Efeitos da radiação no mineral zircão: Caracterização via espectroscopia micro-Raman e espalhamento de raios X em pequenos ângulos (SAXS)
| dc.contributor.advisor-co1 | Guedes, Sandro de Oliveira | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5699746686380656 | |
| dc.contributor.advisor1 | Dias, Airton Natanael Coelho | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | https://lattes.cnpq.br/7070166380084691 | |
| dc.contributor.advisor1orcid | https://orcid.org/0000-0002-3782-7293 | |
| dc.contributor.author | Sales, Antonio Said Webbe | |
| dc.contributor.authorlattes | https://lattes.cnpq.br/0758819539667956 | |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0000-0001-7182-7396 | |
| dc.contributor.referee | Ferreira, Marystela | |
| dc.contributor.referee | Cantão, Renato Fernandes | |
| dc.contributor.referee | Soares, Cléber José | |
| dc.contributor.referee | Rufino, Matheus | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/4714185516263478 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/5203420446734237 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/7562043062124578 | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-30T12:46:45Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-10 | |
| dc.description.abstract | Radiation damage in zircon (ZrSiO₄) fundamentally compromises its reliability as a geochronometer by altering the crystalline structure through accumulation of α-recoil damage from uranium and thorium decay. This thesis presents an integrated investigation of radiation damage assessment, thermal annealing behavior, and nanoscale track morphology in zircon, employing complementary analytical techniques and advanced statistical methodologies to establish robust protocols for Raman-based thermochronology applications. The first component addresses a critical methodological gap in Raman spectroscopy preprocessing for radiation damage quantification. Twelve preprocessing combinations were systematically evaluated across six vibrational modes using 80 zircon spectra from radiation-damaged samples. Performance assessment employed fitting quality metrics and statistical validation with outlier detection protocols, algorithms (polynomial, spline, and comparing three baseline correction iterative AirPLS) combined with four normalization methods (min-max, area, peak, and vector). Results demonstrate that preprocessing effectiveness is highly mode-dependent: the ν₃(SiO₄) symmetric stretching mode at 1008 cm⁻¹ achieved superior fitting quality and precision with Spline baseline correction and Min-Max normalization, while ν₁ and ν₂(SiO₄) vibrational modes performed optimally with Polynomial baseline correction and area normalization. These findings establish standardized preprocessing protocols that enhance inter-laboratory comparability and analytical precision for U-Pb geochronology applications. The second component investigates crystalline recovery dynamics during isothermal annealing of metamict zircon through Raman spectroscopy and advanced statistical modeling. A dataset of 6,225 valid spectral observations was analyzed using Generalized Additive Models (GAM), segmented regression with Differential Evolution optimization, and paired bootstrap methods to test six fundamental hypotheses. Results confirm non-linear model superiority and reveal a two-phase recovery characterized by an initial phase (Stages I-II, 473-840 K) with preferential external mode recovery and higher variability (CV ratio = 1.56), followed by a final phase (Stage III) where SiO₄ tetrahedral modes dominate and variability converges (CV ratio = 0.92). Empirical breakpoints at 607 K and 840 K validate Geisler’s three-stage phenomenological model, while bootstrap analysis reveals non-monotonic behavior in band area ratios with a peak at 622 K. These quantitative constraints provide a foundation for Raman-based low-temperature thermochronology. The third component integrates Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) measurements to characterize nanoscale ion track morphology in swift heavy-ion irradiated zircon. SAXS analysis using the hard cylinder model with Gaussian polydispersity yielded track radii ranging from 3.32 to 4.99 nm across seven samples. The correlation between SAXS track parameters and Raman FWHM is not simply linear: the sample with the largest track radius (4.99 nm) exhibits the lowest FWHM (7.38 cm⁻¹), whereas the sample with the smallest radius (3.32 nm) presents a FWHM of 13.05 cm⁻¹, indicating that reduced track radii do not necessarily imply lower vibrational disorder. This behavior reflects the fact that the two techniques respond to structurally distinct aspects of radiation damage — short-range vibrational disorder and physical nanoscale track morphology, respectively — with direct implications for the calibration of Raman parameters in fission track thermochronology. Taken together, the standardized Raman preprocessing protocols, statistical modeling of recovery kinetics, and structural characterization by SAXS offer a starting point for the standardization of Raman-based zircon analysis in thermochronological contexts, although their generalization depends on validation with independent datasets and varied chemical compositions. It should be noted that Transmission Electron Microscopy (TEM), included in the original research scope and reflected in the title, could not be performed due to the non-return of samples sent to the Australian Synchrotron for SAXS characterization, which also precluded the TEM stage; this absence does not affect the results obtained by Raman spectroscopy and SAXS. | eng |
| dc.description.resumo | O dano de radiação em zircão (ZrSiO₄) compromete fundamentalmente sua confiabilidade como geocronômetro ao alterar a estrutura cristalina através do acúmulo de danos por recuo alfa provenientes do decaimento de urânio e tório. Esta tese apresenta uma investigação integrada da avaliação de danos de radiação, comportamento de annealing e morfologia de traços em nanoescala em zircão, empregando técnicas analíticas complementares e metodologias estatísticas avançadas para estabelecer protocolos robustos para aplicações de termocronologia baseada em Raman. O primeiro componente aborda uma lacuna metodológica crítica no pré-processamento de espectroscopia Raman para quantificação de danos de radiação. Doze combinações de pré-processamento foram sistematicamente avaliadas em seis modos vibracionais utilizando 80 espectros de zircão de amostras com dano de radiação. A avaliação de desempenho empregou métricas de qualidade de ajuste e validação estatística com protocolos de detecção de outliers, comparando três algoritmos de correção de linha de base (polinomial, spline e AirPLS iterativo) combinados com quatro métodos de normalização (min-max, área, pico e vetor). Os resultados demonstram que a eficácia do pré-processamento é altamente dependente do modo: o modo de estiramento simétrico ν₃(SiO₄) em 1008 cm⁻¹ alcançou qualidade de ajuste e precisão superiores com correção de linha de base spline e normalização Min-Max, enquanto os modos vibracionais ν₁ e ν₂(SiO₄) apresentaram desempenho ótimo com correção de linha de base Polinomial e normalização por área. Esses achados estabelecem protocolos de pré-processamento padronizados que aprimoram a comparabilidade interlaboratorial e a precisão analítica para aplicações de geocronologia U-Pb. O segundo componente investiga a dinâmica de recuperação cristalina durante o annealing isotérmico de zircão metamíctico através de espectroscopia Raman e modelagem estatística avançada. Um conjunto de dados de 6.225 observações espectrais válidas foi analisado utilizando Modelos Aditivos Generalizados (GAM), regressão segmentada com otimização por Evolução Diferencial e métodos bootstrap pareados para testar seis hipóteses fundamentais. Os resultados confirmam a superioridade de modelos não-lineares e revelam uma recuperação bifásica caracterizada por uma fase inicial (Estágios I-II, 473-840 K) com recuperação preferencial de modos externos e maior variabilidade (razão CV = 1,56), seguida por uma fase final (Estágio III) onde os modos tetraédricos SiO₄ dominam e a variabilidade converge (razão CV = 0,92). Pontos de inflexão empíricos em 607 K e 840 K validam o modelo fenomenológico de três estágios de Geisler, enquanto a análise bootstrap revela comportamento não-monotônico nas razões de área de banda com um pico em 622 K. Essas restrições quantitativas fornecem uma base para termocronologia de baixa temperatura baseada em Raman. O terceiro componente integra medidas de Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo (SAXS) para caracterizar a morfologia de traços iônicos em nanoescala em zircão irradiado por íons pesados rápidos. A análise SAXS utilizando o modelo de cilindro rígido com polidispersidade Gaussiana resultou em raios de traço variando de 3,32 a 4,99 nm em sete amostras. A correlação entre parâmetros de traço SAXS e FWHM Raman não é simplesmente linear: a amostra com maior raio de traço (4,99 nm) apresenta o menor FWHM (7,38 cm⁻¹), enquanto a amostra de menor raio (3,32 nm) exibe FWHM de 13,05 cm⁻¹, indicando que raios de traço reduzidos não implicam necessariamente menor desordem vibracional. Esse comportamento reflete o fato de que as duas técnicas respondem a aspectos distintos do dano estrutural — desordem vibracional de curto alcance e morfologia física dos cilindros de dano em nanoescala, respectivamente — com implicações diretas para a calibração de parâmetros Raman em termocronologia de traços de fissão. Em conjunto, os protocolos de pré-processamento Raman, a modelagem estatística da cinética de recuperação e a caracterização estrutural por SAXS oferecem um ponto de partida para a padronização da análise Raman de zircão em contextos termocronológicos, embora sua generalização dependa de validação com conjuntos de dados independentes e composições químicas variadas. Cabe registrar que a Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), prevista no escopo original e mencionada no título, não pôde ser realizada em razão do não retorno das amostras encaminhadas ao Australian Synchrotron para a caracterização SAXS; os resultados obtidos por Espectroscopia Raman e SAXS não são afetados por essa ausência. | por |
| dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorshipId | Finance Code 001 | |
| dc.identifier.citation | SALES, Antonio Said Webbe. Efeitos da radiação no mineral zircão: Caracterização via espectroscopia micro-Raman e espalhamento de raios X em pequenos ângulos (SAXS). 2026. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24034. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/24034 | |
| dc.language.iso | por | por |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus Sorocaba | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-So | |
| dc.rights | Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | Zircão | por |
| dc.subject | Dano de radiação | por |
| dc.subject | Espectroscopia Raman | por |
| dc.subject | Recozimento térmico | por |
| dc.subject | SAXS | por |
| dc.subject | Termocronologia | por |
| dc.subject | Metamitização | por |
| dc.subject | Otimização de pré-processamento | por |
| dc.subject | Zircon | eng |
| dc.subject | Radiation damage | eng |
| dc.subject | Raman spectroscopy | eng |
| dc.subject | Thermal annealing | eng |
| dc.subject | SAXS | eng |
| dc.subject | Thermochronology | eng |
| dc.subject | Metamictization | eng |
| dc.subject | Preprocessing optmization | eng |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::GEOLOGIA::GEOCRONOLOGIA | |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA | |
| dc.subject.ods | 9. Indústria, Inovação e Infraestrutura | |
| dc.title | Efeitos da radiação no mineral zircão: Caracterização via espectroscopia micro-Raman e espalhamento de raios X em pequenos ângulos (SAXS) | por |
| dc.title.alternative | Effects of Radiation on Zircon Mineral: Characterization via Micro-Raman Spectroscopy and Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) | eng |
| dc.type | Tese |
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