Verificación de campo con espectroscopia de reflectancia en la asignación minera tauro, chihuahua



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VERIFICACIÓN DE CAMPO CON ESPECTROSCOPIA DE REFLECTANCIA EN LA ASIGNACIÓN MINERA TAURO, CHIHUAHUA.

Noemí López Márquez, Edgar Piña Olivares

Servicio Geológico Mexicano, Blvd. Felipe Ángeles Km. 93.50-4, Col. Venta Prieta, Pachuca, Hidalgo, México.

noemilopez@sgm.gob.mx


Resumen

La Espectroscopia de Reflectancia (ER) es la técnica que utiliza la energía electromagnética en el rango de 350-2500 nanómetros y abarca las regiones del visible, infrarrojo cercano e infrarrojo de onda corta. La ciencia y técnica de la ER está basada en la estructura interna de los minerales la que se manifiesta en un espectro de reflectancia. Las características de la reflectancia del espectro de los minerales son el resultado de transiciones entre los distintos niveles de energía, vibraciones moleculares de los enlaces y diferencias composicionales las cuales revelan rasgos de absorción que son analizados de acuerdo a su ubicación espectral, intensidad y forma. Esta técnica es la base de la identificación de minerales de alteración de las imágenes hiperespectrales aerotransportadas, la cual fue aplicada en la Asignación Minera Tauro (AMT) que se localiza en el municipio de Nonoava, Chihuahua. Los datos obtenidos en la AMT fueron transformados a valores de reflectancia aparente de donde se identificaron siete minerales de alteración (alunita, dickita, montmorillonita, caolinita, illita-esmectita, caolinita-esmectita y buddingtonita), con los cuales se generó un mapa de minerales de alteración.

Con la finalidad de verificar los minerales de alteración obtenidos desde el aire, así como delimitar el ajuste espacio-espectral que se utilizó para la clasificación y la distribución del mapa de minerales de alteración; se realizó la corroboración de campo en nueve sitios, empleando un espectroradiómetro portátil con una resolución espectral de 1024 bandas la cual consistió en tres etapas: 1) se obtuvieron firmas espectrales en campo empleando la energía solar y un lente de ocho milímetros a una distancia de un metro sobre el terreno para obtener un espectro representativo por unidad de área, 2) se recolectaron muestras para ser analizadas utilizando una fuente de iluminación controlada de filamento de Tungsteno en donde la lectura de los datos fue tomada al contacto directo de las muestras y 3) las muestras recolectadas fueron enviadas al laboratorio para ser analizadas por Difracción de Rayos X (DRX) para obtener un marco de referencia a los resultados obtenidos con la metodología de ER.

El análisis de ER para la clasificación de imágenes hiperespectrales resultó fiable en la identificación de los minerales de alteración, debido a que la verificación en campo es análoga a las firmas aéreas. Las firmas espectrales obtenidas con fuente de iluminación controlada resultan ser las mismas alteraciones que fueron detectadas desde el aire y corroboradas in-situ, además fue posible identificar más información acerca de las alteraciones en composición química y otros minerales presentes en las muestras debido a la ausencia de dispersión y absorción de los gases presentes en la atmosfera. La técnica de ER resulta equivalente a la técnica de DRX en la identificación de arcillas al alcance de la técnica ER.



FIELD VERIFICATION WITH REFLECTANCE SPECTROSCOPY IN THE TAURO MINING CLAIM, CHIHUAHUA.

Abstract

Reflectance spectroscopy (RS) is the technique that uses electromagnetic energy in the range of 350-2500 nanometers (nm), and covers the regions of the visible, near infrared and shortwave infrared. The science and technique of RS is based on the internal structure of minerals which manifests itself in a spectrum of reflectance. The spectral reflectance features of the minerals are the result of transitions between different energy levels, molecular vibrations of the bonds, compositional differences which reveal absorption traits that are analyzed according to their spectral location, intensity and shape. This technique is the basis of to identify altered minerals of airborne hyperspectral images. It was applied in the Tauro mining claim located in the municipality of Nonoava, Chihuahua. The obtained data were trasnformed to apparent reflectance values, from which seven alteration minerals (alunite, dickite, montmorillonite, kaolinite, illite-smectite and buddingtonite) were identified, and a map of altering minerals was generated.

In order to verify the alteration minerals obtained from the airborne data, as well as to delimit the space-spectral adjustment that was used for the classification and distribution of the alteration minerals map, field corroboration was performed in nine sites, measurements were taken by a portable spectroradiometer with a spectral resolution of 1024 bands. The analysis consisted of three stages: 1) spectral signatures were acquired in the field, using solar energy and an eight millimeter lens at a distance of one meter above the ground to obtain a representative spectrum per unit area, 2) samples were collected for analysis using a tungsten filament with controlled illumination source, readings were taken in direct contact with the samples, and 3) the collected samples were sent to the laboratory to be analyzed by X-ray diffraction (XRD), to establish a frame of reference by comparing the results obtained with the RS methodology.

The RS analysis for the classification of hyperspectral images proved to be reliable in the identification of alteration minerals, since field verification is similar to airborne signatures. The obtained spectral signatures turned out to be the same of those alterations detected from the airborne, and the corroborated in-situ. In addition, it was possible to identify more information about the alterations in chemical composition and other minerals present in the samples, because of the absence of dispersion and absorption of the gases present in the atmosphere. It is concluded that the data obtained by RS technique are equivalent to those of XRD for identification of clay minerals.



Introducción

La espectroscopia de reflectancia, es la técnica encargada del estudio de las transiciones entre los distintos niveles de energía, las vibraciones de los enlaces moleculares de acuerdo a la estructura interna de los minerales y diferencias composicionales, son representados por firmas espectrales con rasgos de absorción característicos los cuales son analizados de acuerdo a su forma, intensidad y ubicación espectral. En la región del infrarrojo cercano, la mayoría de las absorciones se relacionan a hierro férrico (Fe3+), ferroso (Fe2+), cobre y manganeso. Algunos de los minerales que tienen rasgos característicos en esta región son: goethita, hematita, jarosita, clorita, epidota, biotita, piroxenos, olivino y óxidos de tierras raras.

Las zonas de absorción que se identifican en la región del espectro infrarrojo de onda corta para algunos silicatos, se asocian al ion hidróxido (OH) y al contenido de agua (H2O), produciendo zonas de absorción cerca de los 1,400 nm y 1,900 nm (H2O). Otros rasgos de absorción característicos ocurren cerca de los 2,200 nm, 2,250 nm y 2,300 nm, los cuales se relacionan a la vibración de los enlaces entre AlOH, FeOH, MgOH y CO3. Estas moléculas son componentes principales en los filosilicatos (arcillas, clorita, grupo de la biotita), sulfatos (alunita, jarosita, yeso), carbonatos (dolomita, calcita, siderita), anfíboles, epidota, turmalina y minerales con amonio, AusSpec International Ltd, 2008.

La técnica de espectroscopia de reflectancia es la base para la identificación de minerales en imágenes hiperespectrales aerotransportadas, los datos obtenidos son afectados por los gases principalmente vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) presentes en la atmosfera los cuales provocan la perdida de energía, es por eso que los resultados obtenidos con imágenes hiperespectrales solo muestran el rango de 2100-2500 nm. La unión de estas ciencias fue aplicada en la Asignación Minera Tauro, localizada en el municipio de Nonoava, Chihuahua, la cual fue estudiada con imágenes hiperespectrales aerotransportadas cubriendo un área de 94.30 Km2, conformada por 52 franjas de observación con un ancho de 320 pixeles y una resolución espacial de 2 metros, cada pixel contiene una firma espectral en valores de radiancia del área, los cuales fueron transformados a valores de reflectancia aparente. La resolución espectral de cada firma es de 358 bandas distribuidas en el rango de 400-2500 nm. Con esta metodología se identificaron siete minerales de alteración alunita, dickita, montmorillonita, caolinita, ilita-esmectita, caolinita esmectita y buddingtonita con los cuales se generó un mapa de alteraciones de minerales. Al oeste de la asignación minera en el área denominada Cerro Blanco, se interpretaron ensambles de minerales característicos de alteración argílica avanzada dentro de la misma se han realizado levantamientos geológicos donde han reportado cuarzo oqueroso. Al suroeste de Cerro Blanco se identificó el mineral llamado buddingtonita (feldespato de amonio) el cual se forma en la fase de vapor dentro de la zona de ebullición sobre los sistemas de vetas hidrotermales. Las anomalías de amonio en superficie indican la existencia de actividad de fluidos hidrotermales portadores del ion amonio a profundidad aportado por materia orgánica contenida en las rocas encajonantes.

Con el objetivo de verificar las alteraciones obtenidas desde el aire y delimitar espacio-espectral la clasificación de las firmas espectrales y distribución de los minerales en el mapa de alteraciones, se planeó un levantamiento de campo, con tres objetivos.

1.-Obtención de firmas espectrales in-situ de nueve puntos, donde predominan cada uno de los minerales de alteración detectados desde aire.

2.-Recoleccion de muestras de mano para obtener su espectro

3.- Recolección de muestras de mano para ser enviadas al análisis de difracción de rayos X.



Metodología

A partir de los resultados obtenidos en el mapa de alteraciones producto de imágenes hiperespectrales, figura 1, se planifico en oficina los puntos a verificar, esto en función de la distribución espacial y alta concentración de los minerales de alteración, se consideró que los puntos a verificarse tuvieran acceso.



Figura1.-Mapa de minerales de alteración generada a partir de imágenes hiperespectrales aerotransportadas, con puntos de verificación de campo.

Se empleó un espectroradiómetro que mide el rango espectral de 350-2500 nm, resolución espectral de 1024 bandas, la operación del equipo puede ser a través de un lente de ocho milímetros o con fibra óptica con un campo de visión de ocho grados y cuatro grados respectivamente, puede ser empleada la radiación solar o iluminación controlada de filamento de tungsteno.

El cálculo del espectro de reflectancia que realiza el equipo se hace en tres pasos de manera automática:



  1. Calibración. Se refiere a la adquisición del espectro solar que se obtiene de un pad de composición de politetrafluoroetileno que permite la reflexión de la radiación solar muy próxima al 100% en las 1024 bandas.

  2. Adquisición del espectro de radiancia del punto de interés.

  3. Cálculo matemático de la reflectancia aparente a partir de la relación espectro solar/ espectro de radiancia.

Para el levantamiento in-situ se planeó los días que estadísticamente estuvieran libres de nubes debido a que la fuente de iluminación es natural y con nubes presentes en el área no es posible realizar el levantamiento, se consideró el horario para garantizar un ángulo solar mayor a 40° con respecto a la horizontal también es recomendable que el operador del espectroradiómetro vista con colores neutros para evitar la dispersión, el operador deberá de situarse con el sol de frente y el espectroradiómetro lo más alejado del cuerpo, para evitar la dispersión de la radiación solar.

Se utilizó el lente de ocho milímetros a una distancia de un metro sobre el afloramiento para adquirir el espectro representativo por unidad de área, previo a la toma de la lectura se realizó la calibración con el pad de referencia con la finalidad de obtener el espectro de la radiación solar. Se realizaron cinco mediciones para obtener un dato con buena calidad, cada medición obtenía diez espectros en promedio con la finalidad de aumentar la relación señal-ruido.

El equipo guarda los datos de referencia solar, valores de radiancia de la superficie, posicionamiento espacial y el cálculo de la reflectancia aparente.

Se recolectaron dos muestras de mano del afloramiento etiquetándose el número de muestra, posicionamiento espacial y toma de fotografías para evidencia gráfica, las cuales fueron utilizadas para el análisis espectral con fuente de iluminación controlada y el análisis de minerales de alteración por difracción de rayos X en laboratorio.

Para el análisis espectral se utilizó la fuente de iluminación controlada de filamento de tungsteno. La lectura de los datos fue al contacto de la superficie de la muestra con la ventana lectora. Se consideraron aspectos como la superficie de la muestra en la cual se buscó la superficie plana de la roca, el campo visual con la finalidad de muestrear un punto en particular, para obtener el mejor espectro.

Resultados

Se verificaron nueve locaciones de los cuales se corroboraron seis de los siete minerales de alteración detectados desde el aire. El resumen de los resultados se muestra en la tabla 1.



Tabla1.- Resumen de resultados de verificación espectral (ER) y DRX.

Puntos verificados

Espectro obtenido desde aire

Espectro obtenido con lente de ocho mm

Espectro obtenido con iluminación controlada

Difracción de rayos X

1

alunita

alunita

alunita K- hematita

alunita-cuarzo

2

alunita

alunita

alunita K-hematita

alunita-cuarzo

3

caolinita

caolinita

caolinita- hematita

cuarzo-caolinita- hematita

4

dickita

dickita

dickita-caolinita- hematita

cuarzo-caolinita- dickita- hematita

5

dickita

dickita

dickita-caolinita-hematita

cuarzo- caolinita- dickita- hematita

6

dickita

dickita

dickita-hematita

cuarzo- dickita- hematita

7

montmorillonita

montmorillonita

montmorillonita calcica

cuarzo- albita, montmorillonita cálcica

8

illita-esmectita

Illita-esmectita

Illita

cuarzo-ortoclasa, illita- caolinita

9

buddingtonita

buddingtonita

buddingtonita

sanidino

Espectrometría de reflectancia con fuente de iluminación natural

Sitio de verificación 1 y 2 con lente de ocho milímetros

Desde el levantamiento aéreo y de campo se distinguieron tres rasgos característicos en las longitudes de onda de 2168 nm, 2206 nm y 2319 la forma y posición espectral de las primeras dos ondas de absorción indican la presencia de hidróxido de aluminio (AlOH), la longitud de onda de 2319 nm, ha sido observada en diferentes levantamientos aéreos y persiste aun en mezclas. Por estas características que persistieron en los puntos verificados 1 y 2 se interpretó el mineral de alunita, figura 2.



Figura 2.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración alunita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm – 2450 nm.



Sitio de verificación 3 con lente de ocho milímetros

Se observó la forma y ubicación espectral de las longitudes de onda de 2162 nm y 2206 nm, estas longitudes de onda representan AlOH y pueden ser confundidos con otros minerales como dickita, alunita etc. Pero también fueron observados picos de absorción de poca intensidad en las longitudes de onda de 2319, 2356 y 2387 que son característicos de caolinitas y persisten aun en mezclas, figura 3.



Figura 3.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración caolinita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm-2450 nm.



Sitio de verificación 4, 5 y 6 con lente de ocho milímetros

Se analizó el doblete de 2181 nm y 2206 nm. El rasgo característico que se utilizó para asignarle el nombre de dickita fue la longitud de 2181 nm. La absorción de 2381 también es un rasgo diagnostico dado que siempre aparece en este mineral y se nota en mezclas tenues, figura 4.



Figura 4.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración dickita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm-2450 nm.



Sitio de verificación 7 con lente de ocho milímetros

La longitud de onda de 2212 nm indica presencia de AlOH, pero lo que hizo pensar que se trataba de una montmorillonita fue la pendiente negativa en dirección a los 2500nm, figura 5.



Sitio de verificación 8 con lente de ocho milímetros

Se interpretó la longitud de onda 2212 nm la cual es diagnóstico de illitas y esmectitas, figura 6.



Figura 5.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración montmorillonita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm-2450 nm.



Figura 6.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración illita-esmectita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm-2450 nm.



Sitio de verificación 9 con lente de ocho milímetros

Se identificó la longitud de onda de 2111 nm lo que sugirió presencia de amonio (NH4), en el grafico se muestra una línea punteada en el centro de una pequeña zona de absorción esta nos hace pensar en alteración de feldespato, con estos elementos se interpretó el mineral de buddingtonita, figura 7.



Figura 7.- Espectro de campo vs espectro de aire del mineral de alteración buddingtonita mostrando zonas de absorción características en el rango de 2000 nm-2450 nm.

Espectrometría de reflectancia con fuente de iluminación controlada.

Análisis espectral de las muestras de mano de los sitios de verificación 1 y 2

En la región del visible se observó un salto en la longitud de 741 nm, eso indica la presencia de color rojo que pudiera ser característico de oxidación, la absorción en las longitudes de onda de 645 nm y 862 nm son diagnósticos de hierro férrico (Fe3+) interpretándose como hematita.

La forma semiredonda y abierta en la longitud de 2170 nm es característico de las alunitas. Las absorciones representadas en las longitudes de onda de 1479 nm, 2430 nm y 2471nm se usaron para caracterizar una alunita potásica, figura 8.

Figura 8.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de alunita K mezclada con hematita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de la muestra de mano del sitio de verificación 3

Se encontró hematita ya fue descrita en el gráfico de arriba, el doblete de las longitudes de 2162nm y 2208 nm pueden ser confundidos con dickita, alunita, etc. Sin embargo el rasgo que confirma la presencia de caolinita es el que se ubica en la longitud de 1390 nm y los picos de absorción en las longitudes 2319 nm, 2355 nm y 2384 nm los cuales persisten aun en mezclas, figura 9.



Figura 9.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de caolinita mezclada con hematita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de las muestras de mano de los sitios de verificación 4 y 5

Con el análisis de los picos de absorción del espectro se diferenciaron tres minerales, en comparación con el levantamiento aéreo que solo fue posible identificar dickita, con la identificación de la zona de absorción en la longitud de 1390 nm fue posible identificar una mezcla caolinita y dickita. Por otro lado en la región del visible se detectó la inflexión y absorción características de la hematita, figura 10.



Figura 10.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de dickita mezclada con caolinita y hematita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de la muestra de mano del sitio de verificación 6

Además de las zonas de absorción características de las dickitas fue posible identificar la absorción en la longitud de onda de 1383 nm este rasgo denota que es una dickita, la absorción de 2381 aparece en todas las dickitas y caolinitas, figura 11.



Figura 11.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de dickita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de la muestra de mano del sitio de verificación 7

Se analizaron tres rasgos de absorción. El primero se encuentra en 1416 nm lo característico de este rasgo es que tiene una pequeña inflexión en 1464 nm, causado por agua, esta pequeña inflexión es diagnóstico de las esmectitas. El rasgo profundo en 1911 nm indica contenido de agua y su profundidad es indicativo del contenido relativo de agua. La pendiente negativa en dirección a 2500 es diagnóstico de la montmorillonita, figura 12.



Figura 12.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de montmorillonita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de la muestra de mano del sitio de verificación 8

Los rasgos de absorción 1416 nm y 2210 nm están presentes en las illitas, esmectitas, muscovita, caolinita, alunita, etc. Sin embargo el rasgo de absorción de 2341 nm solo lo presentan las illitas y las moscovitas. La forma del rasgo de 1911nm y los elementos descritos anteriormente hace posible la identificación de la illita, figura 13.



Figura 13.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de illita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Análisis espectral de la muestra de mano del sitio de verificación 9

En este espectro se pueden apreciar tres rasgos en forma escalonada (1911nm, 2013 nm y 2115 nm) aunado a una pendiente positiva después del 2115 nm, lo descrito anteriormente es característico de presencia de la molécula del NH4, el rasgo de 1563 nm es típicamente pequeño y no siempre es visible, en este caso se identifica este rasgo el cual es indicativo de un mineral con amonio que en base a la experiencia se interpreta buddingtonita. Las absorciones de 1420 nm, 1911nm y 2208 podrían indicar algún contenido de sílice debido a su forma, figura 14.



Figura 14.- Espectro de reflectancia con fuente de iluminación controlada mostrando las características principales de buddingtonita, en el rango de 350 nm–2500 nm.



Conclusiones

Se comprobó que la ER es fiable para la identificación de firmas espectrales obtenidas con imágenes hiperespectrales aerotransportadas, esto se confirmó con la obtención de espectros de reflectancia a nivel de superficie, con muy buena correspondencia de zonas de absorción con los espectros de aire en el rango espectral de 2000 nm-2450 nm.

Las firmas espectrales obtenidas con fuente de iluminación controlada de los puntos de verificación resultaron los mismos espectros de los mismos minerales de alteración detectados con el sistema aerotransportado en el rango 2000 nm-2450nm, obteniendo además mayor conocimiento acerca de las alteraciones en composición química y otros minerales presentes en las muestras debido a la ausencia de dispersión y absorción de los gases presentes en la atmosfera siendo posible analizar todo el rango espectral (350 nm-2450 nm).

Finalmente la técnica de DRX que se empleó como técnica de control en la identificación de arcillas con ER resulto equivalente, indicando que los mapas de minerales obtenidos a partir de imágenes hiperespectrales y verificados con espectroscopia de reflectancia son un producto altamente fiable y de relativo bajo costo para la delimitación de zonas de interés minero a partir de la alteración detectada en superficie.



Bibliografía

AusSpec International Ltd, 2008, Spectral Interpretation Field Manual, GMEX Spectral Analysis Guides for Mineral Exploration, Nueva Zelanda.


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