc ,
e ncn,m
E ignorando o reaprisionamento nós temos:
nf dt dm dt
dn
ILOE (4)
Sabendo que: fdt n dn nf dt
dn
Integrando ambos os lados da equação
fdtn dn n
n0
ft nnn
0 ln
ft n
n
ln ln 0
ft n n 0 ln
ft nn
0exp (5)
Como nf
dt dn
ILOE (4), substituindo (4) em (5) teremos:
ft f nILOE 0exp . (6)
21 Logo,
t I
ILOE 0exp (7)
Nesta equação, n0 é a concentração inicial de elétrons aprisionados no tempo t = 0; I0 é
a intensidade inicial da luminescência no tempo t = 0; e = 1/f = constante de decaimento. Pode-se observar uma relação direta na qual a intensidade inicial é diretamente proporcional à taxa de excitação e o decaimento da LOE com o tempo é uma exponencial simples. A taxa de excitação é dada pelo produto da intensidade de excitação Φ e a secção média de fotoionização (f = σΦ). Outro modelo matemático concebido para curva de decaimento da LOE com o tempo de exposição à fonte de excitação é aquele que considera dois tipos distintos de armadilhas ativas opticamente, podendo ser uma armadilha profunda ou uma de competição, conforme mostra a Figura 9.
Figura 9 – Modelo: armadilha de competição / armadilha profunda.
Para essas armadilhas temos respectivamente concentrações n1 e n2 e taxas de
excitação f1 e f2. Fazendo as mesmas hipóteses do caso anterior temos:
dt dn dt dn dt
dm 1 2
(8)
22
ft
n
n1 10exp 1 (9)
f t
nn2 20exp 2 (10)
Então,
2 20 1 10 2 2 20 1 110
exp
exp
exp
exp
t
I
t
I
t
f
f
n
t
f
f
n
I
LOE (11)Ou seja, a curva de decaimento da LOE é a soma de duas exponenciais.
Entretanto se a armadilha adicional é tanto opticamente quanto termicamente inativa, ela atua apenas como uma armadilha profunda, como visto na Figura 9. Neste caso a intensidade da LOE pode ser escrita da seguinte maneira:
dt dn ft f nILOE 10 exp 2 (12)
Onde,
2 2
22 nc N n A
dt
dn
(13)
Adotando a definição padrão, com uma suposição adicional de N2 >> n2, então:
2 2A
ncN constante (C). Assim simplificamos a equação 12 para.
ft C fn
ILOE 10 exp (14)
Nesta situação a LOE é reduzida na intensidade pelo grau de reaprisiomento dentro das armadilhas profundas. No limite, à medida que t tende ao infinito e nc tende a zero, C também tende a zero. Assim concluí-se que C é uma função que varia muito lentamente no tempo.
23
2.
Materiais e Métodos
2.1.
Metodologia da Datação
A datação tem como principio que a concentração de defeitos em uma amostra, induzidos por radiação natural, é proporcional a idade da mesma. Através das intensidades máximas da curva de decaimento da LOE, pode-se determinar uma concentração relativa desses defeitos, que por sua vez estão relacionados à dose de radiação natural em que a amostra foi submetida (Paleodose P), desde a sua última exposição à luz solar até o presente. Portanto, pode-se encontrar sua idade I através da razão entre a P (Gy) e a taxa de dose anual da radiação natural D + D + DRC(Gy/ano) do local em que a amostra se encontrava, isto é:
(15)
Onde D = dose gama, D = dose beta e DRC = dose da radiação cósmica.
2.2.
Metodologia de Regeneração por Múltiplas Alíquotas
–
(Protocolo
MAR)
O método utilizado para determinar as paleodoses dos sedimentos é o método da regeneração total, onde com a exceção de uma pequena porção para medida de LOE natural, todas as outras são sujeitas a exposição à radiação solar para retirar seu sinal de LOE natural
(“zeramento do sinal”), e então irradiadas artificialmente com radiação gama regenerando o crescimento da LOE. A P é o ponto de intersecção da reta da LOE natural com a curva de crescimento ou de calibração.
24
2.3.
Metodologias do Protocolo SAR.
Após as idades terem sido obtidas pelo protocolo MAR, as mesmas serão datadas sob novo procedimento de determinação das idades, para as amostras CAP-2, CAP-3 e CAP-4.
Para dar início ao protocolo SAR foi desenvolvido no laboratório uma metodologia nova onde é necessário confeccionar 20 pastilhas de cada amostra, cada uma composta de
“teflon” em pó e grãos de quartzo já tratados e selecionados por processos químicos e físicos.
Sendo assim, pesou-se vinte porções contendo de 0, 820 a 0, 825 mg de “teflon” e mais vinte porções contendo de 7,5 a 10 mg de cristais de quartzo para cada amostra em uma balança analítica da marca Shimadzu modelo AY220. Em seguida, foi realizado o procedimento de prensagem, utilizando-se para isto, o molde “pastilhador”.
Para prensar o “teflon” e o quartzo fixou-se primeiramente a Matriz contra a Base através dos parafusos de aperto (Figura 10). Desta forma, uma porção de “teflon” é colocada
no furo central da matriz, e em seguida coloca-se uma pequena porção de cristais de quartzo. Com auxílio da punção e o conjunto do molde montado, foi feito a prensagem da pastilha, colocando o mesmo em uma prensa de bancada da marca Ribeiro do seguinte modelo: 3680016 – 15 Toneladas. Para a prensagem, foi utilizada uma carga de aproximadamente 500 Kg.
Figura 10 – Detalhamento do molde
O procedimento de prensagem foi repetido para cada uma das 20 pastilhas de cada uma das três amostras, totalizando no final, 60 pastilhas. Cada pastilha foi identificada com relação à amostra ao qual pertencia, e ao número do compartimento que iria ocupar na leitora da Daybreak Nuclear System Inc, que é o equipamento utilizado para medir o decaimento da LOE.
25 contagem para cada canal.
Depois de medir os sinais naturais da LOE, as pastilhas foram expostas à luz branca, por cerca de 2 horas, para as amostras do litoral da Bahia. Este procedimento tem como
objetivo “zerar” o sinal LOE. Em seguida, as pastilhas foram colocadas em envelopes de papel seda, postas dentro de placas de acrílico, protegidas por filmes vermelho e lacradas com fita adesiva. As placas são necessárias para se obter o equilíbrio eletrônico das cargas no interior das amostras. Durante todo o percurso, as amostras foram protegidas da luz branca.
Com base nos valores de P (Gy) obtidos através do protocolo MAR, foi estimado às diferentes doses de radiação- com uma fonte de 60Co do CNEN-IPEN-SP. Posteriormente, com as amostras já irradiadas, para efetuar as medidas da LOE foi utilizado um tratamento
térmico a 230˚C durante 10 segundos para eliminar a luminescência oriunda de elétrons
aprisionados em armadilhas rasas e instáveis.
Para realizar as medidas das pastilhas irradiadas, foram feitas as medidas das intensidades dos sinais de LOE para cada pastilha. Para esse procedimento utilizou-se novamente, uma leitora Daybreak Nuclear System Inc, lembrando que todos acessórios e parâmetros adotados, são idênticos ao descrito anteriormente para a medição do sinal natural de LOE das amostras.
Ao término das medições, uma nova etapa de exposição à luz solar foi realizada, esse processo é repetido para as doses de 0,5; 1 e 2 Gy, incluindo as posteriores repetições da dose teste (0,5 Gy), como mostra o esquema a seguir:
1. Medida da LOE natural, Ln
2. Irradiação com dose teste 3. Tratamento térmico de 230oC 4. Medida da LOE teste, Dt
5. Irradiação com dose regenerativa 6. Tratamento térmico de 230oC 7. Medida da LOE regenerativa, Lr1
8. Irradiação com dose teste 9. Tratamento térmico de 230oC 10.Medida da LOE teste, T1
26 Depois de finalizado o ciclo de irradiações seguidos das medições do decaimento da LOE para as doses de laboratório, os dados foram transferidos do programa de controle da
Daybreak para os seguintes “softwares”: Origin, versão 7.0 e Excel 2003. Neste foram
calculadas as 20 intensidades máximas da curva de decaimento da LOE (uma para cada pastilha de cada amostra). Com os valores medidos de Dt, são calculadas as razões entre as
doses pré-determinadas de laboratório e as mesmas, bem como entre a dose natural e a primeira Dt. Portanto, pode-se dizer que no protocolo SAR as alíquotas entram em um ciclo.
Entretanto para as amostras E0 e E1, o procedimento de confecção de pastilhas não foi efetuado, para essas amostras utilizamos o leitor (RISO TL/OSL-DA-15), é um leitor de luminescência de nova geração.
O equipamento permite a medição automática de termoluminescência e luminescência opticamente estimulada. O sistema permite até 48 amostras a serem:
1) individualmente aquecidas a qualquer temperatura, da temperatura ambiente até 700 °C;
2) individualmente irradiadas por fonte de radiação beta (90Sr/90Y);
3) opticamente estimuladas usando duas fontes diferentes de luz (Led de infra-vermelho ou azul).
2.4.
Determinações da dose anual
A LOE é induzida em grande parte pelas radiações nucleares emitidas pelos elementos radioativos 232Th, 235U, 238U,40K e radiações cósmicas, este último geralmente tem contribuição pequena [5].
Na desintegração dos elementos radioativos temos a emissão da radiação- , partícula-
β e α. A radiação- tem uma eficiência maior de ionização e pode penetrar na matéria até uma profundidade de aproximadamente 30 cm no solo.
O alcance da partícula-β nos sólidos depende de sua energia, esse alcance médio para
elétrons é de poucas centenas de keV, podendo penetrar no solo de 1 a 4 mm. Assim, o efeito da partícula-β, num ponto do cristal é devido às fontes beta localizada dentro da esfera de raio
igual ao alcance.
As partículas-α são emitidas pelas séries 232Th, 235U, 238U,40K, e o seu poder de
27 grão, que é removida com ácido fluorídrico, para que a contribuição dessa partícula possa ser desprezada.
Os raios cósmicos primários são constituídos predominantemente por prótons de altas energias, e uma mistura de núcleos com massa atômica muito grande. Sua energia média é em torno de GeV e no intervalo de altas energias a intensidade de seu espectro diminui consideravelmente.
Os radioisótopos naturais foram medidos por espectroscopia gama, com um detector de NaI(Tl) da Canberra e as amostras de solo padrões utilizadas foram JR-1, JG-1a, JB-3 e JG-3.
2.5.
Aparelho leitor de LOE/TL
O aparelho utilizado para as medidas de TL/LOE é uma TL/OSL Daybreak modelo 1100 Automated TL/OSL System.
Para as medidas de LOE as amostras são colocadas em porta- amostras. A LOE é, então, captada por um tubo fotomultiplicador que está ligado a uma fonte de alta tensão. Os fótons são atraídos pelos dinodos que compõe o tubo, quando os elétrons atingem os dinodos este libera uma quantidade maior de elétrons que é atraída para o próximo dinodo, formando assim uma cascata que se converte em uma pequena corrente, que é coletada e tratada eletricamente através de circuitos eletrônicos de amplificação. O sinal analógico final convertido em digital, por uma placa AD, que é transmitido para o computador, e este converte todos os dados em gráficos.
Para a LOE utilizou-se o filtro: óptico modelo U-340 (que resulta em uma transmissão de (267-377,5nm) que foi colocado antes da fotomultiplicadora, a luz utilizada para estimular as amostras é o LED azul.
Para realizar as medidas, as amostras foram colocadas em pequenos discos de alumínio, de aproximadamente 0,8 cm de diâmetro.
2.6.
Tratamentos Químicos
Todos os sedimentos foram primeiramente imersos em água oxigenada (H2O2) para
28 outro recipiente limpo.
Depois os sedimentos foram imersos em ácido fluorídrico (HF) 24% por 1 hora, para eliminação de carbonatos, feldspatos e a retirada de uma camada fina dos grãos de quartzo, evitando assim a ionização por partícula-alfa, que atuam somente na superfície do grão, dessa maneira a partícula-alfa não influencia no valor da dose acumulada, após o tempo citado a amostra foi enxaguada cinco vezes com água destilada e colocada em um recipiente limpo.
Posteriormente foram submersos em ácido clorídrico (HCl) 10% por 1 hora para eliminação de fluoretos e também foi enxaguada com água destilada.
Após esse procedimento foram selecionados grãos, através do peneiramento, com o diâmetro de 80-175µm com o auxílio de duas peneiras. Depois de secas, foi feito o controle da limpeza das amostras através da observação por microscópio óptico, e foram observadas impurezas (incrustações de óxido de ferro e minerais pesados) que ainda restaram entre os grãos de quartzo, para eliminar esses vestígios na amostra utiliza-se o método com líquido pesado Politungstato de Sódio, com densidade do líquido é de 2,75 g/cm3. Desta forma, coloca-se o líquido em uma ampola de decantação e despeja-se a amostra, toda a matéria densa deposita-se no fundo do recipiente e o quartzo fica na superfície, esse processo leva aproximadamente 30 minutos, em seguida abre-se a ampola de decantação para que as impurezas possam sair, ficando apenas o quartzo que é enxaguado em água destilada para eliminar vestígios do Politungstato de Sódio.
As amostras foram analisadas através de um microscópio óptico e observou-se que o aspecto do quartzo era leitoso, a cor branca é causada por inclusões de bolhas minúsculas de gás e/ou água. Portanto, as amostras foram submetidas novamente ao ataque químico com ácido clorídrico (HCl) 10% por 1 hora, com o auxilio de um agitador magnético com
temperatura de ≈50˚C. Portanto, desta forma os cristais foram analisados novamente no microscópio óptico, e apresentaram cristais mais uniformes e translúcidos.
2.7.
Difrações de Raios
–
X
29 alterar o ângulo de incidência do feixe de raios-X. Os raios-X desse equipamento são
provenientes da banda Kα de uma fonte de Cu. Após as medidas, os difratogramas das amostras foram comparados com os difratogramas padrões do quartzo alfa e do feldspato, os gráficos são demonstrados a seguir:
20 40 60 80 100
0 5000 10000 15000 20000
CAP-2 CAP-3 CAP-4 Quartzo-alfa
In
te
ns
id
ad
e
(u
.a
)
Figura 11 – Difração de Raios-X das amostras CAP-2, CAP-3 e CAP-4 limpas comparadas com o quartzo alfa.
10 20 30 40 50 60
0 5000 10000 15000 20000 25000
E0 E1
2
quarto-alfa
In
te
ns
id
ad
e
(u
.a
.)
Figura 12 – Difração de Raios-X das amostras E0 e E1 limpas, comparadas com o quartzo alfa.
30 feldspato foi possível observar que os espectros ficaram muito discrepantes. Após a análise de difração foram feitas medidas da LOE natural, seguindo a metodologia do protocolo SAR, foram confeccionadas 20 pastilhas de cada amostra, cada uma composta de “teflon” em pó e
grãos de quartzo já tratados e selecionados por processos químicos e físicos.
2.8.
Irradiação Gama
Após os sedimentos serem submetidos ao tratamento químico, uma parte da amostra foi separada para realizar a medida da LOE natural e outra foi separada e exposta à luz solar por uma semana (amostras Bahia), e três dias (amostras Maranhão) para “zerar” seu sinal
natural [4], ou seja, liberar a energia acumulada durante os anos. As amostras foram irradiadas com uma fonte de cobalto-60 nas seguintes doses de 0,5; 1; 2 Gy, em seguida foi utilizado um tratamento térmico a 230˚C durante 10 segundos para eliminar a luminescência oriunda de
elétrons aprisionados em armadilhas rasas e instáveis.
31
3.
Resultados e discussão
3.1.
Decaimento da LOE nas amostras
naturais
As curvas de decaimento naturais das amostras com profundidade de 50, 100 e 150 cm do litoral da Bahia (CAP-2, CAP-3 e CAP-4), e as do litoral do Maranhão de 70 e 170 cm (E0 e E1), serão mostradas nas Figuras 13 a 17.
0 20 40 60 80 100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
In
te
n
si
d
ad
e
L
O
E
Tempo(s)
cap-2
Figura 13 – Decaimento da LOE para amostra CAP-2 natural.
0 10 20 30 40
0 200 400 600 800 1000
In
te
n
si
d
ad
e
L
O
E
Tempo(s)
cap-3
32
0 10 20 30 40
0 200 400 600 800 1000 1200
In
te
n
si
d
ad
e
L
O
E
Tempo(s)
cap-4
Figura 15 – Decaimento da LOE para amostra CAP-4 natural.
0 10 20 30 40 50
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
In
te
ns
id
ad
e
L
O
E
Tempo (s)
E0
33
0 10 20 30 40
0 2000 4000 6000 8000
In
te
ns
id
ad
e
L
O
E
Tempo (s)
E1
Figura 17 – Decaimento da LOE para amostra E1 natural.
Seguindo a mesma seqüência, as amostras CAP-2, CAP-3, CAP-4 apresentaram valores de intensidades luminescentes menores que as amostras E0 e E1, que exibiram maior luminescência. Isto se deve ao fato das amostras serem de regiões diferentes, onde as primeiras são do litoral da Bahia, e as últimas são do litoral do Maranhão, ou seja, cada grupo de amostras possui características distintas. Posteriormente, todas as amostras foram irradiadas com o intuito de construir as curvas de calibração para a determinação da Paleodose.
3.2.
Decaimentos da LOE nas amostras irradiadas
34
0 10 20 30 40 50
0 500 1000 1500 2000 2500 In te n si d ad e L O E Tempo (s) natural 0.5 Gy 1 Gy 2 Gy Amostra CAP-4
Figura 18 –Decaimento da LOE para a amostra CAP-4 irradiada com doses 0,5; 1 e 2 Gy.
0 10 20 30 40
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 In te ns id ad e L O E Tempo (s) natural 30 Gy 65 Gy 85 Gy 115 Gy Amostra E1
Figura 19 –Decaimento da LOE para a amostra E1 irradiada com doses 30, 65, 85 e 115 Gy.
35
3.3.
Curvas de crescimento padrão da LOE
A seguir estão apresentadas as respectivas curvas de calibrações para cada amostra.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 L u m in es cê n ci a (f ot on /c an al ) Dose (Gy)
Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0,99296
Value Standard Error C1 Intercept 0,01103 4,99941 C1 Slope 1149,0367 172,76729
P=0,86
Figura 20 – Curvas de crescimento da LOE em função da dose para amostra CAP-2.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 L u m in es cê n ci a (f ot on s/ ca n al ) Dose (Gy)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0,96978
Value Standard Error
C1 Intercept 0,24804 4,99686
C1 Slope 804,95327 70,6284
P=0,81
36
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0 500 1000 1500 2000 2500 L u m in es cê n ci a (f ot on /c an al ) Dose (Gy)
Equation y = a + Adj. R-Sq 0,9765
Value Standard C1 Interce -0,1537 4,99846 C1 Slope 986,89 97,87782
P=0,57
Figura 22 – Curvas de crescimento da LOE em função da dose para amostra CAP-4.
0 20 40 60 80 100
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 L um in es cê nc ia ( fo to n/ ca na l) Dose (Gy)
Equation y = a*(1 - exp(-b*x)) Adj. R-Squar 0,99953
Value Standard Err B a 10629,3519 680,5185 B b 0,01366 0,00132
P=65 Gy Amostra E1
37
0 2 4 6 8 10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 L um in es cê nc ia ( fo to n/ ca na l) Dose (Gy)
Equation y = a*(1 - exp(-b*x)) Adj. R-Squar 0,99676
Value Standard Erro B a 5453,0393 2368,39611 B b 0,04039 0,02131
P= 5.95 Gy
Amostra E0
Figura 24 – Curvas de crescimento da LOE em função da dose para amostra CAP-4.
As curvas de crescimento LOE, foram confeccionadas a partir das intensidades máximas e os seus respectivos desvios padrões, do decaimento LOE, a partir desses parâmetros são feitos os ajustes de acordo com cada curva de calibração sobre todas as doses, a linha horizontal representam a dose natural, e a intersecção com a reta ajustada, nos fornece os valores de P, isto é, a dose acumulada na amostra desde seu soterramento. As amostras CAP-2, CAP-3 e CAP-4 apresentaram valores de P baixos, ou seja, teoricamente isso indica que essas amostras sedimentares são novas, a região com esse perfil sofreu um processo de deposição rápido. Entretanto, a amostra CAP-4 apresentou um valor de P menor que o esperado, por estar na profundidade maior (1,5m), a única explicação para este fato é o da amostra ter sofrido exposição a luz branca ou queima antes de ser datada, isso foi esclarecido com os resultados encontrados por SAR. Já as amostras E0 e E1, exibiram valores de P superiores, indicando um processo de sedimentação mais antigo.
3.4.
Resultados protocolo SAR
38 utilizado um tratamento térmico a 230˚C durante 10 segundos para eliminar a luminescência
oriunda de elétrons aprisionados em armadilhas rasas e instáveis.
Segundo MCKEEVER [5], as curvas de crescimento da LOE em função da dose se comportam de maneira linear para doses baixas (até cerca de 30 Gy), e de maneira sublinear para doses mais altas. Desta forma, uma vez que as paleodoses obtidas para as amostras se encontram na região de crescimento linear, todos os ajustes da curva de calibração realizados foram lineares para as amostras CAP-2, CAP-3 e CAP-4, os valores de P obtidos para as 20 pastilhas de cada amostra são mostrados na Tabela 1.
3.5.
Histogramas das Paleodoses
Tabela 1 – Valores de P para cada pastilha.
Nº da
pastilha CAP-2 Paleodoses (Gy) CAP-3 Paleodoses (Gy) CAP-4 Paleodoses (Gy)
1 0,76 1,7 0,4
2 0,79 0,81 1
3 0,86 0,5 0,1
4 0,9 1,2 0,67
5 0,7 0,75 1
6 0,77 0,48 0,4
7 0,55 0,52 0,32
8 0,76 0,74 1
9 0,66 0,54 0,54
10 0,91 1,14 0,47
11 0,85 0,64 0,86
12 0,91 1,07 0,2
13 0,69 1,7 0,33
14 0,97 0,7 1,2
15 1 1,8 0,32
16 0,43 0,87 1,3
17 0,59 0,6 0,3
18 1,2 1,4 1,5
9 0,89 1,2 0,86
20 0,72 1,3 1
39 distribuições das paleodoses. Para cada histograma foi ajustada uma gaussiana, onde o valor central da mesma é tido como sendo o valor da idade mais provável. Entretanto, para as amostras CAP-4 e E1, foram ajustadas duas gaussianas. Devemos lembrar, que para as amostras E0 e E1, não foi necessário confeccionar as pastilhas de teflon para dar estabilidade mecânica, porque estas amostras foram medidas no leitor RISO, onde é necessária apenas uma quantidade pequena de massa para cada alíquota, e como esse tipo de leitor mede, irradia e aquece, não há a necessidade de pastilhas.
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
0 1 2 3 4 5
6 CAP-2
F
re
qu
ên
ci
a
Paleodose (Gy)
P=0,77
Figura 25 – Histograma de distribuição das Paleodoses (amostra CAP-2).
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
0 1 2 3 4 5
F
re
qu
ên
ci
a
Paleodose (Gy)
CAP-3
P=0,76
40
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0 1 2 3 4 5 6
F
re
qu
ên
ci
a
Paleodose (Gy)
CAP-4
P=1,08
P=0,37
Figura 27 – Histograma de distribuição das Paleodoses (amostra CAP-4).
19 20 21 22 23
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
F
re
qu
ên
ci
a
Paleodose (s)
E0
P= 20.7
41
260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 0,0
0,5 1,0 1,5 2,0
F
re
qu
ên
ci
a
Paleodose (s)
E1 P=336.5 P= 452.5
Figura 29 – Histograma de distribuição das Paleodoses (amostra E1).
Para a amostra CAP-2 foi possível ajustar à gaussiana no histograma de distribuição de paleodoses, fornecendo um valor P=0,77 Gy valor central. Na amostra CAP-3 foi ajustada uma gaussiana com valor central de P=0,76 Gy, e na amostra E0 foi ajustada uma gaussiana com valor central de P= 20,7 segundos que convertido em Gy equivale a P=1.8 Gy, essa conversão é necessária, pois os dados obtidos na RISO são fornecidos em segundos. Entretanto, na amostra CAP-4 foram ajustadas duas gaussianas devido à distribuição que não permitiu o ajuste de apenas uma. Os dois valores centrais obtidos nos dois picos são considerados como sendo dois valores mais prováveis, P=1,08 Gy e P=0,37 Gy, o mesmo aconteceu para a amostra E1, que obteve os valores já convertidos de segundos para Gy dois de P= 30 Gy e P= 40.3 Gy.
42
3.6.
Cálculos e obtenção da Dose Anual e Idade para cada amostra
Com os valores obtidos de P para cada amostra foi calculada as suas respectivas idades. Lembrando que o cálculo da idade I é obtido através da razão entre a P (Gy) e a taxa de dose anual da radiação natural D + D + DRC (Gy/ano) do local em que a amostra se
encontrava, serão demonstrados a seguir:
Tabela 2 – Energia Padrão, Nº de contagens de cada isótopo radioativo, massa e tempo.
Amostra: CAP-2
Energia Padrão (keV) Nº de contagens/canal
Th 234,2 273
Ur1 286,10 153
Ur2 343,1 137
K 1460 12
Massa (g) 91,2211
Tempo (s) 42730,11
Tabela 3 – Energia Padrão, Nº de contagens de cada isótopo radioativo, massa e tempo.
Amostra: CAP-3
Energia Padrão (keV) Nº de contagens/canal
Th 234,2 289
Ur1 286,10 164
Ur2 343,1 132
K 1460 13
Massa (g) 96,9759
Tempo (s) 42626,83
Tabela 4 – Energia Padrão, Nº de contagens de cada isótopo radioativo, massa e tempo.
Amostra: CAP-4
Energia Padrão (keV) Nº de contagens/canal
Th 234,2 249
Ur1 286,10 157
Ur2 343,1 135
K 1460 8
Massa (g) 91,7192
43
Tabela 5 – Energia Padrão, Nº de contagens de cada isótopo radioativo, massa e tempo.
Amostra: E0
Energia Padrão (keV) Nº de contagens/canal
Th 234,2 306
Ur1 286 188
Ur2 346 146
K 1460 13
Massa (g) 92,3330
Tempo (s) 46810,74
Tabela 6 – Energia Padrão, Nº de contagens de cada isótopo radioativo, massa e tempo.
Amostra: E1
Energia Padrão (keV) Nº de contagens/canal
Th 234,2 256
Ur1 286 165
Ur2 346 83
K 1460 5
Massa (g) 67,8872
Tempo (s) 37673.04
Tabela 7 –Valores de contagem do “Background”.
Amostra:
Energia Padrão Nº de contagens
Th 238,88 1543
Ur1 295,40 989
Ur2 352,04 796
Ur3 1120,29 164
K 1460,78 115
Ur4 1764,70 63
Tl 2620,00 15
Massa (g) -
Tempo (s) 345600
Com os valores obtidos foi calculado o valor x que é dado pela seguinte expressão para cada pico em cada amostra:
44 X é dado em (Ct / h.g) para cada pico de cada amostra;
Cti é o valor da contagem para cada pico de cada amostra;
CtBG é o valor da contagem para cada pico do background do medidor; ti = é o tempo de contagem de cada amostra [s];
tBG = é o tempo de contagem do background [s]; m = massa de cada amostra [g].
Tabela 8 – Valores de xi obtidos.
AMOSTRAS 234,2 Kev (Th) 286,1 Kev (U1) 343,1 Kev (U2) Kev (K) 1460,0
CAP-2 0, 0745 0, 0356 0, 0283 0
CAP-3 0, 0856 0, 0361 0, 0295 0
CAP-4 0, 0732 0, 0471 0, 0466 0
E0 2,25E-05 1,26E-05 0,88E-05 0
E1 3.43E-05 2,24E-05 0 0
Tabela 9 – Valores dos coeficientes A e de suas respectivas incertezas do ajuste das retas (y = A+B.x, com A = 0), de calibração dos diferentes picos.
Pico (Kev) Coeficiente B Incerteza
234,2 (Th) 4,05E-02 2,07E-03
286,1 (U1) 4,46E-02 3,08E-03
343,1 (U2) 4,58E-02 2,86E-03
1460(K) 0,35E-02 0,11E-03
Com os valores do coeficiente A das retas de calibração, sua respectiva incerteza e cada valor de x, é possível determinar através de interpolação, a concentração dos isótopos radioativos contidos nas amostras. A interpolação é feita utilizando a seguinte equação:
i i i
A x
C
(17)
Onde Ci é a concentração de cada isótopo medido contido na amostra. A concentração
é dada em [%] para o K, e em [ppm] para o U e Th.
45 incerteza da concentração obtida para os diversos isótopos contidos nas amostras.
Para o cálculo da incerteza ou do desvio padrão as seguintes equações foram utilizadas.
i i
i
i C
A A
C
(18)
Onde:
= incerteza de determinado parâmetro;
Ci = Concentração dos Isótopos em [ppm] ou [%]; Ai = Coeficiente angular da reta de Calibração.
OBS: Como para o K e o Th é apenas utilizado um pico, não há cálculo da concentração média.
Tabela 10 - Valores das concentrações médias e de suas respectivas incertezas.
Amostra Elemento Concentração Incerteza
CAP-2
K (%) 0 0
U (ppm) 0,71
Th (ppm) 1,84
CAP-3
K (%) 0 0
U (ppm) 0,72
Th (ppm) 2,11 1
CAP-4
K (%) 0 0
U (ppm) 1,04 3
Th (ppm) 1,81
E0
K (%) 0 0
U (ppm) 0,84
Th (ppm) 2
E1
K (%) 0 0
U (ppm) 1,32
46 Com os valores das prováveis concentrações e de suas respectivas incertezas, foi calculada a parcela anual de contribuição anual da radiação beta e gama (ver Tabela 11), de cada elemento em cada amostra. Para este cálculo foi utilizada a seguinte equação:
C C
CA (19)
Onde:
CA = Contribuição anual de cada isótopo [Gy/anos]; C = Concentração de cada isótopos [ppm] ou [%];
= Taxa de dose efetiva devido à radiação Beta (Tabela 9) [Gy/anos]; = Taxa de dose efetiva devido à radiação Gama (Tabela 9) [Gy/anos].
Tabela 11 – Valores das taxas de dose efetiva para os diferentes isótopos contidos nas amostras. [8]
ELEMENTO CONCENTRAÇÃO CONTRIBUIÇÕES CONSTANTES
BETA GAMA
POTÁSSIO 1% 0.000782 0.000243
TÓRIO 3 ppm 0.000082 0.000143
URÂNIO 1 ppm 0.000145 0.000113
OBS: A contribuição anual devido à radiação alfa não necessitou ser calculada, pois a mesma foi retirada no tratamento químico com HF.
Tabela 12 – Valores da Contribuição anual dos isótopos radiativos presentes nas amostras.
Amostra Contribuição do U (Gy/anos) Contribuição do Th (Gy/anos)
CAP-2 0, 00110 0, 000413
CAP-3 0, 000185 0, 000475
CAP-4 0, 000267 0, 000407
E0 0, 00022 0, 00045
E1 0, 00034 0, 00068
47 Para o cálculo da radiação cósmica foi utilizado à seguinte equação:
(20)
Onde:
ө= latitude do local de estudo.
ϕ=longitude do local de estudo.
Tabela 13 - Profundidade das amostras, latitude e longitude das mesmas.
AMOSTRA PROFUNDIDADE (m) LATITUDE LONGITUDE
CAP-2 0,5 S 11°39'29,9" w 37°28’52,9”
CAP-3 1 S 11°39'29,9" w 37°28'52,9" CAP-4 1,5 S 11°39'29,9" w 37°28'52,9"
A partir dos resultados de cada λ obtidos pela equação 20, foi possível conferir no gráfico os valores de F, J e H [6], que posteriormente foram utilizados na equação a seguir:
(21)
Onde:
Do= constante (0,21) [6];
F, J e H são dados extraídos do gráfico da literatura [6]; h= é a profundidade da amostra (km).
Tabela 14 - Valores das radiações cósmicas para cada amostra.
Amostra DRC (µGy /ano)
CAP-2 194
CAP-3 180
CAP-4 153
48 no ano de 2010 pelo detector de NaI(Tl), a concentração foi de aproximadamente(0,26±0,05) mGy /ano. Com o valor da contribuição anual de cada elemento calculado, foi somado a estes o valor da contribuição anual devido à radiação cósmica, O valor final obtido da Dose anual de cada amostra é mostrado na Tabela 15 abaixo:
Tabela 15 – Valor da dose anual calculado para cada amostra.
Amostra Dose anual (mGy/ anos)
CAP-2 1,71 ± 0,11
CAP-3 0,84 ±0,11
CAP-4 0,83 ± 0,06
E0 0,93 ± 0,15
E1 1,28 ± 0,34
A concentração de dose anual diminui com a profundidade, desta forma é necessário subtrair 14% a cada metro que o sedimento se encontra [8]. Através dos valores obtidos da dose anual, da paleodose, foi possível calcular as idades das amostras utilizando o protocolo SAR, que pode ser observado na Tabela 16.
Tabela 16- Valores da Paleodose, Dose Anual e a idade para cada amostra, protocolo SAR.
AMOSTRA PROFUNDIDADE (m) P(Gy) DOSE ANUAL (mGy/ano) IDADE (anos)
CAP-2 0,5 0,77 (1, 71±0,11) 500
CAP-3 1 0,76 (0, 84±0,11) 900
CAP-4 1,5 1,08 (0, 83±0,06) 1300
CAP-4 1,5 0,37 (0, 83±0,06) 400
E0 0,7 1.8 (0,93 ± 0,15) 2000
E1 1,7 30 (1,28 ± 0,34) 23000
E1 1,7 40,3 (1,28 ± 0,34) 31000
49
Tabela 17 – Valores da Paleodose, Dose Anual e a idade para cada amostra, protocolo MAR.
AMOSTRA PROFUNDIDADE (m) MAR P (Gy) DOSE ANUAL (mGy/ano) IDADE MAR
(anos)
CAP-2 0,5 0,86 (1, 71±0,110) 500
CAP-3 1 0,81 (0, 84±0,114) 900
CAP-4 1,5 0,57 (0, 83±0,060) 700
E0 0,7 5,95 (0,93 ± 0,150) 6000
E1 1,7 65 (1,28 ± 0,340) 50000
3.7.
Testes para validar o protocolo SAR
Para validarmos o protocolo SAR, são efetuados três testes que comprovam sua eficácia [8]. Na Figura 30, é possível verificar o resultado do teste de recuperação do sinal natural, indicando que no ciclo de medidas e irradiações, não fique nenhum sinal residual, ou seja, a última razão (R4 - sem dose) dividida pela razão natural deve ser menor do que 5% para que o teste seja válido. No nosso caso fizemos o teste com a amostra CAP-2 e obtivemos aproximadamente 2%.
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8
10 CAP-2
F
re
qu
ên
ci
a
Dose (Gy)
2.01
Figura 30 – Teste de Recuperação do sinal natural da amostra CAP-2 (R4/RN<5%)
50 No último teste, mostrado na Figura 32, foi aplicado o teste de reciclagem na amostra CAP-2,
onde (R5/R1≈1), garantindo que os cristais que compõe as alíquotas têm as respostas LOE constantes, em função da dose, mesmo sendo reutilizados diversas vezes.
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0
1 2 3 4 5 6 7
CAP-2
F
re
qu
ên
cia
Dose (Gy)
0,95Gy
Figura 31 – Teste de Recuperação da dose de 1 Gy da amostra CAP-2
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
CAP-2
F
re
qu
ên
ci
a
Dose (Gy)
0,97 Gy
51
4.
Conclusão
Como discutido anteriormente para todas as amostras foram possíveis ajustar à gaussiana nos histogramas de distribuições das paleodoses, fornecendo um valor P=0,95 Gy para amostra CAP-2, e P=0,76 Gy para amostra CAP-3. Entretanto, na amostra CAP-4 foram ajustadas duas gaussianas devido à distribuição que não permitiu o ajuste de apenas uma este fato também aconteceu para a amostra E1. Os dois valores centrais obtidos nos dois picos são considerados como sendo duas idades mais prováveis, P=1,08 Gy e P=0,37 Gy para amostra CAP-4, e para a amostra E1 os valores foram de P=30 Gy e P=40.3 Gy.
Uma melhor explicação para o que ocorreu com essas idades pode estar relacionada a um processo de deposição que ocorreu em dois períodos distintos, com taxas de deposições distintas ou uma remobilização de parte dos sedimentos. Com esses dois valores distintos de P, foi possível entender o resultado do valor de P utilizando o protocolo MAR que forneceu uma paleodose de P=0,57 Gy para a amostra CAP-4 que forneceu uma idade inferior a amostra mais nova do perfil estratigráfico, o mesmo ocorreu para a amostra E1, porém, mesmo assim apresentou uma idade coerente de acordo com o seu processo deposicional, comparando com a sua profundidade.
Foi possível observar uma diferença de idades obtidas pelos dois protocolos, principalmente para as amostras do litoral do Maranhão. Porém, temos que lembrar que no caso do protocolo MAR, são usados em torno de aproximadamente 200 mg de quartzo para a determinação da idade, sem haver chance de eliminação dos grãos não zerados, pois este utiliza a média das alíquotas para fornecer uma única paleodose.
Os resultados dos testes que validam o protocolo SAR ficaram bem próximos do esperado, ou seja, garantindo a confiabilidade desta metodologia de SAR.
