Tese
Caracterização de solos pouco desenvolvidos com foco na fluorescência de raios x e parâmetros de interação da radiação
Registro en:
TECH, Lohane. Caracterização de solos pouco desenvolvidos com foco na fluorescência de raios x e parâmetros de interação da radiação. 2022. Tese (Doutorado em Ciências) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, 2022.
Autor
Tech, Lohane
Institución
Resumen
Due to the accelerated world population growth, increasing pressure on
environmental preservation areas has become common, aiming at activities such as
mining and agricultural exploitation. This has caused drastic changes in the
landscapes with negative consequences that has been affected the planet’s climate.
Generally, in the physics field applied to soils, conventional techniques are used to
the soil characterization. However, there are other nonconventional techniques that
can be employed based on the X-ray and gamma ray interaction with the matter.
Techniques such as gamma ray attenuation have been used successfully for many
decades in the study of properties such as soil density and moisture based on the
attenuation coefficient parameter. Although, there is still other radiation interaction
parameters that can be explored aiming the soil characterization. Brazil has a great
area been used in the agriculture and also areas belonging to forest reserves, whose
objective is to protect the natural biomes. Many of these areas are located on poorly
developed (weathering soils) soils, such as Cambisols and Entisols. In this way,
characterizing this type of soils has become vital because of its great importance in
the environmental point of view. In the scientific literature, there is no report of
studies that approach the radiation attenuation properties in soils of conservation
units (protected of human action theoretically). Besides this, practically there is no
study of the radiation attenuation properties of young soils such as Entisols that are
in the formation phase, known for their sandy texture, absence of a diagnostic
horizon and presence of the material from the original rock and with hard weathering
minerals. This thesis study is based on the following hypothesis: 1) radiation
interaction parameters present variation even when the chemical composition of the
soil does not present significant differences; 2) different uses of the soils change its
chemical composition and affect the radiation interaction parameters, in a way that
this cannot be consider static even for the same type of soil; 3) young soil and poorly
developed (absence of well-defined horizons) shows differences in the soil chemical
composition and in the radiation interaction parameters along the soil profile; 4) the
radiation interaction parameters can be used in the characterization of the soil,
mostly in those not submit to human intervention; and 5) changes in the chemical
analysis of the soil affect the calculation of the radiation interaction parameters. This
thesis study is based on two studies. The objective of the first was to analyze the
radiation interaction parameters of different horizons (A: 0-13, AB: 13-30, Bi: 30-80,
C: 80-127 cm) of a Cambisol, located in the conservation unit of the Serra Dourada
State Park (PESD). For the conduction of this study the oxide composition was
obtained by two methods (X ray fluorescence by energy dispersion – EDXRF and by
wavelength dispersion - WDXRF), in order to compare this obtained results. The
mass attenuation coefficient (μ/ρ) was obtained through the computational simulation
using the XCOM, GEANT4 and Fluka program. Based on the μ/ρ data the other
radiation interaction parameters where calculated: the molecular (σM), atomic (σA),
electronic cross sections (σE), effective atomic number (Zeff) and electronic density
(Nel). The results indicate that both elemental analysis techniques are effective in the
oxide detection; however, the WDXRF showed more sensibility. In the second study,
the WDXRF method was employed in the characterization of a Quartzarenic Entisol
of an agriculture familiar settlement located in the Oriental Amazon. The studied soils
was submit to two uses system (Pasto and Roça de Toco), being a forest area used
as reference. The study was conducted in a soil profile in the layers of 0-5, 5-10, 10-
20 e 20-40 cm. The results obtained with both soils (Cambisol and Entisol) made
possible new insights about how the oxide content affect the radiation interaction
parameters, given that this parameters where sensitive to the chemical soil
composition. Still, it was possible an analysis of how the values of the mass
attenuation coefficient are influenced the computational simulation such as the ones
based on the Monte Carlo (GEANT4 and Fluka) and the mixture rule (XCOM). The
Cambisol results can be a reference for posterior studies, in soils with the same
classification and located in regions next to the PESD, in a way to verify how human
actions can affect this type of soil. The results obtained for the Entisol highlight that
the uses affected the oxide soil composition, mostly in oxides related to the
secondary minerals (Al2O3, Fe2O3 e TiO2). Such fact highlights how human actions
can affect soil properties that reflect in his radiation interactions parameters with the
matter. Finally, the obtained results for both soils showed that the interaction
parameters, in combination with the elemental analysis, serve as base for a soil
characterization. Generally, such measurements are made with base in properties
related to the soil structure, and in this study, was proposed the use of techniques
that employed deformed samples, that is, obtained after the structure has been
broken. Devido ao crescimento populacional mundial acelerado tem se tornado comum o
aumento da pressão sob áreas de preservação ambiental visando atividades como a
mineração e a exploração agropecuária. Isto tem causado mudanças drásticas nas
paisagens com consequências que tem afetado negativamente o clima do planeta.
Geralmente, na área de Física Aplicada a Solos, são utilizadas técnicas
convencionais para a caracterização no solo. No entanto, existem outras técnicas
não convencionais que podem ser empregadas baseadas na interação de raios X e
gama com a matéria. Técnicas como a atenuação de raios gama têm sido usada
com sucesso há muitas décadas no estudo de propriedades como, por exemplo, a
densidade e umidade do solo com base em parâmetros como o coeficiente de
atenuação. Porém, existem ainda outros parâmetros de interação da radiação com a
matéria interessantes que podem ser explorados visando a caracterização do solo.
O Brasil possui uma vasta área sendo utilizada na agricultura e também áreas
pertencentes a reservas florestais, cujo objetivo é proteger os biomas naturais.
Muitas das últimas áreas localizam-se em solos pouco desenvolvidos (pouco
intemperizados), como Cambissolos e Neossolos. Desta forma, caracterizar esses
solos se torna vital tendo em vista a sua importância do ponto de vista ambiental. Na
literatura científica, não existem relatos de estudos que abordem as propriedades de
atenuação da radiação em solos de unidade de conservação (teoricamente
protegidos de ações antrópicas) com pouca intemperização. Além disto,
praticamente não existem estudos dos parâmetros de interação da radiação em
solos mais jovens como os Neossolos, que estão em fase de formação, conhecidos
pela textura mais arenosa, ausência de horizonte diagnóstico e presença de material
da rocha de origem e de minerais de difícil intemperização. Este trabalho de tese
está fundamentado nas seguintes hipóteses: 1) parâmetros de interação da radiação
com a matéria apresentam variações mesmo quando a composição química do solo
não possui diferenças significativas; 2) diferentes usos do solo alteram a sua
composição química de modo a afetar os parâmetros de interação da radiação, de
maneira que estes não possam ser considerados estáticos mesmo para um mesmo
tipo de solo; 3) solos jovens pouco desenvolvidos (ausência de horizontes bem
definidos) apresentam diferenças na composição química do solo e nos parâmetros
de interação da radiação ao longo do perfil; 4) os parâmetros de interação da
radiação podem ser utilizados na caracterização do solo, principalmente naqueles
não submetidos à intervenção humana; e 5) mudanças no método de análise
química do solo afetam as medidas dos parâmetros de interação da radiação. Este
trabalho de tese está baseado em dois estudos. O objetivo do primeiro foi analisar
os parâmetros de interação da radiação de diferentes horizontes (A: 0-13; AB: 13-30;
Bi: 30-80; C: 80-127 cm) de um Cambissolo, localizado na unidade de conservação
do Parque Estadual da Serra Dourada (PESD). Para a condução desse estudo
foram obtidos dados da composição de óxidos dos horizontes por meio de dois
métodos (fluorescência de raios X por dispersão de energia – EDXRF e por
comprimento de onda – WDXRF), a fim de comparar os resultados obtidos entre
eles. O coeficiente de atenuação de massa (µ/ρ) foi obtido por meio de simulação
computacional utilizando os programas XCOM, GEANT4 e Fluka. Com base nos
dados de µ/ρ foram calculados os demais parâmetros: seções de choque molecular
(σM), atômica (σA), eletrônica (σE), número atômico efetivo (Zeff) e densidade
eletrônica (Nel). Os resultados indicam que ambas as técnicas de análise elementar
se mostraram eficazes na detecção dos teores dos óxidos, entretanto a WDXRF
apresentou maior sensibilidade. No segundo estudo, o método da WDXRF foi
aplicado na caracterização de um Neossolo Quartzarênico de um assentamento de
agricultura familiar localizado na região da Amazônia Oriental. O solo foi submetido a
dois sistemas de uso (Pasto e Roça de Toco), sendo uma área de mata utilizada
como referência. O estudo foi conduzido ao longo de um perfil do solo nas camadas
de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-40 cm. Os resultados obtidos em ambos os solos
(Cambissolo e Neossolo) possibilitaram novos insights acerca de como os
conteúdos de óxidos afetam os parâmetros de interação da radiação, dado que
esses parâmetros foram sensíveis às mudanças na composição química do solo.
Ainda, foi possível uma análise de como os valores do coeficiente de atenuação são
influenciados pelos métodos de simulação computacional como os baseados em
Monte Carlo (GEANT4 e Fluka) e regra da mistura (XCOM). Os resultados do
Cambissolo servirão de referência para estudos posteriores, em solos de mesma
classificação oriundos de regiões localizadas próximas ao PESD, de modo a verificar
como ações antrópicas podem vir a afetar esse tipo de solo. Os resultados obtidos
para o Neossolo evidenciam que os usos afetaram a composição de óxidos,
principalmente com relação aos óxidos relacionados aos minerais secundários
(Al2O3, Fe2O3 e TiO2). Tal fato evidencia como a ação antrópica pode afetar
propriedades do solo que refletem em seus parâmetros de interação da radiação
com a matéria. Por fim, os resultados obtidos para ambos os solos mostram que os
parâmetros de interação, em combinação com os dados de análise elementar,
podem servir de base para uma caracterização do solo. Geralmente, tais medidas
são feitas com base em propriedades relacionadas a estrutura do solo, e nesse
estudo foi proposto o uso de técnicas que utilizam amostras deformadas, ou seja,
obtidas após a quebra de suas estruturas. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior