I~Vf:STlGAClÓN REVISTA r-.1EXICANA DE FíSICA'¡7 (61 553-557 DICIEMBRE 2001

Elipsometría y microscopía electrónica de barrido de las cenizas del volcánPopocatépetl

Aarón r..'1UJlOl y Rafael IvluJ10ZLlI!Joratorio de Espectromctria Óptica de SIII,cr/icies. iJ"IJlIrtlllllC'f1tode ¡'-úic(lFacilitad Experimema/ dc Ciencia y 'Iánolo;:{a. lJnil'l'rsidad dC'CamhahoApartado postal J 29, AI'{;"lidaBO/{I'w"Norte. 200 I ValclICla. Vene;uela

C.-mail:rmwlOz@po.H;:mdo.ucedll. 1'('

Nelsol1 FalcónGntpO dc Fúica Teórica, Dcpartamento de F(H'ca. Facultad E.\1'crilll('l/ta/ dc Cicllcia y ll'cnolog{a

lJnl\'enidad de CaraiJohoApartado postal /29. Avenida 80liwlr Norte. 2001 \hlcllcia, VCIl(':ue!a

e-lIlail: "faico,,@thm:/le.edll.I'C'

Enrique Chavira(RI P) Instituto Nacional de !\stm/úic({. Óptic({ y /:'Ie'CtrfÍllic({

A/cxico

Recibido el 17 de lKluhre de 2()OO~aceptado el 17 de agtl~lo de 2001

Sc aplk,l la elipsumetrú.l y la microscopía clcctr(lIlic<l de barrido <11estudio de las propiedades úpticls de las ceni/.;Is del volcán Popoc<llépelleJI rclaciün nm la f{lrma, rugosidad y compo~ición 4uímica elemental de las InicropartÍl:lIlas, ucst,II,'¡IIlUOSeSll vinclllación con las conuiciol1csdc vi~ihilidad (lila/e).

Ik,\/'ri/lforc.\: Elipsolllclría; vulcanología; Popoc<llépetl; cenizas

The 1'lIip~omelry ano lile ~l'anning electronic microscopy is applicd lo ¡he ~llldy 01 lhe oplic propcnies 01' l'0po":;llépeh volcall\.l a~h inCtlllllCl'lion Wilh lhe formo ruggcdness ¡¡nd elemenlal cncmical composition 01"lhe micl"opanicles. also lo ar~lIc ahOlU lhe rclation wilh malealllUlsphcrk.

I\nwOId\: Ellipsolllcrry; vu!canism; Popocalépcll~ asll

Pt\( 'S: ()1.40.Bp

I. IntroduccilÍn

La clipsomctría es una técnica que permite medir el índice derefracción (7/.) y el coeficiente de absorción (1.:) de una super-li{:ic sólida mediante el análisis de los cambios de los estadosdc polarización de la luz rellejada. Ul cJipsol11ctría se ha apli-cado principalmente al estudio de superficies y de películas¡inas (11. aunque son numerosas las investigaciones realiza-das suhre lit retlectividad de diversos minerales. El i.1I1<Ílisisdelllicrosollda con el microscopio electrónico de barrido proveedatos importantes sobre la variabilid<ld en la composición delos minerales, tanto para cada grano corno cntre diferentesgr¡IJ10S cristalinos. La aplicación del análisis de microrrayo.~11la contlguración elipsométrica, a rocas ígneas en las cua-Ics sus principales fases minerales (principalmcllle silicato)csl;ín distrihuidas en finos grunos ha introducido nuevos e in-teresantes problcmas en pelrología [2]. La ;'lplic;:¡ción dircct •.lde la teoría electromagnétici.l en tales sistcmas [:3] demues-tra que las propiedades ópticas dependen críticamente del ta4IlwilO y forma de los granos.

L.IS propiedades ópticas de reflectancia y ;¡hsorción de losaerosoles atmosféricos son de especial interés para caracteri-¿<Ir Ji/S condiciones de visibilidad y atenuación de la luz es-tehlr en ;Istronomía. El espesor óptico local de la atmósfera

afecta signif1ci.ltiv:lIl1cnte la sensibilidad de la instrumenta-ción de uso astronómico. En particular los flujos piroclásticosdel volcán Popocatépetl en su erupción a partir del primerodc enero de 19H4 hasta la actualidad. han afectado las con-diciones de visibilid¡ld UI/ale) en las cercanías del InstitutoNacional de Astronomía. Óptica y Electrónica (Tonalllzintla-México).

Los estudios de microscopía electrónica de barrido sobrelas formas y composición elemental de las cenizas del Popo-catépctl puedcn proveer información sobre los mecanismosdc fragmentación a ni\'el del magma y sobre las propiedadesde transporte determinantes en el espesor óptico local [4,5].En este trabi.~jo se presentan lo~ resultados obtenidos me-diante la aplicación dc la elipsometría y de la microscopíaelectrónica de barrido (SEM) al estudio de las propiedadesópticas de las cenizas del volcán Popocatépelt y su relacióncon la forma y composición elemental, para muestras seria-das durante el período 1995-1998. Los resultados obtenidosson altamente signifkativos para introducir las correccionesdebidas al espesor atmosférico local en las mediciones as-trolllétricas.

Se comparan los resultados de la composición químicaelemental de las ccnizas eDil estudios similares [6, 7] efectua-dos en el Volc;ín de Mount SI. Hclells a título de referencia,

ELlPSOMETRíA y MICROSCopíA ELECTRÓNICA DE BARRIDO DE LAS CENIZAS DEL VOLCÁN POPOCATÉPETL

TABI.A 1.Re~lIhatlo~ dc la clirsolllctría,

.\tllcstr~¡ y lap~m índICc tic rclr;u:c¡ón Coeficienle de

lJC4(2 1112/94 .15/1/951

UCJ (-l-11/5/I)7l

lJCI (1.5/1/9XI

UC:! ( 12-1CJ/x¡t)x 1

ct'CCII\'tl

I.X 114

I.X(~()

1.7-19h

I,X.12.1

"h~orciün efectivo(1.3034

().1J-1X

tUl-1h

0.2.\15

3. Análisis EDS cnn microscopía clectrónica deharrido

donde 110 es el índice de refracción del mcdio. TI. es el índicede rdracción de la muestra. rJ)" t:s t:1 <inglllo de incidenciay (/'1 es el ;ínglllo de refracción. Si la superficie es ahsorben-te, 11

1= 11 - ¡k, dOJl(k 11 es el índict: dc refracción y).; deno-

ta al coeficicnte dc absorción. Los rcsultados de los análisiseft:ctuados a las cenizas sc Illuestran en la Tabla 1.

El índice dt: refracción promcdio dc las Illucstras es-tudiadas fue de 1l = 1.81.1::) y un coetkiente de absor-ción de k = tJ,2ill. ('011 coeficiente de rellexión promediode nI' = tl.;-,S{; y R ...= O,!J23. para las componentes panl1e-las y perpendiculares a\ planu dc incidencia. respectivamen-te, Esta absorción pu~dt: ser atrihuida a rugosidades [!JI en lascenizas. por lo qUé' los valnre:-. repunado:-. para 1l y k seríansólo valores t:fcctivos. sin descarlar la pn:sencia de conteni-do", lllet;ílicos en las ccnilas.

¡:l( ilIlL\ l. ('\JmpOIlCI1IC:-' del clipsómctro (configur,Kiún peSA).donde. L: fuente J;i~L'r; P: polaril.ador; C: j¡ímina de CU.lrto de onda;A: analil.;IJor: F: f¡llol1lulllplirmJor.

~il1pretender establecer correlación causal alguna con el 1'0-pocatc:pell. DL"bt': destacarse que la composición química dehh produclo~ eruptivos del Mount St. Hclen cambian gra-dualmente dc basalto ti dacita. incluso cíclicamente durantealplllos episodios. difiriendo en todo caso en los contenidos

dc óxidos dc silicio 181.Las Illuestras dc las cenizas del Popocatépetl fueron rc-

l'ugidas lh:1 aire en recipientes de vidrio después de ¡Ilen.:-IlIcntarsc la actividad volc~lnica y antes de que lloviera. To-das las cenizas fueron colectadas en el Instituto Nacional dt:Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) cn Tonantzintla(Put:hla-[\l~\ico ).

I.a", lTllizas evi<it:ncían C0l110 caractcrísticas generaks:lalllailo dcl orden de úau 11I11:.! (tamizado medianlc grilla de~)(i i\ksll: 1 i\lcsh;;;: ú.25/1111:.!), no hidrosolubles, dureza deter-Illinad,l por abrasión sobre minerales patrones: 7 en la ese a!;..til' ~lohr. y allsclH.:ia de radioa<.:tividad comprohada medianlc

UlI <.:o11la(\orGcigl'r-Mllller.

2. Elipsumctría

ami

1110 ("os (¡)o - 1I I ("os (/JI

l" = ~----~--~111 ('os (,1) - 11(1 ('os (/)

(3)

I "Lelipsolllctría. permite medir el índice de refracción (11) y ell'oeticiclllC dc absorción (k) de una superflcie sólida medianil'l'I íln,ílisis de los camhios de los estados de polarización de la!tI/. rellejada. La Fil!. I llluestra el esqucma de un t:lipsól11ctrol'\1Il la configuración hásica utilizada en csta investigación. El;Lll;ílísis l'Iipsolllétrko fue realizado con un elipsóllletro Gat!-I1cr modelo ...J.39provisto de una fuente I,íser dc longitud dellllda, dt,.",\ = (¡:~~.S11my <Íngulo de incidencia de 70°.

Cuando los vectores de campo eléctrico incidentes est;íl1el1 fase. el ;íngul0 ••cimut se definc a través de la rclación dela", do", amplitudes rdlejndas. donde Rp y Rs son las <.\mpli-tudc", del Vl"ctor de la luz rcflejada en la dirección perpendi-l'll!ar y paralela al plano de incidencia. respectivamente, LalTlIal'ión h;ísica dc la elipsometría relaciona los parámetrosl"ljP"'01l1t,.;tLico~11/ y ~ con los coeficientes de Frcsnell. quepuede rc~olversc para obtener 11 y l.::

"1 ('os ~')IJ - "o cus Q'1

11J ('OS </J - "o ("os (¡~

( 11

(21

La medición dc los rayos X emitidos por los elementos cuan-do son excitados por los electrones es la base del anúlisiscspcctrogr;ífko (EDS~KEVEX) del microscopio electrónicode harridq (MEB lIitachi S2500- del lahoratorio de anúlisisquímico y estrllcwral dl' la Univcrsidad de Los Andes.f\..l~rida. Venczlll'la). La característica esencial del micro-an;ílisis es la excitnción localizada de lln;\ pequeña ;\rea dela sllpl'rficie de la muestra por UIl rayo tino de electrones. °",onda. dando una resolución cercana ti un 1 p.m. La impor-tancia de esta técnica al an;Ílisis de rocas ha sido reconocidocon t:I nombrc de '-Castainigiti" [21. Est<Í técnica permite el:1Il;ílisis no destructivo para dcterminar los constituyentes delas ct:llizas vo1c;ínicas.

Las Figs. 2 y ., Illllt:stran t:I c¡¡r<icter heterogéneo departículas de aparienci,l irregular y rugosas, Usando la esen1.lde la ..• imtigcnt:s pucde estimarse el ;(rca dt: las mismas. dctalllailO mcnor que tillO/1m:.!. Las formas y rugosidad de las('¡..'nizas cil'lcrminan los fenómenos de transportes de las mis-mas y la Iransparenci~l a los sistclIlas s;HC/jZ<lrCSde imágenes.al mismo liclllPO que put:den dar información sobre lus pro~ceso,s de fragment:'lCióll magm;ítica.

!(('l'. M('x, ¡:¡.\. -&7(6) (:!OOI) 553-557

AARÓN MUNOZ. RAFAEL ~lUNOZ. NELSON FALCÓN y ENRIQUE CHAVIRA 555

¡;l(ilJRA 2. Imagen de las cenizas a través del MEB Hitachi S2500.

Fr{jIJI<A 3. Imagen de Ins cenizas a través del MEB Hitachi S2500.

En las Figs. 4 y 5 se Illuestran imágenes de menor re-...,oluciónen el microscopio electrónico de barrido (lS kV).pucden observarse microporos o vesículas características delas piedras pómez. estas se deben a las burbujas de los gasesdisueltos en el magma liberados durante las erupciones.

En las Tablas 11.Uf Y IV se muestran los resultados delan,í1isis químico elemental par¡¡ las distintas muestras co-lectadas en el período 95.98. En cada caso se reportan los<ln¡ílisis sobre diferentes partículas de una misma muestra dcccnizas. seguidamente los valores medios y su desviación es-¡;indar y. en las últimas dos columnas se repon.m los valoresllIií\imo y mínimo de los contenidos elementales.

FJ(;UR,\ 4. A~pec(o de Ja~ vesículas y poros de las cenizas (f\.1EBIlitachi S25(0).

FIGURA s. Il1la~cn que tl1uestra el a!lpecto de las vesículas y porosdc las ccnizas (MEB Ililachi 525(0).

En la Tabla V se muestran los contenidos de elementosquímicos presentes en las cenizas en comparación con la cla-sificación química de las cenizas del volcán Mount St. He-len [7]. Este análisis muestra el alto contenido de Si, Al YFeen las cenizas. alcanzando concentraciones de Fe muy supe-riores a las contenidas en las partículas del St. Helen. Estosvalores porcentuales difieren de la composición química de lamayoría de los residuos sól idos de las aguas geotermales ve-nezolanas. cuyo origcn cs atribuido a vulcanismo sedimenta-rio [10) Yen las que el principal compuesto es la halita (NaCI)en concordancia con el car;ícler bicarbonado-sódicode los re-siduos solidos de estas aguas [11].

dcmcllIo(línea Kn)

~aMgAlSiSKCaTiFe

TA HLA r l. C"<lInposición química elemelllal para la mucstrn de Cl'nil.as uc J (J t)t)S). (peso porcentual).si s2 53 54 S meJia deS\". mino

slanJar3.23 5.09 5.23 6.17 4.93 1.23 3.230.47 2.12 1. 76 1.8 1.54 11.73 0.479.18 16.5 1G.I 18.1 15.0 395 9.18

27.3 58.9 GO.G 62.7 02.-1 IG8 27.3(l.;) O. 11. 11. 013 1125 O.1.1(; 2.9 3.59 2.78 2.61 1.113 1.1G2.46 7.41 G.25 G.01 5.53 2.14 2.4G11.42 1.13 11.99 11.52 11.77 0.35 0.42

.)5.2 5.99 5.51 1.94 17.2 25.4 1.94

/("1'. Mex. n,. 47 (6) (2001) 553-557

max.

6.172.12

18.162.70.53.597.411.13

55.2

556 ELlPSOf\fETRfA y MICRoscopíA ELECfRÓNICA DE BARRIDO DE LAS CENIZAS DEL VOLCÁN POPOCATÉPETL

TABLA ([1. Composición químic~ elemental p~ra la rnucS(ra de cenizas UC3 (1997), (peso porcentual),

EkJllClllO ,1 ,2 s3 S media dcsv. mino max.(línea Ko) standars

Na .l.37 4.08 3i3 4.116 11.32 3.73 4.37M~ {J.72 {J.69 1194 0.78 11.14 11.69 {J.94Al 14.9 14.4 14.1 ¡.I.S {JAI 14.1 14.9Si 55.9 57.9 56.9 G6.!l UIl 5:1.9 57.9S 11. 11. 11. {J. 11. (J. 11K 3.33 395 3.S1 3.70 11.33 :1.33 3.95

Ca 9.42 8.{J8 S.28 8.59 11.72 S.{JS 9.42

Ti 1.55 1.28 1.;'7 Hi 11.16 1.2S 1.57

Fl' !l.75 9.61 lO.7 HIII 1).58 961 10.7

TABLA IV. Composici61l 411írnic~elemental p.m.1 la mueslra de ccnil.<IsUC4 (1995). (peso porcentual).

Elemento si ,2 s3 S media dcsv. mino max.

(línea Ko) slillllJars

Na 3.S1 4.{J6 .US 4.12 {J.34 3.S1 4.4S

M~ 11.32 {J.31 1.22 11.62 0.52 (J.31 1.22

Al 13~ 11.5 1.1.:1 1:l.3 l.tl:) 11.5 145

Si 611.0 62.6 5G.9 :,~).8 2.82 ['G.!l 62.6

S {J. O. 11. 11. 11. O. O.

K .1.SI 7.16 3.85 5.27 \.i0 :3.85 7.16

Col G.85 4.6 7.51 G.32 1.[,3 4.6 7.51

Ti 1.44 1.36 1.39 l.411 11.114 1.36 1.44

Fe 8.97 8.43 10.2 919 {J.S9 8.43 lIJ.2

TABl.." V. Composición química elemental para la mueslra L1cce.nizas. (peso porcentual).

Ekmclllo UCI UC3 UC4 1\'1oUlltSI.

(línea KII) 1995 1997 1095 lIc1cns

Na .1.9:1 4.06 4.12 4.2 - 4.G

,'I~ 1.54 0.78 0.62 1.75- 3.7[,

Al 15.0 14.5 13.3 16.3 -1!J.7

Si ;'J2A 56.9 59.M 61.{J -l;6.11

S 11.13 {J. {J.

K 2.01 •3.70 5.27 1.11- 2.11

Ca ;:;.53 8.59 6.32 4.11 - 611

Ti 0.77 1.47 IA{J 0.75- 2.5

Fe 17.2 111(J 9.19 4.[, - 7.5

-t. Discusiones

Se observa en la Tahla V que el contenido elemental acusalas características típicas si se les compara con las cenizasdel volc&Ínt\lount Sl. Helen. Además parece mostrar que elcontenido de magnesio y hierro se ha incremenwdo desde1995 11.lsta1.11998, il la par que se acusa la disminución. enpeso porcentual, de los contenidos de calcio y titanio en lasceniz¡¡s.

Una mayor .¡bulldancia de calcio y titanio informarían so-bre la presencia tilo': estructura tipo perovskita típicas de laszonas profundas de la corteza terrestre, donde la presión y latemperatura son mayores. mientras que las zonas intermediasde la corteza se caracterizan por estructuras tipo espinela conmayor abundancia de óxidos de magnesio y aluminio. A pro.funJidades menores, en las c.lpas más superficiales de la cor.teza. se esperarí.luna mayor abundancia de silicatos de hierroy aluminio. El incremento de la abundancia relativa del con.tenido de hierro y del magncsio cn la erupción de 1998, res-pecto al contenido relativo dc estos elementos en las cenizascolectadas a finales de 1995, nos informarían de la eyecciónde material mi.Íssuperficial de la cOl1eza en 1998.

Esta última comparación marca una diferencia entre elcontenido elemental de las cenizas del Popocatépetl y de lascenizas del vOIci.Í1lMount SI. Ilclen. En las cenizas colecta-das en el Popocatépetl en 1YY5Y 1997 el contenido de alu-minio supera. como en las cenizas"del Mount Sr. Helen, ~Icontenido de hierro. típico de las regiones intermedias de lacorteza terrestre; cn las cenizas colectadas en enero de 1998en el Popocatépctl el contenido de hierro supera al contenidot:1l .lluminio. infonnúndonos de la cyccción de material mássuperficial de la corteza. Ello es consistente también con ladisminución de los contenidos. en peso porcentual. de calcioy titallio.

Los valores reportados para el índice de refracción y elcocflciente de absorción permiten estimar la profundidad de

Rc,'. Mcx. H,. 47 (6) (2IXlI) 553-557

AARÓN MUÑOZ. RAFAEL MUÑOZ. NELSON FALCÓN y ENRIQUE CHAVIRA 557

penetración de la radiación en las partículas de aerosoles (ce-nizas) en una magnitud del orden de 55 111ll, para la radiaciónCkl"lrollwgnética de longitud de onda G32.8 11m.

Ik la~ imlÍgcncs t\.lEB obtenidas p<1ra las cenizas en con-Ir;tl1los que su longitud característica es del orden de 27.6micrómetros para ;írcas concomitantes con los valores me-didos (G(lll 111ll:l). Es claro que el valor medio de la longitudde penetración es lIlenor que la longitud característica y, porende. las cenizas absorben los fotones de longitud mayor alos n:t2 111ll.

Los valores reportados para los coeficientes de rcHe..xión de Fresnell permiten estimar que la transmitancia deI¡\s ccnizas es 24.;J;J% que conlleva a la absorción mediade 0 ..1814 eV por fotón ab'sorbido para cada micropanículade ceniz<ls.

I~st()s v,llores parecen indicar que los procesos de calenta-miclllo radiarivo por absorción de luz visihle de gran longitudde onda (rojO) y por absorción infrarroja en el material de losllujos piroclásticos del volcán Popocatépetl. pueden jugar unpapel importante en la pennanencia de aerosoles y en las con-diciollcs de visibilidad (",olt!) en las cercanías de la Ciudadde México,

5. Conclusiones

Las llluestras de ccnizas del Popocatépetl cvidencian que.cualitativamente. su composición química elemental es simi.lar a las reportadas para el !vlount Sr. Helcl1, difcrenci.inuosc

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de éste en que las cenizas del Popocatépetl prescntan una va-riación monótona creciente en el contenido de hierro, mag-nesio y aluminio durante el período 1995-1998. El estudioseriado de la composición química elemental de las cenizasy de la abundancia relativa de titanio. magnesio. hierro. cal-cio y aluminio podría proveer información relevante sobre laprofundidad y composición del flujo piroclástico en el Popo-catépet!.

El alto contenido de silicio en las cenizas del Popo-catépetl (52-IJ9%) es consistente con el bajo coeficiente deabsorción efectivo dc las cenizas. en el intervalo 0.2315-O.314G. Por otra parte el índice de refracción efectivo (en elintervalo l. 7,I!JG~1.8G-tG) es característico de los materialesdieléctricos y. por ende. resultan poco transparentes a la ra-diación ekctromagnética.

El úrea lllcdi" de las partículas (600 IlIn2) su estructuraamorfa y la porosidad observada en las imágenes MEB oca-sionan la dispersión de la radiación electromagnética (disper.sión difusa) ¿lfcctando la visibilidad en la atmósfera loca!.

Las estructuras de microporos observadas en las imáge-nes ~lEB. aunado allamaño y amorfia de las cenizas, le con-fieren características que podrían favorecer la suspensión ypermanencia de tales partículas en la atmósfera local. Un es~ludio sobre la transparencia atmosférica, el tiempo de perma-nencia y la aerodinámica de las c("nizas. sería interesante enun futuro. p.m.l lo cual la caracterización de las propiedadesópticas y morfológicas son un elemento importante.

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Trabajo EspeCIal dc grado, Escucla de Geología. UniversidadCClltral Je VCllt'/.lIda. Caracas ( It)~n),

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