RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC - GeoEcoMar

CUPRINS
RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC
pagina
1. OBIECTIVE GENERALE URMARITE IN PROIECT.................................................................2
2. OBIECTIVELE FAZEI DE EXECUTIE.........................................................................................2
3. REZUMATUL FAZEI........................................................................................................................2
4. DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA CU PUNEREA IN EVIDENTA A
REZULTATELOR FAZEI SI GRADUL DE REALIZARE AL OBIECTIVELOR....................4
4.1 Scurt istoric asupra Deltei Dunarii si partii de NV a Marii Negre......................................................4
4.2 Evolutia holocena a Deltei Dunarii si partii de NV a Marii Negre...................................................10
5. METODE STATISTICE MULTIVARIATE DE ANALIZĂ A DATELOR PRIMARE..........15
5.1 Analiza de componente principale.............................................................................................................20
5.2 Aplicatii ale analizei de componente principale in studiul poluarii sedimentelor marine................23
6. TOMOGRAFIA COMPUTERIZATA SI RADIOGRAFIA DIGITALA...................................31
7. DATAREA CU METODA RADIOCARBONULUI A PROBELOR GEOLOGICE................46
7.1 Radiocarbonul in mediu....................................................................................................................47
7.2 Estimarea varstelor utilizand metoda radiocarbonului.....................................................................52
7.3 Tehnici de analiza a radiocarbonului................................................................................................57
7.4 Metode de prelevare si de prelucrare a probelor pentru analiza de determinare a varstei
utilizand C14....................................................................................................................................60
8. FUNDAMENTAREA METODEI DE DATARE A SEDIMENTELOR PRIN METODA
TERMOLUMINESCENTA.................................................................................................................63
8.1 Aplicarea tehnicii de datare prin termoluminiscenta la sedimente...................................................64
8.2 Cinetica fenomenului de termoluminescenta....................................................................................66
8.3 Cinetica de ordinul I. Ecuaţia Randall – Wilkins..............................................................................68
8.4 Cinetica de ordinul II. Ecuaţia Garlick – Gibson..............................................................................70
8.5 Cinetica de ordin generalizat............................................................................................................74
8.6 Reconstructia dozei si / sau datarea unui esantion folosind detectori cu corp solid.........................79
9. CONCLUZII DE ETAPA.................................................................................................................83
10. BIBLIOGRAFIE………………………………………………………………………………….87
1

RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC
1. OBIECTIVE GENERALE URMARITE IN PROIECT
Scopul proiectului este acela de fundamenta stiintific ipotezele referitoare la evolutia Deltei
Dunarii si a partii de NV a Marii Negre sub impactul schimbarilor de clima si al variatiilor de
nivel al marii.
Obiectivele principale urmarite in proiect sunt urmatoarele:
­ obtinerea de informatii multidisciplinare, mult mai exacte decat cele existente, necesare
datarii si reconstituirii evolutiei edificiului Deltei Dunarii si a platoului continental al
Marii Negre sub influenta schimbarilor climatice si a variatiei nivelului marii prin
aplicarea de metode noi de cercetare;
­ cresterea capacitatii institutionale prin colaborarea intre domenii stiintifice foarte
diferite, in vederea construirii unor retele de cercetare;
­ aprecierea si prognozarea riscului pe termen lung generat de modificarile de clima (in
cazul de fata incalzirea globala), cu implicatii directe asupra cresterii nivelului marii;
­ antrenarea in proiecte de anvergura a sectorului privat;
­ intarirea rolului institutelor de interes national si a universitatilor pe plan international
in vederea cresterii vizibilitatii Romaniei in lume.
2. OBIECTIVELE FAZEI DE EXECUTIE
Principalele obiective urmarite in faza de debut a proiectului au un caracter general, de
documentare si informare asupra problematicii complexe a zonei studiate, in vederea
fundamentarii obiectivelor stiintifice generale.
In cadrul fazei s­a efectuat o sintetizare a informatiilor existente, referitoare la Delta Dunarii si
NV­ul Marii Negre, in vederea evidentierii zonelor de interes pentru prelevarea de probe
reprezentative.
Sintetizarea datelor geologice, structurale, geocronologice, tectonice, paleontologice,
micropaleontologice si mineralogice, atat recente cat si cu catacter istoric, va sta la baza
pozitionarii optime a profilelor de probare reprezentativa, in vederea aplicarii metodologiilor
complexe de analiza (RX, tomografie computerizata) si datare (14C, termoluminiscenta).
In acest scop, in raport vor fi fundamentate teoretic si descrise metodele de cercetare care vor fi
aplicate probelor geologice prelevate din zona de interes.
3. REZUMATUL FAZEI
Dr. Gh. Oaie – INCD GEOECOMAR
Previziunile elaborate de organizatii internationale la nivel global au aratat ca pentru anul 2007
schimbarile de nivel ale oceanelor, topirea ghetarilor si a calotelor polare indica un proces clar de
incalzire globala. Un nivel de 650 ppm al gazelor cu efect de sera produce o incalzire globala de
2

4.3 0 C, un nivel de 1000 ppm producand o incalzire de 5.5 0 C. De aceea, pana in 2100 se prevede
o crestere a nivelului marii cu ~ 1 m.
Aceste efecte vor creste gradul de risc si pentru zona de coasta a Romaniei. Referindu­ne strict la
relieful zonei costiere a Romaniei se poate remarca faptul ca 54.6 % din zona situata in fata
Deltei Dunarii are suprafata cu cote de relief intre 0 – 1 m deasupra nivelului marii, 18.2 % ­ cote
de relief intre 1 – 2 m peste nivelul marii si 6.7 % ­ cote de relief peste 2 m (Cota cea mai inalta
12.4 m – dunele Letea). Situatia este diferita in partea sudica a zonei litorale, aceasta avand 52.6
% din lungime sub forma de faleze inalte. In caz de crestere a nivelului marii o buna parte a
zonei de coasta va fi acoperita de ape.
Proiectul “UTILIZAREA SI DEZVOLTAREA DE METODE NOI PENTRU INVESTIGAREA SI
DATAREA SCHIMBARILOR MAJORE DE CLIMA SI NIVEL AL MARII IN DELTA DUNARII
SI MAREA NEAGRA IN VEDEREA RECONSTITUIRII EVOLUTIEI SI PROGNOZAREA
RISCURILOR ASOCIATE” isi propune sa aplice si sa dezvolte un complex de metode moderne
si noi de cercetare aplicate in studiul fromatiunilor sedimentare din Delta Dunarii si Marea
Neagra.
Scopul aplicarii acestora este acela de a cunoaste schimbarile climatice si de nivel al marii,
produse in regiune in ultimele 2 mil. de ani, ca parte componenta a schimbarilor climatice
globale.
Necesitatea fundamentarii stiintifice a unor eventuale propuneri de masuri de protectie,
aplicabile in vederea reducerii/eliminarii unor posibile riscului la hazardele naturale, va urmari
protejarea diversitatii biologice, a zonelor costiere, inclusiv a realizarilor antropice existente si
viitoare.
Caracterul profund interdisciplinar al poiectului rezida din faptul ca se vor aplica metodologii
complexe si foarte variate din fizica (tomografie, radiografie), radiochimie (spectrometie gamma
de inalta rezolutie), geologie (granulometrie, mineralogie, macro si micropaleontologie),
geofizica (seismo­acustica, mono­ si multibeam, susceptibilitate magnetica), geochimie
(spectrometrie), geocronologie (datari prin metoda 14 C si termoluminiscenta) etc.
In acest fel pot fi cunoscute problemele de mediu, precum schimbarile climatice si de nivel al
marii, cu implicatii la scara regionala, dar ca parte componenta a schimbarilor climatice globale.
Prin implicarea unui parteneriat larg s­a creat un ansamblu complex de metode de cercetare:
tomografie, radiografie, datari prin metoda 14 C si termoluminiscenta, spectrometrie gamma de
inalta rezolutie etc.
Aplicarea acestora are ca obiective majore urmatoarele: cresterea performantei stiintifice in
vederea obtinerii de informatii multidisciplinare, mult mai exacte decat cele existente, necesare
datarii si reconstituirii evolutiei edificiului Deltei Dunarii si a platoului continental al Marii
Negre, sub influenta schimbarilor climatice si a variatiei nivelului marii.
In concluzie, pe langa cunoasterea evolutiei geologice a Deltei Dunarii si partii de NV a Marii
Negre, prin aplicarea de metode noi de cercetare, se va urmari si evolutia fenomenelor naturale
datorate incalzirii globale (ex. cresterea nivelului marii), in vederea formularii de previziuni
asupa influentelor viitoare din zonele de coasta (mai ales cele cu cote de relief foarte scazute, de
tip plaja sau delta) si, implicit, propunerea de masuri de reducere/eliminare a posibilelor riscuri.
3

4. DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA CU PUNEREA IN EVIDENTA A
REZULTATELOR FAZEI SI GRADUL DE REALIZARE AL OBIECTIVELOR
Prof. dr. N. Panin, Dr. Gh. Oaie – INCD GEOECOMAR
4.1 Scurt istoric asupra Deltei Dunarii si partii de NV a Marii Negre
Dr. Gh. Oaie – INCD GEOECOMAR
Delta Dunarii reprezinta un ecosistem acvatic si terestru care ocupa 2,5 % din suprafata tarii.
Delta are multe caracteristici care ii confera un caracter unic intre deltele de pe glob, ea
reprezentand, spre exemplu, cea mai intinsa suprafata compacta cu stuf.
Evolutia edificiului deltaic continua si astazi. Doar urmarind procesele care se desfasoara astazi
pe acest teritoriu, pot fi imaginate cele care s­au desfasurat in trecut,
avand in vedere faptul ca principalii contributori genetici ai edificiului deltaic au fost Dunarea si
Marea Neagra.
Din punct de vedere istoric Dunarea este metionata in documente inca din epocile greaca si
romana. Daca grecii numeau Dunarea Danubius, romanii foloseau denumirea de Danubius
pentru cursul superior si Istros pentru cel inferior. Herodot, care intre anii 454­447 i.c. a vizitat
tarmurile Marii Negre ajungand pana la Nistru, descrie Istrosul ca fiind cel mai mare dintre
fluviile vazute pana in acel moment, si mentioneaza ca fluviul se varsa in mare prin cinci brate.
Ptolemeu, in Itinerariul Antonin da coordonatele tuturor punctelor descrise de el la gurile
Dunarii. Polibiu (201­120 i.c.), Strabon (58 i.c. – 25 d.c.), Ovidiu (43 i.c. – 17 e.n.), Pliniu cel
Batran (23­79 d.c.; Naturalis Historia), si Flavius Arrianus (~95­175 d.c.; Periplus Ponti Euxini)
in scrierile lor aduc informatii asupra Deltei Dunarii, din care pot fi sintetizate urmatoarele:
formarea deltei deja incepuse, Dunarea se varsa in mare printr­un numar mai mare de brate decat
azi, frontul deltei era situat mult spre vest fata de pozitia actuala, in fata gurilor fluviului existau
sase insule, cea mai mare fiind cunoscuta sub numele de Peuce (Pomponius Mela, sec. I d.c.).
Pana in sec. XV, informatiile asupra Dunarii si deltei sale nu sunt prea multe. Nou ar fi faptul ca
incep sa fie redactate harti, chiar daca unele sunt departe de a reprezenta realitatea. Intre 1550­
1770 au fost editate o serie de harti , cea mai importanta fiind editata in 1880 de contele Kiseleff,
aceasta descriind o serie de insule in zona Chilia. In anul 1856, de Marigni editeaza “Hidrografia
Marii Negre si a Marii de Azov”, lucrarea cuprinzand numeroase date hidrografice, dar si
geologice si geografice.
Prin infiintarea Comisiei Europene a Dunarii gradul de cunoastere si precizia reprezentarilor
cartografice cresc foare mult.
Dupa anul 1900 cercetatori precum Murgoci (1912), Antipa (1914­1941), Bratescu (1921­1942)
publica studii si harti ale Deltei Dunarii. Alaturi de acestia si alti cercetatori romani si straini,
precum Sevastos (1905, 1907), Lepsi (1924), Valsan (1934), Nastase (1935), Ciocardel (1937),
Pfannenstiel (1950), Zenkovitch (1956­1960), Papiu (1957), Ionescu (1958), Mihailescu,
Dragomirescu (1959), Liteanu et al (1961), Liteanu, Pricajan (1963), Almazov et al (1963),
Panin (1971­2007), Mihailescu et al (1971 – 1993) si altii, aduc informatii deosebite referitoare
la aparitia si evolutia in timp a edificiului Deltei Dunarii, dar si a zonei marine adiacente.
Hidrobiologul Grigore Antipa (1921) a fost primul care a aratat ca pentru studiul evolutiei deltei
trebuie sa tinem seama de numerosi factori, printre care cei care au transformat un vechi golf al
Marii Negre in delta actuala. Autorul afirma ca delta este “partea cea mai tanara a acestui
batran fluviu” (Dunarea; n.a.). Pe teritoriul deltei, Dunarea se desparte in bratele Chilia (care ia
63 % din debitul lichid al fluviului; masuratori hidrologice efectuate la nivelul anului 1921),
4

Tulcea (37 % din debitul lichid), care la randul sau se bifurca in Sulina si Sf. Gheorghe (la Ceatal
Sf. Gheorghe). Autorul remarca rolul esential al marii in formarea edificiului deltaic (“Aceasta
formare de cordoane litorale la coasta marii si de zatoane, care se alipesc de mal, ne arata insa
ca si marea conlucreaza la formarea deltei”; Antipa, 1921), aratand ca grindul Caraorman este
format din nisip marin. Sunt analizate “grindurile longitudinale formate prin depunerile bratelor
de Dunare”. “Factorii naturali care au conlucrat la transformarea acestui estuar in delta si la
formarea mai departe a deltei...sunt: forma si directiunea generala a coastei, valurile si curentul
marii, vanturile dominante, relieful si natura fundului estuarului, curentul fluvial si aluviunile
aduse de el in suspensie, salinitatea apei, vegetatiunea si eventual si vre­o miscare izostatica”.
Autorul nu uita sa mentioneze rolul jucat de “iesituri ale coastei in forma de pinteni care
provoaca formarea de cordoane litorale ...prin care izoleaza portiuni din mare ca lacuri si
zatoane si le incorporeaza coastei, colmatand golfuri si limane formate din ele”.
De asemenea, o contributie deosebita adusa la cunoasterea Deltei Dunarii a avut­o Bratescu
(1923) care, in lucrarea “Delta Dunarii: Geneza si evolutia sa morfologica si cronologica” ofera
un model evolutiv al edificiului deltaic: Tertiar – zona deltei era un golf al marii; Diluviu – zona
devine uscat peste care se acumuleaza un strat gros de loess (cu fragmente fosilizate de rinoceri
si mamuti); Cuaternar sup. – are loc o transgresiune marina (cauze posibile: afundarea uscatului,
topirea calotelor polare si a ghetarilor), apele marii inaintand mult in interiorul uscatului. In
aceasta perioada gura de varsare a Dunarii era undeva in zona Isaccei. In aceste conditii incepe,
in acceptiunea autorului, formarea edificiului deltaic. De asemenea, trebuie mentionat faptul ca
autorul vine cu o serie de date noi referitoare la topografia Deltei Dunarii (Ceatal Ismail +3,66
m, gura Sulina – 0,46 m, cu o inclinare intre puncte de 0,046 m/km). Lucrarea mentionata
anterior se ocupa si de partea marina din fata deltei, remarcand faptul ca “Marea Neagra n’are
maree care sa risipeasca sedimentele aduse de Dunare”, vantul avand o importanta deosebita, el
conducand la o “...oscilare a Marii, care seamana intru catva cu mareele” cu “...influenta
asupra bancului submarin al Sulinei”. La actiunea vantului se adauga si actiunea curentului
litoral marin, “repeziciunea sa la doi km de la coasta fiind de 3 m”. Bratescu (1922), pe baza
informatiilor prelucrate a elaborat si o serie de schite cu referire la batimetria gurilor Sulina si
Sf. Gheorghe la nivelul anilor 1857 – 1887. Lucrarea este insotita de o harta a Deltei Dunarii cu
detalierea evolutiei Deltei Chilia, pe care o prezentam mai jos:
5

Vâlsan (1935) comentand ipotezele deja existente asupra Deltei Dunarii remarca faptul ca
aceasta este o formatiune recent formata intr­un golf marin, inchis de un cordon litoral care
pornea de la Jibrieni (Ucraina) si se prelungea spre sud. In fata deltei “insulele” Letea si
Caraorman reprezinta un paleorelief initial acoperit de dune. Acest paleorelief era format dintr­
un strat de argila acoperit de un altul loessoid, ambele aflate acum la o adancime de 3­6 m sub
nivelul marii. Toate modificarile survenite in cadrul edificiului deltaic s­au produs intr­un timp
geologic scurt (!).
In completarea opiniilor lui Vâlsan, Nastase (1935) face o serie de interpretari asupra traseului
vailor submarine ale Dunarii, Cogâlnicului, Nistrului si Niprului pe platoul de NV al Marii
Negre. Autorul, interpretand atat datele geomorfologice si batimetrice proprii, cat si pe cele
culese din diversi autori straini (Brauner, 1910; Poprucic, 1924) ajunge la concluzia ca in epoca
premergatoare formarii limanelor Marii Negre, cand nivelul acesteia era cu 40 – 50 m mai
coborat decat cel actual, gurile de varsare ale raurilor mentionate erau situate mult mai la sud. Pe
baza datelor batimetrice si morfologice ale fundului marii autorul traseaza vechile cursuri ale
raurilor, acestea fiind acoperite de o patura de aluviuni adusa de aceleasi rauri in perioada de
crestere a nivelului marii. Referitor la formarea limanelor din jurul Marii Negre autorul ajunge la
concluzia ca acestea s­au format din cauza “jocului vertical al ariilor continentale”.
Incepand cu anul 1956 in Delta Dunarii incep sa fie executate numeroase lucrari de cercetare si
prospectiune, din 1966 Institutul Geologic efectuand lucrari de detaliu pentru cartarea si
evaluarea zacamintelor de minerale grele. IGP impreuna cu IFLGS executa numeroase foraje de
cercetare, acestea aducand importante informatii necesare redactarii unor modele de evolutie a
edificiului deltaic.
Liteanu, Pricajan (1966), pe baza numeroaselor observatii provenite din cartarea zonei deltaice, a
analizelor de laborator, dar si a datelor de foraj construiesc un model evolutiv al deltei, dupa cum
urmeaza:
­ Villafranchian – un strat de argila rosie formeaza fundamentul edificiului deltaic;
­ St. Prestian – depunerea unui strat de pietrisuri (grosime 20 – 30 m, dupa Liteanu,
Pricajan, 1962) peste argila rosie, acestea reprezentand conul aluvial al Dunarii
(Liteanu, Ghenea, 1966). Acest strat grosier s­a extins pe o zona mult mai larga decat
actualul areal al deltei, inclusiv pe platoul continental al Marii Negre;
­ Pleistocen med. – acumulare de depozite marine;
­ Rissian – acumulare de nisipuri cu fauna de apa dulce (faza de regresiune marina care
a condus la aparitia primei formatiuni deltaice);
­ Riess – Würm – depozite nisipoase marine (faza de transgresiune marina);
­ Würmian – depozite nisipos­argiloase cu fauna salmastra (transgresiune marina;
stadiul neoeuxinic al Marii Negre);
­ Holocen inf. – acumulare de nisipuri fine cu fauna de moluste salmastre
(transgresiune marina);
­ Holocen sup. – acumulare de depozite deltaice cu Corbicula fluminalis (specie
disparuta la nivelul anului 1966).
Succesiunea depozitelor indica o subsidenta accentuata a cuvetei deltaice.
Liteanu, Ghenea (1966) in lucrarea “Cuaternarul din Romania” descriu pentru Cuaternarul din
Dobrogea argia rosie villafranchiana, semnalata inca de Macovei (1917). Putand fi utilizata ca un
orizont reper (grosimea acesteia variind intre 3 – 10 m), pentru zona costiera a Dobrogei de Nord
si sub depozitele Deltei Dunarii. Daca, in mod obisnuit peste argila rosie urmeaza depozite
loessoide, in anumite locuri ea este acoperita de depozite marine. In Delta Dunarii autorii
subliniaza ca, in Pleistocenul mediu apele marii acopererau actualul teritoriu al deltei (stadiul
paleoeuxinic al Marii Negre). In vederea realizarii unor corelari a depozitelor cuaternare la scara
regionala Liteanu, Ghenea (1966) fac o paralelizare a succesiunilor stratigrafice din Delta
Dunarii cu cele din Depresiunea Vlaha, Marea Neagra si Marea Mediterana (Tabel 1)
6

Tabel 1. Paralelizarea stratigrafica a depozitelor deltaice cu alte zone (Liteanu, Ghenea, 1966)
Popp, Pricajan (1969) in lucrarea « L’origine des terrains fermes du Delta du Danube » fac
numeroase consideratii asupra evolutiei cuaternare a Deltei Dunarii, dar si a zonei de coasta a
Marii Negre. Autorii separa o “delta fluviala”, mai veche, formata de­a lungul bratului Sf.
Gheorghe si o “delta marina”. Referitor la coasta Marii Negre se pare ca aceasta aparea ca o
faleza inalta si dantelata ce urmarea conturul uscatului dobrogean. In zona actualei delte existau
doua golfuri despartite de “peninsula Dunavat”.
Din 1971 Laboratorul de geologie marina al IGG a efectuat anual cercetari detaliate in delta,
scopul principal fiind valorificarea resurselor naturale ale acesteia. Lucrari de prospectiune si
explorare pentru substante minerale utile au fost efectuate de Intreprinderea de Prospectiuni
Geologice si Geofizice (IPGG), respectiv Intreprinderea de Foraj si Lucrari Geologice Speciale
(IFLGS) si unitatile de cercetare teritoriale.
Panin (1972, 1974) evidentiaza fazele principale ale evolutiei Deltei Dunarii in timpul
Holocenului (Fig.1), avand la baza si o serie de datari 14 C pe diversele paleodelte. In cadrul altor
studii (Panin, 1976) autorul mentioneaza ca delta submarina se intinde pe o suprafata mai larga si
ca un sistem de conuri submarine ocupa panta contimentala atingand, in cadrul bazinului,
adancimi de pana la 2000 m (Fig. 2).
7

Fig. 1. Evolutia holocena a Deltei Dunarii (Panin et al., 2005)
8

Fig. 2. Unitatile morfologice si depozitionale majore de pe teritoriul Deltei Dunarii (Panin, 1989)
1. Campia deltaica: 1a. Campia deltaica fluviala, 1b. Campia deltaica marina, 1c. Cordoane litorale fosile si
actuale. 2. Frontul deltaic: 2a. Platforma frontului deltaic 2b. Relicte ale paleodeltei Sulina, 2c. Panta
frontului deltaic; 3. Prodelta, 4. Linii de egala adancime (izobate)
9

4.2 Evolutia holocena a Deltei Dunarii si partii de NV a Marii Negre
Prof. dr. N. Panin, Dr. Gh. Oaie – INCD GEOECOMAR
Dupa acelasi autor (Panin, 1976) regresiunea wurmiana (Neoeuxin), cand nivelul actual al marii
era cu 100 m mai jos, a avut o influenta deosebita asupra formarii edificiului deltaic, fenomenul
favorizand o eroziune puternica a zonei de self. Din formatiunile deltatice cuaternare vechi s­au
pastrat doar o serie de relicte in zona Letea – Caraorman. Transgresiunea de la inceputul
stadiului nou al Marii Negre a favorizat formarea cordonului initial Letea – Caraorman,
permitand aparitia asa numitului stadiu de “ delta blocata”. Datorita bratului Sf. Gheorghe se
formeaza prima delta “Sf. Gheorghe I” (Fig. 1). Aparitia unui nou brat (Paleo­Sulina) conduce la
aparitia altui edificiu deltaic – “Sulina”. In timpul regresiunii fanagoriene, in acelasi timp cu
formarea deltei Sulina, spre sud se mai formeaza un mic edificiu deltaic – ”Cosna”. Urmatoarea
faza de evolutie a Deltei Dunarii corespunde cu etapa actuala. Colmatarea bratului Paleo­Sulina
impulsioneaza dezvoltarea bratului Chilia, cu formarea edificiului deltaic cu acelasi nume, si
reactiveaza bratul Sf. Gheorghe care va forma “Delta Sf. Gheorghe II”. In partea extrem sudica a
zonei deltaice se mai formeaza o mica delta numita “Sinoe”.
Majoritatea informatiilor a fost obtinuta din cartarea de suprafata (Panin, 1969­1989) si din
datele de foraj (Fig. 3).
Fig. 3. Distributia forajelor executate pe teritoriul Deltei Dunarii (dupa Panin, 1983)
In momentul de fata se poate afirma ca Delta Dunarii poate fi impartita in mai multe sisteme
depozitionale majore: campia deltaica, frontul deltei si prodelta (Panin, 1983, 1989)(Fig. 2).
Campia deltaica se dezvolta intre punctul numit Ceatal Ismail (Mila 44) acolo unde Dunarea se
imparte in doua brate Chilia si Tulcea., aria avamnd o suprafata de 5800 km 2 . Frontul deltaic are
o suprafata de 1300 km 2 care se intinde in zona marina pana la adancimi ale apei de pana la 40
10

m. Prodelta se dezvolta in zona de offshore fiind situata la adancimi ale apei cuprinse intre 30 –
40 m (limita estica a frontului deltaic) si 50­60 m si ocupand o suprafata de peste 5500 – 6000
km 2 (Panin, 2003). In zona prodeltaica morfologia fundului variaza, aceasta fiind marcata de
prezenta vailor sau canalelor submarine (uneori cu adancimi semnificative, de la 4 m la 10 m)
bordate de levee sau zone mai ridicate. Canalele reprezinta caile de transport ale sedimentelor
provenite din zonele de varsare ale bratelor fluviului, probabil in momentele de viitura, catre
panta continentala.
In zona de panta continentala a Marii Negre structura geomorfologica principala o reprezinta
Canionul Viteaz, acesta datand din perioada de regresiune marina, cand cursul Dunarii se
extindea mult spre est. Trebuie mentionat faptul ca, la baza pantei continentale s­a format un
sistem de conuri turbiditice submarine datorate aportului de sedimente neconsolidate acumulate
la partea superioara a pantei si alunecate in zona adanca fie pe panta, fie prin canioanele care
brazdeaza suprafata acesteia (Fig. 4).
47°00'
46°00'
45°00'
Latit
udin
e
44°00'
43°00'
Marea Neagră
Sectorul
nord­vestic
0 50 Mm
Varna
Constanta
E
10
0
m
D
C
Odessa
1500 m
Conul abisal
al Dunarii
2000 m
Conul abisal al
fluviilor ukrainiene
A – Zona gurii Niprului F – Platoul continental cu deficit de
sedimente
B – Zona gurii Nistrului G – Panta continentala
C – Frontul Deltei Dunarii H – Complexe de conuri abisale
D – Prodelta Dunarii I – Câmpia abisala
E – Zona de influenta a Dunarii J – Coasta Crimeei
100 m
Fig. 4. Sistemul de conuri turbiditice submarine situat la baza pantei continentale
F
B
G
H
A
I
Sevastopo
l
1500 m
2000 m
27°00' 28°00' 29°00' 30°00' 31°00' 32°00' 33°00' 34°00'
Longitudine
J
11

In vederea cunoasterii evolutiei edificiului Delta Dunarii s­au efectuat, sporadic, de­a lungul
timpului, o serie de datari pe probe geologice, utilizand metoda 14 C (Fig. 1). Pe baza acestor
datari s­a putut constata ca evolutia sa holocena a avut mai multe faze (Panin, 2003):
­ formarea cordonului initial Letea – Caraorman: 11700­7500 BP;
­ Delta Sf. Gheorghe I: 9000­7200 BP;
­ Delta Sulina: 7200­2000 BP;
­ Deltele Sf.Gheorghe II si Chilia: 2800­Prezent;
­ Deltele Cosna si Sinoe: 3500­1500 BP.
Din punct de vedere sedimentologic, de la suprafata pana la adancimea de 70­100 m edificiul
Delta Dunarii este format din depozite detritice de natura fluvio­lacustra, care, din punct de
vedere granulometric acopera un spectru cuprins intre argile si pietrisuri (Fig. 5).
Fig. 5. Sectiune litologica prin Delta Dunarii.
Edificiul deltaic, plasat intre falii crustale profunde (Sf. Gheorghe la sud si Vaslui­Cetatea Alba
la nord), are o alcatuire geologica complexa (Fig. 6). Facand parte dintr­un sistem de unitati
geotectonice majore (Platforma Scitica) Delta Dunarii, ca unitate apartinand Depresiunii
Predobrogene, are un fundament geologic in cadrul caruia au fost separate sase cicluri de
sedimentare (Patrut et al, 1983): Paleozoic, Triasic inf., Triasic med.­sup, Jurasic, Cretacic inf. si
Sarmatian­Pliocen. In ultimul ciclu de sedimentare s­au acumulat depozite de argile, nisipuri si
gresii (200 – 350 m) peste care stau argilele rosii villafranchiene.
In ceea ce priveste cunoasterea zonei submarine de NV a Marii Negre, situata sub directa
influenta a Dunarii, dar si a raurilor tributare din nordul Marii Negre (Nistru, Nipru, Bug) lucrari
recente (Winguth et al., 2000, Popescu et al., 2001), bazate pe metode moderne de cercetare
(seismica, seismo­acustica, tehnici izotopice) a permis obtinerea unor informatii detaliate
referitoare la geomorfologia zonei si la alcatuirea sa din punct de vedere geologic­
sedimentologic. In zona profunda a bazinului nord­vestic al Marii Negre au fost evidentiate
conuri submarine suprapuse (Fig. 4) care, la randul lor, pot fi separate ­ secvente seismice
marcate de procese de sedimentare de la alunecari in masa (primele doua), in baza succesiunii,
pana la depuneri tipice de depozite turbiditice (urmatoarele sase) sub forma de canale, levee, etc,
catre partea superioara (Winguth et al., 2000). S­a putut constata ca variatiile de nivel ale marii
in ultimii 900 ani sunt diferite de cele ale Oceanului Planetar datorita izolarii bazinului Marii
Negre fata de acesta in perioadele de intrerupere a legaturii cu Marea Mediterana. Potrivit lui
Wong et al (1997) intervale de depunere ale ultimelor sase secvente mentionate mai sus ar fi: S3:
12

480 000­400 000 ani, S4: 400 000­320 000 ani, S5: 320 000­190 000 ani, S6: 190 000­75 000
ani, S7: 75 000­25 000 ani, S8: ultimii 25 000 ani.
In general se accepta ca Marea Neagra este un bazin back­arc, care s­a deschis in timpul
Mezozoicului deasupra litosferei oceanice tethysiene care se subducea spre nord (Bocaletti et al.,
1974; Şengör & Yilmaz, 1981). Datele geologice si geofizice indica faptul ca in Cretacicul
mediu intreaga arie a Marii Negre a fost afectata de extensie si rifting (Finetti et al., 1988; Görür,
1988; 1997; Banks & Robinson, 1997; Yilmaz et al., 1997; Nikishin et al., 2001). Varsta
procesului de rifting in intreaga arie a Marii Negre a fost sugerata ca Aptian­Albiana (Görür,
1997).
Analiza recenta a datelor geologice existente a condus la concluzia ca deschiderea bazinului
Vestic al Marii Negre a avut loc in intervalul Aptian­Cenomanian, prin riftingul unui fragment
continental de pe selful Odesei (blocul Istanbul), de­a lungul faliilor Vest Marea Neagra si Vest
Crimea (Okay & Görür, 2004). Blocul Istanbul a suferit drifting spre sud, deschizand la nord
Bazinul Vestic al Marii Negre si inchizand concomitent la sud Oceanul Tethys (Okay et al.,
1994).
Constitutia si structura geologica a blocului Istanbul sugereaza ca acesta provine din zona sudica
a selfului Odesei si cuprinde două terenuri tectonostratigrafice diferite: terenul Istanbul, care
reprezinta un fragment asemanator cu partea estica a zonei Tulcea a Dobrogei de Nord si terenul
Zonguldak, care constituie foarte probabil un fragment din Platforma Scitica.
Analiza de paleostress confirma faptul ca in intervalul Aptian­Coniacian Dobrogea a fost
afectata de extensie pe directie SE (Hippolyte, 2002), extensie compatibila cu procesele de
rifting din bazinul vestic al Marii Negre, urmate de driftul spre SE al blocului Istanbul din
Pontidele Vestice. In Cretacicul terminal­Paleogen, fractura Peceneaga­Camena a fost reactivata
ca o falie inversa. Discordanta de la baza Cenomanianului din Bazinul Babadag, dispus atat peste
formatiunile orogenului nord­dobrogean puternic erodat, cat si peste rocile fundamentului
Neoproterozoic din nord­estul Dobrogei Centrale, reprezinta discordanta de spargere (breakup
unconformity) legata de initierea expansiunii crustale in Bazinul Vestic al Marii Negre.
In timpul Eocenului inferior blocul Istanbul a suferit o coliziune cu blocul Sakarya de la sud.
Coliziunea a declansat o schimbare majora a regimului tectonic din aria Marii Negre, de la
extensie la compresie. Se considera ca extremitatea estica a Bazinului Vestic al Marii Negre s­a
deschis in intervalul Aptian­Turonian, prin rotire senestra (Okay & Görür, 2004).
Partea de vest a Marii Negre, si anume coastele Ucrainei, Romaniei si Bulgariei, precum si
nordul Marii Marmara, ar trebui sa fie influentate de tectonica extensionala activa in vestul
Pontidelor si Marea Egee (Fig. 6).
Pozitia ocupata de Delta Dunarii (Fig. 7), in context geotectonic regional, este la partea
superioara a Platformei Scitice. Din datele geologice si geofizice de adancime rezulta ca rama
sudica a cratonului Est­European este bordata de o centura orogenă paleozoica denumita mai
recent Orogenul Scitic­Marele Caucaz sau orogenul Euxinus si care reprezinta continuarea spre
est a Variscidelor Europei Centrale si de Vest (Nikishin et al., 2000, 2001).
Platforma Scitica este constituita din mai multe segmente, printre care si Depresiunea
Predobrogeana (Muratov & Tseisler, 1982), o depresiune Mezozoica­Cenozoica dezvoltata pe un
bazin de rift permo­triasic. Fundamentul depresiunii, constand din roci magmatice
Neoproterozoice, este acoperit discordant de siliciclastite marine la continentale depuse in
intervalul Vendian­Silurian (Neaga & Moroz, 1987; Vaida & Seghedi, 1997). Devonianul
13

inferior cuprinde mai ales clastite marine de apa putin adanca, urmate de o succesiune groasa
carbonatica Devonian medie­Carbonifer inferioara a unei margini pasive nordice; ele sunt
acoperite de clastitele neritice la clastite continentale cu carbuni ale Carboniferului superior.
Structura paleozoica este controlata de riftogeneza din timpul Permianului. In cadrul bazinului de
rift au o mare raspandire vulcanitele bimodale Permian superioare ale asociatiei bazalte alcaline­
trahite, care formeaza complexe vulcanice­vulcanoclastice in semigrabenele Sulina si Sarata,
precum si dykeuri (Neaga & Moroz, 1987; Seghedi et al., 2003). Complexele vulcano­
sedimentare sau evaporitice legate de riftogeneza permiana sunt urmate local de succesiuni
triasice epicontinentale. Succesiunile discordante ale Jurasicului includ argile marine ce suporta
calcare recifale. Succesiunile continentale si neritice ale Cretacicului inferior, in care se remarca
prezenta faciesurilor continentale­lagunare, cu argile rosii sau vargate, gresii si siltite cu ciment
feruginos sau evaporitic (Ion et al., 2002), sunt urmate de succesiuni epicontinentale transgresive
ale Cretacicului superior.
CA R PA TI
PLATFORMA
IM
MOESICA
BALCANII
SREDNOGORIE
MASIVUL
RODOPI
BAZINUL
TRACIC
STRAND JA
DC
CO
DS
SG
DN
PC
M r
Istanbul
DPD
Falia Vest ea
a Ne agra
Ridicarea
Chilia
Ridicarea
Kalamit
Fosa Karkinit
F alia
Bazinul Vest Marea Neagra
ZONA SAKARYA
30
30
C R A T O N U L E S T E U R O P E A N
ZONA ISTANBUL
Zonguldak
PONTIDE VESTICE
Ves ­Crim ea
t
Fosa
Alma
CAMPIA
CRIMEII
O RO G EN UL CR IMEI I D E SUD
Kure
Fosa Sorokin
Ridicare a An drusov
Falia Nord iana
Anatol
Fosa N A zov
Fosa
Kerch­Taman
PONTIDE CENTRALE
Fosa Indol­Kuban
Fosa Tu apse
Ridicarea Shatsky
Bazinul Est M area Neagra
40
PONTIDE ESTICE
PLATFORMA SCITICA
40
Falia Pshekish­Tyrnyauz
CAUCAZUL MARE
Fig. 6. Unitatile structurale majore din jurul Marii Negre (in Seghedi, 2007)
Fig. 1. Unitatile structurale din juru l Marii Negre
(compilata dupa Okay et al, 1994, Ylmaz et al, 1997, Robinson, Kerusov, 1997, Nikishin et al, 2001)
(compilata dupa Okay et al., 1994; Yilmaz et al., 1997; Robinson & Kerusov, 1997;Nikishin et al., 2001)
D Z I R U L A
ADZHARA ­
TRIALET
TRANSCAUCAZ
CAUCAZUL MIC
Linia verde reprezinta traseul Transectului VII. Abrevieri: DPD ­ Depresiunea Predobrogeana; DN ­ Dobrogea de Nord;
DC ­ Dobrogea Centrala; DS ­ Dobrogea de Sud; SF ­ Falia Sfantu Gheorghe; PC ­ Falia Peceneaga­ Camena;
CO ­ falia Capidava­Ovidiu; IM ­ F alia Intramoesica
14
45
43
41

Pozitia Deltei Dunarii
Fig. 7. Sectiune geologica adanca prin Platforma Scitica, cu precuzarea pozitiei geostructurale a Deltei Dunarii
(compilat dupa Seghedi, 2007)
5. METODE STATISTICE MULTIVARIATE DE ANALIZĂ A DATELOR PRIMARE
Prof.dr. O. Duliu – Universitatea Bucuresti, Facultatea de Fizica
In vederea unei abordarii moderne a prelucrarii statistice a datelor, inclusiv geologice,
geocronologice sau de alta natura, este prezentat principiul analizei de componente principale, cu
exemplificare pe un set de date originale provenind de la o carotă colectata din zona anoxica a
Marii Negre, privind distributia pamanturilor rare.
15

Metodica abordata va fi utilizata in cadrul proiectului pentru prelucrarea datelor care vor fi
obtinute.
Analiza de componente principale reprezintă un caz particular al unei tehnici de analiză satistica
cunoscuta sub numele de analiza de factori al caror scop final consta in evidentierea unor
structuri preexistente intr­o mulţime de date multivariate. Aceste structuri in general sunt
exprimate prin intermediul variantei si covariantei variabilelor ca si al similaritatilor si
disimilaritatilor dintre obiecte.
Ca si in cazul analizei de cluster, analiza de factori poate fi efectuata atat in mod R, in care caz
este investigata interactia dintre variabile, analiza facandu­se pe cazuri, cat si in mod Q, situatie
in care este investigata interactia dintre cazuri, analiza facandu­se in aceasta situatie pe variabile.
In cazul analizei in mod Q, procedura de analiza consta in principal in extragerea valorilor
proprii si ale vectorilor proprii dintr­o matrice ce exprima similaritatile dintre toate perechile
posibile de obiecte, similaritati exprimate prin intermediul valorilor numerice ale variabilelor.
Fig. 8 Exemplu de prezentare a
matricii de date X, in cazul de fata
concentratiile a sapte lantanide in
sedimente colectate din zona
anoxica a Mari Negre Matricea X
consta din m = 7 coloane (variabile)
si din n = 45 de randuri (cazuri).
(Duliu et al. rezultate nepublicate)
Cazuri
(adâncimea în cm a poziţiei probelor recoltatefaţă de suprafaţa sedimentelor)
Variabile
(concentraţiile în ppm a lantanidelor)
La Ce Nd Sm Eu Tb Yb
0.25 25.04 45.69 15.56 4.243 1.228 0.6528 1.588
0.75 24.34 46.09 10.25 4.224 0.9028 0.6924 1.708
1.25 24.96 47.36 17.47 4.202 1.048 0.7318 1.815
1.75 23.19 49.58 20.56 4.913 1.212 0.7186 1.535
2.25 23.26 39.86 8.657 4.432 0.8305 0.5886 1.293
2.75 23.25 51.11 20.35 5.006 1.076 0.77 1.996
3.25 27.75 46.09 13.34 4.884 1.545 0.751 1.686
3.75 25.24 49.45 12.02 5.938 1.027 0.7806 1.76
4.25 25.52 52.83 17.07 5.23 0.8034 0.7372 1.955
4.75 24.16 44.59 25.73 4.933 0.9035 0.6805 1.737
5.25 27.31 53.98 10.51 5.178 1.297 0.7923 1.719
5.75 26.03 39.82 15.7 5.605 1.23 0.7382 1.481
6.25 25.58 54.38 13.62 5.741 1.098 0.7511 1.883
6.75 27.09 54.7 17.27 5.783 0.9033 0.8061 1.693
7.25 26.42 52.8 16.6 5.637 0.8301 0.732 1.698
7.75 25.86 49.4 17.66 5.382 1.041 0.6802 1.686
8.25 23.07 48.15 2.87 5.877 0.7818 0.6876 1.619
8.75 19.01 44.62 18.25 2.385 0.8818 0.6012 1.681
9.25 23.59 49.45 24.34 3.095 0.9471 0.6672 1.889
9.75 24.15 54.8 18.39 3.425 0.8461 0.6671 1.686
10.25 25.59 58.96 19.75 3.397 0.9596 0.704 1.717
10.75 27.78 63.9 27.33 3.751 0.9645 0.7412 1.848
11.25 25.13 56.77 23.18 3.574 0.8042 0.6706 1.77
11.75 24.87 60.13 18.63 4.222 0.2993 0.8257 2.194
12.25 27.31 66.62 22.56 4.435 0.3946 0.8752 2.317
12.75 27.19 61.74 23.76 3.595 0.9318 0.7549 1.898
13.25 24.81 56.14 9.681 4.816 0.9723 0.7443 2.023
13.75 23.48 59.8 17.08 4.099 0.3756 0.8155 2.022
14.25 25 57.96 24.82 3.151 0.9282 0.688 1.767
14.75 22.1 49.55 11.01 4.311 0.7027 0.6319 1.679
15.5 21.29 51.56 18.98 3.501 0.3994 0.7056 1.919
16.5 20.53 47.9 20.99 2.613 0.6737 0.5573 1.409
17.5 18.41 42.18 23.4 4.448 0.5494 0.5712 1.604
18.5 16.66 40.23 21.4 2.879 0.2717 0.5305 1.345
19.5 17.32 43.92 17.77 2.443 0.6259 0.5407 1.37
20.5 20.4 45.95 12.91 4.505 0.7506 0.6407 1.5
21.5 27.83 63.19 22.35 4.494 0.4761 0.8463 2.247
22.5 25.21 59.4 17.55 5.125 0.8581 0.7074 2.027
23.5 23.85 52.4 12.86 4.059 0.7247 0.7168 1.829
24.5 21.78 53.78 16.1 3.874 0.7628 0.7274 1.946
27.5 22.23 63.22 22.29 4.144 0.734 0.7907 1.925
32.5 9.558 52.32 22.8 3.84 0.9758 0.6745 1.809
37.5 20.19 52.57 24.3 3.639 0.8945 0.6925 1.739
42.5 20.59 54.09 18.07 3.566 0.8198 0.6928 1.743
47.5 20.41 52.51 24.7 3.588 0.9286 0.6481 1.804
In cazul analizei in mod R, obiectele sunt considerate ca facand parte dintr­o populatie mult mai
mare, astfel incat in final acest tip de analiza permite caracterizarea atat a proprietatilor ca si a
comportamentului variabilelor.
In ambele cazuri, prima etapa a analizei de factori consta in inmultirea matricii X a datelor
(Fig. 8) cu transpusa sa, ceea ce conduce la generarea unei matrici patratice si simetrice ce
16

exprima, in functie de ordinea in care este efectuat produsul dintre matrici, fie interrelatia
dintre variabile, fie cea dintre obiecte.
Considerand ca datele experimentale sunt exprimate sub forma unei matrici compusa din n
cazuri caracterizate printr­un numar de m variabile, prin multiplicare se pot forma doua tipuri de
matrici patratice notate conventional cu R şi Q conform relatiilor:
R = X ′ X
Q = X X ′
Unde X´ este transpusa matricii X.
In primul caz, matricea R este de ordinul m (m coloane x m randuri) in timp ce matricea Q este
de ordinul n (n coloane x n randuri).
Conform regulilor de efectuare a produsului a două matrici, elementele matricii R au expresia
generala:
r
jk
=
n
∑
i = 1
x
ij
x
ik
sumarea facandu­se dupa variabile in timp ce in cazul matricii R acestea au expresia generala:
q
jk
=
m
∑
i = 1
x
ij
x
ik
sumarea facandu­se după cazuri 1 .
Cum de obicei numarul de cazuri este sensibil mai mare decat numarul de variabile, rangul
matricii R va fi sensibil mai mic decat cel al matricii Q.
In primul caz, dacă valorile medii ale variabilelor sunt scazute din valorile corespunzatoare
ale cazurilor, astfel incat valorile medii in acest caz sa fie nule, atunci matricea R va consta
din valorile covariantei celor m variabile. Dacă suplimentar valorile cazurilor sunt normate
la valorile medii ale variabilelor astfel incat fiecare variabila sa aiba valoarea medie egala
cu zero si deviatia standard egala cu unitatea, atunci matricea R va conţine valorile
coeficientilor de corelatie dintre toate perechile posibile de variabile, iar pe diagonala
principala va fi numai valoarea 1. Trebuie remarcat faptul ca astfel definita, matricea R
contine toata informatia privind interrelatia dintre variabile definita prin intermediul
cazurilor analizate.
In cazul matricii Q lucrurile sunt mai putin evidenta desi interpretarea matricii Q poate fi facuta
intr­un mod similar cu cea a matricii R tinand cont ca de data aceasta este vorba de o interrelatie
dintre cazuri mediata prin intermediul variabilelor.
Indiferent de aceste consideratiuni, este evident ca exista o legatura directa intre matricile R si Q
deoarece ambele matrici sunt construite pornind de la aceleasi date experimentale.
1 Trebuie remarcat faptul ca matricile se inmultesc după regula linii x coloane, adica linia matricii din stanga se
aplica peste coloana matricii din dreapta si dupa efectuarea produselor elementelor liniei si coloanei implicate,
acestea se sumeaza iar rezultatul final il reprezintă un element al matrici produs. Din acest motiv pot fi inmultite
matrici fie patrate ce au acelasi numar de linii si coloane fie matrici dreptunghiulare astfel incat numarul de linii al
matricii din stanga sa fie egal cu numarul de coloane al matricii din dreapta si reciproc, numarul de coloane al
matricii din stanga sa fie egal cu numarul de linii al matricii din dreapta.
Din acest motiv totdeauna poate fi inmultita o matrice cu transpusa sa deoarece operatia de transpozitie converteste
o matrice de tipul m x n intruna de tipul n x m.
In acest caz, va rezulta totdeauna o matrice patratica avand dimensiunea egala cu numarul de linii al matricii din
dreapta.
(1)
(2)
(3)
17

Aceasta legatura este demonstrata prin intermediul teoremei Eckart­Young (Eckart & Young,
1936), conform careia orice matrice reală X poate fi exprimata prin intermediul a doua matrici
ortonormale V si U si a unei matrici patratice reale si diagonala Λ conform relatiei:
X = V Λ U ′
(4)
Unde V este o matrice de dimensiune n x r astfel incat conditia de ortonormare ce este: V´V =
I conduce la matricea unitara de rang r (r ≤ min [m,n]) iar in cazul matricii U de dimensiune m
x r conditia de ortonormare UU´ = I conduce la aceeasi matrice unitara de rang r.
In aceste conditii, matricea Λ este tot o matrice patratica de rang r dar diagonala si pozitiv
definita.
Produsul minor al matricii X definit prin relatia: R = X´X este o matrice patratica de rang m ce
are r valori proprii nenule si m ­ r valori proprii egale cu zero. Totodată, cele r valori proprii
nenule sunt egale cu radacina patrata a valorilor diagonale nenule ale matricii diagonale Λ:
sau:
Λ λ
2 = I ′
(5)
Λ = I λ ′
(6)
unde λ este un vector constituit din valorile proprii nenule ale matricii R.
In acelasi timp produsul major al matricii X definit pin relatia: Q = X X´ este o matrice patratica
de rang n (n > m) ce are r valori proprii nenule identice cu valorile proprii nenule ale matricii R
si n – r valori proprii nule.
In plus, matricea U are coloanele compuse din vectori proprii ai matricii R ce sunt asociati
valorilor proprii λ, iar matricea V conţine vectori proprii ai matricii Q. Deoarece valorile proprii
ale matricilor R si Q sunt identice, exista si o relatie bine determinata intre vectorii proprii ai
acestor matrici:
− 1
V = X U Λ
(7a)
− 1
U = X ′ U Λ
(7b)
Trebuie remarcat ca vectorii proprii sunt de norma unitara astfel incat suma patratelor
componentelor acestora este egala cu unu. Multiplicand valorii proprii cu radical din valoarea
proprie corespunzatoare, se obtine un vector a carui modul este egal cu radacina patrata din
valoarea sa proprie. In cadrul analizei de factori, acest vector poarta numele de factor dar este
cunoscut si sub numele de vector principal. Componentele vectorilor principali sunt numite
sarcini sau incarcari si reprezinta, in modul R, ponderile ce trebuiesc atribuite fiecarei
variabile pentru a proiecta obiectele pe vectorii principali, proiectii numite scoruri. In acest
mod, vectorii principali au expresia generala:
R (8)
A = U Λ
In acelasi timp, incarcarea poate fi interpretata ca un parametru ce exprima corelatia dintre
variabilele individuale si vectorii principali.
In modul Q al analizei de factori, vectori principali sunt definiti prin relatia:
Q (9)
A = V Λ
iar sarcinile acestora reprezinta ponderea necesara fiecarui obiect individual pentru a proiecta
variabilele pe vectorii principali.
In modul R scorurile pot fi calculate inmultind obiectele (datele) cu vectorii principali:
R R
S = X A
(10)
18

ceea ce are ca rezultat proiectia unui obiect individual pe vectorii principali.
In cazul obiectului (observatiei) i scorul in modul R are expresia generala:
s
ik
=
m
∑
j = 1
a
jk
x
ji
unde: sik reprezinta scorul obiectului (observatiei) i pe vectorului principal k, ajk reprezinta
incarcarea variabilei j, xij este valoarea variabilei j corespunzătoare obiectului I. Trebuie
remarcat ca la randul sau incarcarea ajk apare ca produsul dintre elementul j al vectorului propriu
k cu radacina patrata a valorii proprii k.
In mod similar, in modul Q, scorurile pot fi calculate inmultind matricea transpusa a datelor cu
incarcarile in modul Q:
(11)
Q Q
= X A
(12)
S ′
ceea ce este echivalent cu proiectia variabilei i pe vectorii principali.
Inmultind relatia (7b) la dreapta cu matricea Λ rezulta:
− 1
UΛ = X ′ U Λ Λ
(13)
R dar conform relatiei (8) A = U Λ ceea ce conduce in final expresia vectorilor proprii in modul R:
A X V
R ′
= (14)
In mod similar, inmultind relatia (7a) la dreapta cu matricea Λ rezulta:
− 1
VΛ = X U Λ Λ
(15)
Q ceea ce conform relatiei (9) A = V Λ ceea ce conduce in final expresia vectorilor proprii in
modul R:
Q (16)
A = X U
Inlocuind in relatia (12) expresia lui A Q data de relatia (18) se obtine:
Q
S = X ′ V Λ
(17)
ceea ce combinat cu relatia (14) conduce in final la o relatie intre scorurile din modul Q si
vectorii proprii in modul R:
Q R
S = A Λ
(18)
Procedand in mod similar, se obţine o relatie dintre scorurile in modul R si vectorii proprii in
modul Q:
R Q
S = A Λ
(19)
Relatiile (18) si (19) demonstreaza clar legatura organica existenta intre modurile Q si R astfel
incat efectuand o analiza in modul R in mod automat se efectueaza si o analiza in modul Q
intrucat atat incarcarile cat si scorurile in modul Q pot fi calculate din incarcarile si scorurile in
modul R. Cum de regula, numarul variabilelor este sensibil mai mic decat cel al cazurilor,
aceasta interrelatie simplifica mult calculele necesare pentru efectuarea unei analize de factori in
cele două moduri.
Trebuie subliniat ca analiza de factori, ca si majoritatea absoluta a metodelor de analiza statistica
nu face decat sa evidentieze si in cazul de fata, existenta unor factori comuni tuturor cazurilor,
19

factori evidentiati prin intermediul variabilelor ce devin in acest caz parametri ce caracterizeaza
cazurile si reciproc, caracteristici ale interdependentei variabilelor evidentiate prin intermediul
cazurilor.
In nici un caz, metodele statistice de analiza nu sunt capabile se produca un model fizic coerent,
ci permit numai verificarea unor modele fizice elaborate pornind de la considerente generale
aplicate unei situatii date, dar tinand cont de rezultatele uneia sau a mai multor analize statistice a
datelor pe care se bazeaza modelul considerat.
5.1 Analiza de componente principale consta din transformarea liniara a setului initial de m
variabile ce descriu un masiv de date experimentale intr­un set de m noi variabile, fiecare noua
variabila reprezentand o combinatie liniara a vechilor variabile. Procedura se desfasoara astfel incat
fiecare noua variabila sa contribuie cat mai mult la variatia masivului de date, intreaga varianta a
sistemului fiind descrisa de noile variabile. Din acest motiv, analiza de componente principale
apartine aceleiasi categorii de tehnici de analiza statistica ca si analiza de cluster ce estimeaza gradul
de intercorelare numai prin procesarea adecvata a datelor fara a considera vre­un model fizic al
sistemului investigat 2 .
In prima etapa a analizei de componente principale, este calculata pentru cele n cazuri a datelor
analizate matricea S varianta­covarianta ce este o matrice patratica avand numarul de coloane (si
implicit numarul de linii) egal cu numarul de variabile, notat conform convenţiei cu m. De asemenea
trebuie subliniat faptul ca matricea S este o matrice simetrica.
Matricea varianta­covarianta S poate fi interpretata ca descriind un set de m vectori intr­un spatiu cu
m dimensiuni, fiecare linie continand coordonatele varfului unui vector. Acesti vectori definesc o
elipsa in cazul a două variabile, un elipsoid in cazul a trei variabile sau un hiper­elipsoid in cazul in
care m >3, numit in general elipsoidul variantei sistemului.
Rezolvand ecuatia seculara corespunzatoare matricii varianta­covarianta si calculand vectori proprii
corespunzatori (datorita faptului ca matricea S este o matrice simetrica, vectorii proprii sunt reciproc
ortogonali iar valorile proprii sunt totdeauna pozitive), acestia vor reprezenta axele principale ale
elipsoidului variantei sistemului definit de matricea S a sistemului studiat, semilungimea acestora
fiind egala cu valorile proprii corespunzatoare. In felul acesta, valorile proprii si vectorii proprii ai
matricii S definesc complet elipsoidul sistemului.
In esenta, analiza de componente principale consta in gasirea acestor axe si determinarea valorilor lor
numerice.
In aceasta reprezentare, trebuie remarcat ca din proprietatile generale ale ecuatiilor seculare, suma
valorilor proprii ale unei matrici este egala cu urma matricii, impartind fiecare valoare proprie la
urma matricii, deci la suma lor, rapoartele pot fi interpretate ca masura in care axele principale contin
fractiuni din varianta totala a sistemului. Cu alte cuvinte, daca este masurată varianta totala a
sistemului in lungul axelor principale ale elipsoidului variantei sistemului rezulta o ierarhizare a
variantelor acestora, iar cum in general elipsoidul variantei este departe de o sferă, cel putin o axă va
corespunde variantei maxime si alta variantei minime.
In a doua etapa a analizei de componente principale este realizata corespondenta directa dintre
vectorii proprii, valorile proprii si valorile numerice experimentale, exprimate prin componentele
variabilelor, adica prin valorile numerice corespunzatoare fiecărui caz, ceea ce reprezinta de fapt
calculul scorurilor si al incarcarilor fiecarei variabile.
2 Valorile numerice ce sunt grupate pe variabile si cazuri si care formeaza o matricea X a sistemului de date, matrice
dreptunghiulara de dimensiune m x n (m variabile si n cazuri), pot fi interpretate ca reprezentand m vectori, fiecare
avand n componente, intr­un spatiu vectorial cu n dimensiuni, sau, in cazul matricii transpuse n x m, n vectori avand
m componente intr­un spatiu vectorial m dimensional.
20

Pentru aceasta matricea U a vectorilor proprii ce este inmultita cu matricea X a datelor
experimentale, conform ecuatiei (10):
R
S = X U
(19)
R
conducand la generarea matricii S a scorurilor, matrice avand dimensiunea m x n. In matricea
astfel creata, fiecare coloana va avea varianta egala cu valoarea proprie a vectorului propriu
corespunzator. Deoarece scorurile sunt definite in lungul axelor elipsoidului variantei sistemului,
iar aceste axe sunt reciproc perpendiculare, covarianta scorurilor ce exprima corelatia acestora va
fi nula, exprimand faptul ca din punct de vedere algebric, scorurile sunt liniar independente.
In felul acesta, cele n elemente ce compun fiecare cele din cele m coloane ale coloane ale
R
matricii S reprezinta proiectiile pe axele principale ale celor m variabile, fiecare constand din n
elemente. Componentele vectorilor proprii din matricea U reprezinta in felul acesta incarcarile
componentelor principale.
Daca apoi are loc o ierarhizare dupa valoarea descrescatoare a variantelor, se pot evidentia acele
combinatii liniare ala variabilelor definite de vectorii proprii ce descriu cele mai mari variante, astfel
incat in final multimea de m variabile poate fi redusa la cateva combinatii liniare ce sunt responsabile
pentru o parte semnificativa a variantei sistemului de date experimentale initiale.
Toate acestea fac ca in final analiza de componente principale sa constea in transformarea liniara a
celor m variabile initiale intr­un set nou tot de m variabile ce reprezinta combinatii liniare al e
variabilelor initiale. Procedura se desfasoara de o astfel de maniera incat fiecare nouă variabila este
responsabila de o cat mai mare varianta a datelor initiale, ordonarea lor facandu­se in ordinea
descrescatoare a variantelor. In final pentru a evita o reprezentare m­dimensionala a tuturor
cazurilor in functie de cele m variabile, cele n cazuri sunt reprezentate intr­un grafic bidimensional,
axele Ox si Oy corespunzand primelor două componente principale. In felul acesta orice eventuala
grupare a cazurilor in clusteri este destul de repede pusa in evidenta, chiar daca reprezentarea este
mai mult sau mai putin aproximativa deoarece sunt neglijate celelalte m ­ 2 componente principale.
Din cele expuse rezulta destul de clar ca analiza de componente principale devine cu atat mai
importanta cu cat numarul de variabile este > 2.
Procedura aceasta poate fi usor ilustrata folosind datele experimentale ce descriu distributia a
sapte lantanide La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb si Yb intr­o carotă cu lungimea de aproximativ 60 cm
recoltata de nava de cercetare Mare Nigrum de la o adancime de circa 600 m de pe Platforma
Continentala in largul orasului Constanta (Duliu, Oaie, Iovea, rezultate nepublicate), date
reproduse in Figura 1. Trebuie remarcat ca toate aceste date formeaza o matrice avand
dimensiunea 7 x 45, numita matricea sistemului.
In prima etapa sunt calculate valorile proprii ale matricii patratice varianta­covarianta de
dimensiune 7 rezultata din produsul dintre transpusa matricii sistemului cu matricea intiala.
Rezulta datele reproduse in tabelul 2.
Contributia la varianta sistemului a noilor variabile (factorilor) este cel mai bine ilustrata în figura 1.
In această figura sunt reproduse valorile proprii ale matricii covariantei sistemului in ordine
descrescatoare, indicand de fapt contributia fiecarei noi variabile (factor) la varianta sistemului de
date experimentale. Se observa ca primul factor contribuie cu 60,48% la varianta totala a sistemului
iar factorul al doilea contribuie cu 29,33% astfel incat primii doi factori contribuie cu 89,81% la
varianta totala, sau cu alte cuvinte cele sapte variabile initiale ce contribuie cu un procent de 100% la
varianta sistemului pot fi inlocuite din punct de vedere al variantei sistemului cu primele două noi
variabile sau factori, acestea descriind circa 90% din varianta totala, ceilalti cinci factori sau noi
variabile, contribuind cu circa 10% la varianta sistemului.
21

Tabelul 2. Variabilele derivate, valorile proprii, varianţa totală corespunzătoare,
valorile proprii cumulate şi contribuţia cumulată la varianţă a noilor variabile derivate
(factorii)
Noile
variabile
Valoarea
proprie
Varianţa
totală
Valorile proprii
cumulate
1 52.18827 60.48134 52.18827 60.4813
2 25.30830 29.32996 77.49657 89.8113
3 8.19295 9.49487 85.68952 99.3062
4 0.52667 0.61036 86.21619 99.9165
5 0.05417 0.06278 86.27036 99.9793
6 0.01686 0.01954 86.28722 99.9989
7 0.00099 0.00115 86.28821 100.0000
Contribuţia
cumulată la
varianţa
Cunoscand valorile proprii, pot fi usor calculati vectorii proprii corespunzatori si apoi prin
intermediul acestora componenta fiecarui factor (Tabel 2). Inversand matricea factorilor, vechile
variabile pot fi exprimate prin intermediul noilor variabile si astfel, prin proiectia acestora pe
planul format de primii doi factori rezulta graficul reprodus in figura 9, ce prezintă gruparea
vechilor variabile in clusteri, in functie de contributia acestora la varianta totala a sistemului.
Fig. 9. Contributiile (in ordine descrescatoare) ale noilor variabile (factori) la varianta totala a sistemului de date
experimentale.
Continuand analiza, fiecare caz la randul sau poate fi exprimat prin intermediul factorilor, rezultatul
fiind apoi proiectat, ca si in cazul precedent. pe planul format de primii doi factori (Figura 9). Din
analiza celor două grafice se poate observa in primul rand ca in cazul pamanturilor rare samariul,
europiul, terbiul si gadoliniul formeaza un cluster bine delimitat, ceea ce semnifica o contributie
apropiata la varianta sistemului in timp ce in situatia cazurilor (probelor individuale de sediment) nu
poate fi pusa in evidenta existenta nici unui cluster, acest fapt indicand o compozitie relativ uniforma
din punct de vedere al distributiei celor sapte pamanturi rare investigate.
22

Fig. 10. Proiectiile variabilelor initiale (stanga) si ale cazurilor (dreapta) pe planul determinat de primii doi factori (noile variabile) a caror contributii la varianta
sistemului sunt reproduse in paranteze. In cazul pamanturilor rare se observa faptul ca samariul, europiul, terbiul si gadoliniul formeaza un cluster bine delimitat,
ceea ce semnifica o contributie apropiata la varianta sistemului in timp ce in situatia cazurilor (probelor individuale de sediment) nu poate fi pusa in evidenta
existenta nici unui cluster, ceea ce atesta o compozitie relativ uniforma din punct de vedere al distributiei celor sapte pamanturi rare investigate.
23

Fig. 11 Dendrogramele rezultate in urma analizei de cluster a datelor experimentale referitoare la distributia a sapte
pamanturi rare in sedimente colectate din zona anoxica a Marii Negre si reproduse in Figura 10. Se observa ca in
cazul folosirii distantei euclidiene drept criteriu de clasificare, dendrograma corespunzatoare (I) practic coincide
din punct de vedere al clusterilor cu rezultatele obtinute prin intermediul analizei de componente principale,
particularitate explicabila prin asemanarea dintre calculul variatiei si cel al distantelor euclidiene.
Este de interes a face o comparatie intre rezultatele obtinute prin analiza de clusteri si cele
obtinute prin analiza de componente principale pentru acelasi set de date si de variabile.
In cazul de fata, pentru comparatie sunt reproduse cele două tipuri diferite de dendrograme
obtinute, aplicand analiza de cluster pentru datele experimentale reproduse in figura 10. Si in
acest caz analiza a fost facuta in modul R. Dendrogramele au fost obtinute efectuand analiza de
cluster folosind o data ca regula de selectie calculul distantei euclidiana dintre variabile ca si a
coeficientului lor de corelatie (Figura 10). In ambele cazuri a fost utilizata schema de amalgamare
Ward. Din analiza imaginilor se poate constata ca, in cazul folosirii distantei euclidiene drept
criteriu de clasificare, dendrograma coincide din punct de vedere al clusterilor cu rezultatele
obtinute prin intermediul analizei de componente principale, fapt usor de explicat datorita
asemanarii dintre calculul variatiei si cel al distantelor euclidiene.
5.2 Aplicatii ale analizei de componente principale in studiul poluarii sedimentelor marine.
Desi este o tehnica de analiza statistica bine pusa la punct si care se preteaza analizei masivelor de
cazuri descrise de mai multe variabile, aplicatiile cele mai raspandite sunt legate de studiile de
poluarea terestra si acvatica, situatii in care analiza de componente principale permite
identificarea principalelor surse de poluanti. In legatura cu acest tip de analiza, trebuie remarcat
faptul ca in anumite situatii, informatia privind proprietatile sistemului studiat poate fi obtinuta
din analiza factorilor de ordin superior ce sunt responsabili de variantele mici ale sistemului.
Tabelul 3. Compozitia noilor variabile (factori) in raport variabilele initiale.
Variabila Factorul
1
Factorul
2
Factorul
3
Factorul
4
Factorul
5
Factorul
6
Factorul
7
La 0.032824 0.173147 0.778025 0.015368 0.000620 0.000005 0.000013
Ce 0.799992 0.092832 0.106161 0.000066 0.000380 0.000558 0.000010
Nd 0.166354 0.722181 0.106695 0.004731 0.000025 0.000013 0.000000
Sm 0.000194 0.011610 0.007841 0.971435 0.003757 0.004469 0.000694
Eu 0.000057 0.000079 0.001224 0.004685 0.959847 0.033481 0.000628
24

Tb 0.000046 0.000058 0.000018 0.001301 0.000081 0.028414 0.970082
Yb 0.000533 0.000094 0.000036 0.002414 0.035291 0.933060 0.028574
Astfel, Del Vals et al. (1998) au utilizat analiza de componente principale pentru a evidentia
principalele surse de poluare a sapte locatii alese in Golful Cadiz (5 locatii) si doua in ecosistemul
de mlastini salmastre de la varsarea raului Barbate tot in Golful Cadiz. Alegerea locatiilor a fost
facuta astfel incat sa existe o variatie marcanta a influentei factorului antropic. Pentru a definitiva
acest studiu, au fost determinate pentru fiecare locatie concentratiile a 12 metale: Fe, Mn, Zn, Cu,
Pb, Cd, Cr, Ag, Hg, V, Ni, Co, si Sn, a carbonului organic total, a acidului cianhidric si a
surfactantilor, folosind diferite tehnici analitice adecvate. De asemenea pentru fiecare proba de
sedimente a fost determinata si granulometria. In final au fost selectate 19 variabile, determinarea
factorilor corespunzatori, au fost retinute primele cinci componente principale, responsabile
pentru 97,5% din varianta totala a sistemului. Analizand incarcarile fiecarui din acesti factori
(componente principale) a putut fi facuta clasificarea acestora in functie de dominanta unuia sau
mai multor elemente considerate poluanti sau existand in mod natural. Astfel, cele cinci
componente principale au fost atribuite, in ordine descrescatoare a contributiei lor la varianta
Fig. 12 Proiectiile celor sapte cazuri pe planul determinat de diferitele combinatii de factori (componente
principale). Cu cat proiectiile cazurilor sunt mai extinse in lungul unei ax, cu atat varianta datorata acelui
factor este mai mare. Gruparea cazurilor dupa una sau alta din axe indica un comportament comun fata
de factorul corespunzator. Procentele din dreptul axelor indica contributiile factorilor respectivi la
varianta sistemului (DelVals et al. 1998).
totala, matricii minerale a sedimentelor, contaminarii urbane, contaminarii asociate activitatilor
25

navale, contaminarii industriale cu mercur si cadmiu si in final matricii minerale continatoare de
oxizi de mangan.
Proiectand apoi cazurile reprezentate de cele sapte cazuri reprezentate de locatiile studiate pe
planurile formate de cate doua componente principale ar rezulta un numar de 10 grafice diferite,
dintre care unele au fost extrem de utile in stabilirea dominantei uneia sa a alteia din cele cinci
componente principale, fiecare asociata fie unui mediu natural, fie unui anumit tip de poluare
In etapa finala a acestei analize, pentru fiecare caz in parte au fost calculate contributiile fiecarui
factor (incarcarile) pentru a estima contributia fiecarui factor la procesul poluant respectiv.
Experimental, aceste incarcari ce reprezinta de fapt proiectiile cazurilor pe axele ortogonale
corespunzatoare celor 5 factori, indica masura in care distributia celor 19 variabile este influentata
de unul sau de mai multi factori. Contaminarea urbana este dominata in locatia CB2 pe cand cea
specifica exploatarii navale, in locatiile CB1 si CB3. In acelasi timp, in cazul celor două locatii
din mlastinile salmastre unde factori poluanti antropici sunt cvasi­ absenti, contributiile factorilor
2, 3, 4 si 5, cei ce descriu contributiile factorilor antropici poluanti sunt negative sau foarte mici,
confirmand relativa izolare a acestor doua locatii (DelVals et al., 1998)
Fig. 13. Scorurile celor cinci factori pentru fiecare din cele sapte locatii indicand in felul acesta proportiile in
care atat fondul natural cat si diferite procese poluante contribuie la distributiile experimentale observate. Se
poate observa ca in cazul celor doua locatii din mlastinile salmastre unde factori poluanti antropici sunt cvasi­
absenti, contributiile factorilor 2, 3, 4 si 5, cei ce descriu contributiile factorilor antropici poluanti sunt negative
sau foarte mici, confirmand relativa izolare a acestor două locatii (Del Vals et al. 1998).
Yu et al., (2001) au folosit analiza de componente principale pentru a evidentia tipul de matrice
ce este responsabila de fixarea elementelor grele in sedimentele fluviale ale principalelor rauri din
Taiwan, Republica China. Este vorba de mai multe tipuri de matrici minerale (carbonati, oxizi de
fier, oxizi de mangan si materie organica) pentru care, folosind analiza de componente principale
26

s­a incercat evidentierea din studiul a 313 probe a existentei unei corelatii dintre tipul matricei
sedimentare si factorii de legatura a sase metale grele (Zn, Cu, Pb, Ni, Cr, si Co).
Rezultatele finale au indicat faptul ca zincul si cuprul sunt majoritar asociati fractiunii organice in
timp ce cromul este legat majoritar de oxizii de fier. In acelasi timp oxizii de fier fixeaza nichelul
si cromul iar oxizii de mangan fixeaza de asemenea cuprul si cromul. In acelasi timp, analizand
dependenta liniara existenta intre metalele grele considerate si oxizii de fier s­a observat
influenta, in sens pozitiv exercitata de continutul de carbon asupra fixarii acestora de către oxizii
de fier.
Din analiza graficelor reproduse in figura 13 rezulta destul de clar tipul de informatie ce poate fi
obtinut folosind analiza de componente principale. Trebuie subliniat ca acest tip de informatie are
un caracter preliminar, indicand viitoarele directii de investigare pentru a obtine un studiu
complet, in cazul de fata fiind studiate toate corelatiile posibile intre concentratiile celor sase
metale grele si continutul de carbonati, oxizi de fier si mangan ca si pe cel de materie organica
(Yu et al., 2001).
Aceeasi metoda de analiza statistica a fost folosita de Tam si Wong, (2000) pentru a evidentia
particularitatile poluarii cu metale grele a 18 zone de mlastini de mangrove din Hong Kong, din
estuarul Raului Perlelor, cunoscut pentru deversarea de reziduuri industriale si urbane. Pentru
acest studiu au fost prelevate 144 de probe de sedimente superficiale (0­5 cm), folosind un
carotier cu lungimea de 70 cm si diametrul de 10 cm. Gradul de contaminare cu metale grele (Cr,
Cu, Zn, Ni, Cd si Pb) a fost determinat pentru doua fractiuni granulometrice: lutitica

In acelasi timp, continutul de aluminiu a fost folosit ca factor de normare pentru a diferentia
metalele grele existente in sedimente datorate unor procese diagenetice de cele aparute in urma
poluarii antropogene.
Fig. 14. Distributiile celor sase metale grele studiate in 313 probe de sedimente fluviale din Taiwan, in raport cu
primele două componente principale (factori). In fiecare din cele patru grafice au fost considerate si posibilele medii
capabile sa le fixeze: carbonati (a), oxizi de mangan (b), oxizi de fier (c) si materia organica (d). Se poate usor
observa cum in cazul carbonatilor, clusterul format de metalele grele nu contine carbonatii, la fel si in cazul oxizilor
de mangan in timp ce in cazul oxizilor de fier si al materiei organice, cu exceptia cuprului, toate celelalte elemente
formeaza clusteri ce includ si mediile de acumulare considerate (Yu et al., 2001).
Ca si in studii similare, primele trei componente principale au putut explica circa 71 % din
varianta totala a sistemului. Primul component este constituit in principal din Fe, Co, Yn, Cd si
Pb, al doilea din Ni, Cu şi Mo in timp ce ultimul depinde numai de concentratia de Mn. Desi
unele din elemente prezente sunt tipic elemente poluante, prin concentratiile lor si in special din
valorile coeficientilor de corelatie dintre distributiile acestor elemente in stratul superficial si cel
mai adanc al sedimentelor ce indica o buna corelatie intre aceste medii, rezulta ca elementele
considerate sunt mai degraba componenti ai rocilor ce compun sedimentele si mai putin produsi
ai proceselor de poluare (Danielsson et al. 1999).
28

Tabelul 4. Tabelul ilustrativ al primelor trei valori proprii si a primelor trei
componentelor principale corespunzatoare. Valorile proprii, a caror suma este
egala cu 0,71 indica contributia fiecarei componente principale (factor) la varianta
totala a sistemului (Danielsson et al. 1999)
Componenta
principala
1 2 3
Valoarea proprie 3.47 2.46 1.17
Cr 0.159 0.016 ­0.566
Mn 0.123 0.226 0.816
Fe 0.734 ­0.052 0.245
Co 0.672 ­0.076 0.043
Ni 0.069 0.866 ­0.091
Cu 0.056 0.864 ­0.265
Zn 0.922 0.176 ­0.047
Mo ­0.072 0.875 0.178
Cd 0.754 0.080 ­0.059
Pb 0.923 0.155 ­0.074
Pe de alta parte, imaginile reproduse privind proiectiile cazurilor pe planele determinate de
primele trei componente principale, indica o grupare a acestora mai de grabă dupa considerente
legate de locul de recoltare, ceea ce poate fi interpretat ca fiind fie o diferenta legata de geochimia
sedimentelor specifica fiecarei locatii , fie procese de poluare locale, diferite unele fata de altele.
Figura 15. Proiectia valorilor medii ale elementelor
grele contaminante corespunzatoare celor 18 locatii
din ecositemele de mangrove din vecinatatea
provinciei Hong Kong distribuite pe fractiunile lutitica
(a) si arenitica (b). Pe langa diferentele specifice,
inerente capacitatii de adsorbtie a celor doua fractiuni,
graficele indica existenta a patru clusteri, cu grade
diferite de contaminare, cel mai contaminate fiind cele
corespunzatoare valorilor mari si negative ale
factorului principal 1. Cifrele romane indica
clasificarea acestor clusteri in ordinea descrescatoare a
contaminarii. Poate fi observata o mai buna grupare in
clusteri pentru datele corespunzatoare fractiunii
lutitice, probabil cea mai sensibila la poluarea cu
metale grele ( Tam & Wong, 2000).
29

Figura 16. Dispozitia punctelor de colectare a
sedimentelor din stramtorile Skagerrak si Kattegat
ce separa peninsulele Jutland cea Scandinavă. In
timp ce in stramtoarea Kattegat acestea sunt
concentrate in vecinatatea litoralului suedez, in
stramtoarea Skagerrak acestea sunt uniform
distribuite (Danielsson et al. 1999).
Figura 17. Proiectiile datelor experimentale privind cazurile studiate pe planele formate de primele trei
componente principale, considerate doua cate doua. Se observa ca aceleasi date pot fi grupate in clusteri
mai mult sau mai putin distincti, si ca nu totdeauna cea mai mare separare este datorata primelor două
componente principale (Danielsson et al. 1999). Simbolurile folosite sunt aceleasi din figura 18 si
semnifica localizarea punctelor de recoltare a probelor.
O alta concluzie a acestui studiu este legata de capacitatea de diferentiere a diversilor clusteri in
functie de componentele principale folosite. Graficele ilustreaza destul de bine aceasta
particularitate, de care trebuie tinut cont in orice studiu statistic bazat pe analiza de componente
principale.
Aceeasi tehnică de prelucrare statistica bazata pe analiza de componente principale a fost folosita
pentru a evidentia diferentele intre gradele de poluare ale sedimentelor superficiale localizate in
estuarul Bilbao, Tara Bascilor a fost folosita de Landajo et al. (2004). In acest studiu, 32 de probe
de sedimente superficiale au fost recoltate din trei tributari, Asua, Galindo si Nerbioi­Ibaizabal ai
estuarului Bilbao, un estuar extrem de poluat atat cu reziduuri industriale cat si cu cele urbane.
Determinarile experimentale ale concentratiei elementelor grele: As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb
si Zn au indicat o poluare variabila, factorii de concentrare definiti ca raportul dintre concentratia
din sedimente si concentratiile naturale au variat intre 1,2 pentru fier si mangan si 85 pentru
cadmiu, fapt ce indica o poluare industriala semnificativa (Landajo et al., 2004). Trebuie remarcat
ca pentru a conferi ponderi egale tuturor elementelor, indiferent de valorile concentratiilor
30

acestora, toate au fost centrate si normate la valorile lor medii astfel incat acestea au devenit egale
cu 0 in timp ce deviatiile standard au devenit egale cu unitatea.
Valorile numerice astfel obtinute au fost procesate folosind analiza de componente principale in
modul R. Este interesant de remarcat ca primele doua componente principale (factori) descriu
circa 91% din variata totala a sistemului. In aceste conditii rezultatele analizei de componente
principale au condus la evidentierea a trei clusteri corespunzatori celor trei rauri de unde au fost
prelevate probele in timp ce variabilele (metalele grele studiate) s­au grupat tot in trei clusteri,
dintre care cel format din Mn, Fe si As a putut fi cel mai bine explicat prin coprecipitarea in
mediu acvatic a elementelor componente. Ceilalti doi clusteri formati din Cr, Ni, Cu si Cd, si
respectiv Zn au fost interpretati ca exprimand existenta a doua surse diferite de poluare (Figura
18) (Landajo et al., 2004). Relativa simplitate a metodei numai in conjunctura cu alte metode de
procesare statistica a rezultatelor experimentale permite o interpretare detaliată a problemelor
destul de complexe ce privesc procesele actuale de poluare.
Fig. 18 Proiectiile datelor experimentale privind
cazurile studiate (a) si variabilele (b) pe planele
formate de primele doua componente principale
privind situatia poluarii cu elemente grele a
estuarului Bilbao. Cum in acest caz primele doua
componente principale determina circa 91% din
varianta sistemului, graficele pof fi relativ usor
interpretate. Primul grafic indica cu caritate existenta
a trei clusteri, corespunzatori celor trei locuri majore
de recoltare: raurile Galindo, Nerbioi­Ibaizabal si
Asua, toate tributare golfului Bilbao, in timp ce al
doilea grafic releva prezenta a trei clusteri formati
din elementele Fe, Mn si As, pe de o parte, Cd, Cr,
Ni, Pb si Cu, pe de alta si Zn reprezentand singur al
treilea cluster (Landajo et al., 2004).
31

Concluzii. Analiza de componente principale este o metoda statistica multivariata de analiza a
datelor experimentale ce poate fi folosita cu succes la analiza unor masive de date pentru a releva
existenta diferitelor corelatii sau asociatii ale acestora in functie de provenienta, afinitati chimice,
procese de distributie/redistributie, etc., fiind din acest punct de vedere extrem de utila in analiza
datelor privind prelucrarea datelor geologice/geocronologice, sau a altor tipuri de date specifice
proiectului, ca si a posibilelor lor surse. Pe de o parte, exemplele prezentate ilustreaza utilizarea
predilecta a analizei de componente principale inclusiv in studii de poluare, iar pe de altă parte,
indica o directie de investigatie care va fi urmata in realizarea prezentului proiect.
6. TOMOGRAFIA COMPUTERIZATA SI RADIOGRAFIA DIGITALA
Dr. Iovea M. ­ SC ACCENT SRL
Capitolul dedicat tomografiei computerizate si studiilor radiografice digitale cuprinde principiile
metodelor, cu exemplificare pe un set de carote originale recoltate din zonele oxigenate si anoxice
ale Marii Negre si din Delta Dunarii.
In studiul complex al esantioane geologice, indiferent de natura acestora, una din metodele de
selectie pentru a obtine informatii atat calitative cat si cantitative privind structura interna, cu o
rezolutie spatiala in general egala cu 0,05% din dimensiunile probei studiate este reprezentata de
tomografia computerizata (TC) iar in cazul sedimentelor neconsolidate extrase prin forare
(manuala sau folosind carotiere) si de radiografie, in varianta sa cea mai moderna, radiografia
digitala (RD).
Bazata pe masurarea atenuarii unui fascicol de raze X sau gama de catre un obiect, TC permite
reconstructia digitala a functiei de distributie a coeficientului liniar de atenuare (CLA) intr­o
sectiune a obiectului investigat. Din acest motiv, imaginea tomografica reproduce pe o scala
liniara functia de distributie a CLA intr­o sectiune sau in mai multe sectiuni adiacente ceea ce
permite imediat localizarea in spatiu a pozitiei diferitelor detalii ale structurii interne.
Deoarece detectia radiatiilor X sau gama transmise de obiect este facuta folosind detectori
specifici spectroscopiei nucleare ce permit detectarea individuala a fotonilor transmisi, raspunsul
detectorilor este in foarte largi limite proportional cu numarul acestora, contrastul minim ce poate
fi pus in evidenta este de 0,5%, ceea ce permite o mult mai buna reprezentare a detaliilor interne
ale probei studiate.
In acelasi timp trebuie mentionat ca imaginea tomografica in TC este o functie reconstituita
digital, acest fapt prezentand si avantajul suplimentar de a permite aplicarea tuturor tehnicilor
actuale de procesare digitala a imaginilor ca filtrarea liniara sau neliniara, cresterea
contrastului, reducerea zgomotului, accentuarea conturilor detaliilor, etc. (Gonzalez & Wintz
1987, Russ, 1999).
La scurt timp dupa ce TC a fost introdusa si folosita ca metoda de diagnostic neinvaziv, in special
pentru evidentierea si localizarea malformatiilor si tumorilor cerebrale (Hounsfield, 1973), au
aparut primele aplicatii nemedicale, stiintele gonomice fiind printre primele ce au beneficiat de
avantajele substantiale ale folosirii acestei metode (Dodge & Vaisnys,1980). In felul acesta, pana
in anul 2006 au fost publicate peste 500 de articole avand ca subiect studiul unei mari diversitati
de material geologic si paleontologic prin TC (Duliu, rezultate nepublicate).
Procedeul matematic pe care se bazeaza tomografia computerizata il constituie reconstructia unei
functii dupa proiectiile sale sau rezolvarea problemei inverse. Desi din punct de vedere
32

matematic, posibilitatea reconstructiei functiilor dupa proiectii a fost demonstrata in anul 1917 de
Johanes Radon (Radon, 1917), realizarea practica a acestei probleme a fost posibila o data cu
perfectionarea tehnicii de calcul numeric si aparitia calculatoarelor actuale.
Ca si in cazul metodei radiografice, radiatiile X sau gama emise de o sursa de dimensiuni cat mai
reduse (pot fi folosite si fascicole paralele ca in cazul radiatiei sincrotronice) strabat obiectul
investigat si cad fie pe un singur detector (un contor proportional sau un contor cu scintilatie) sau
pe un ansamblu linear (in cazul geometriei evantai) sau bidimensional (in cazul geometriei
conice) de fotodiode sau fototranzistori (Figura 19). In cazul unui singur detector, acesta
impreuna cu sursa descriu o miscare de translatie plan­paralela astfel incat pozitiile extreme sa se
situeze in afara limitelor obiectului (Figura 20). In cazul geometrilor evantai sau conica largimea
fascicolului detectat trebuie sa fie suficient de mare pentru a cuprinde intreg obiectul (Figura 20).
In felul acesta, pentru fiecare pozitie a detectorului ca in cazul folosirii unui singur detector sau
pentru fiecare detector ca in cazul geometrilor cu fascicule multiple, numarul R d ( x ′ ) de pulsuri
generate de detector în unitatea de timp egal cu produsul dintre numarul R 0 de pulsuri
corespunzator fotonilor incidenti pe obiect si atenuarea in obiect, conform relatiei:
Fig. 19. Formarea imaginii tomografice
folosind un mare numar de detectori
individuali pentru detectarea unui
fascicol de radiatii X transmis de
obiectul investigat in geometria evantai
(I) sau conica (II).
R
d
( x ′ )
= R e
0
D
− ∫
S
µ ( x ′ , y ′ ) d y
′
Multimea valorilor logaritmului cu semn schimbat ale transmitantei razelor X definita ca raportul
R d x ′
reprezinta proiectia liniara a CLA:
R
( ) 0
λ ϕ
D
( x ′ ) ≡ − µ ( x , y )
=
∫
S
∫ ∫
∞ + + ∞
− ∞ − ∞
µ
R
d y ′ = − ln
R
d
0
=
[ x , y ] δ ( x cos ϕ + y sin ϕ − x ′ ) dx dy
(2)
(1)
33

unde functia δ a fost introdusa pentru a selecta din toată multimea punctelor din planul xOy pe
cele ce corespund normalei pe axa Ox' de ecuaţie, in sistemul laboratorului: x ′ = x cos ϕ + y sin ϕ ,
parantezele drepte indica un sistem de coordonate cartezian.
Funcţia ϕ ( x′ )
µ [ x , y ] , fiind egala cu multimea tuturor proiectiilor functiei µ [ x , y ] .
λ de variabile ϕ si x' astfel definita reprezinta transformata Radon iii a functie
Problema fundamentala ce se pune in cazul TC consta in calcularea valorilor functiei de
distributie ale CLA în sectiunea astfel investigata cunoscand valorile corespunzatoare ale
transformatei Radon ale CLA. Rezolvarea acestei probleme reprezinta un caz particular al unei
probleme matematice generale si anume rezolvarea problemei inverse, in cazul de fata
reconstructia unei functii după proiectiile ei.
Rezolvarea problemei inverse in cazul TC presupune realizarea consecutiva a doua etape
diferite: obtinere experimentala a valorilor proiectiilor functiei de distributie a CLA in
sectiune considerata si calculul transformatei Radon inverse:
∫
∞
ε
2 π
( x ′ )
1 1 d λ ϕ
µ [ x , y ] = − lim
d ϕ d x ′
2
2 π ε → 0 x ′ ∫ dl
0
d
unde derivata este calculata in raport cu distanta de la originea sistemului de coordonate la
dl
segmentului liniar ce reprezinta proiectia.
Legat de acest lucru trebuie remarcat ca in cazul realizarii practice, datorita faptului ca atat
numarul de valori ale proiectiei in lungul axei Ox' cat si numarul de valori ale unghiului ϕ
dupa care proiectiile sunt achizitionate sunt finite, functia reconstituita va consta dintr­un
numar finit de valori, ceea ce in final va limita superior rezolutia sa spatiala.
Deoarece pentru calcul proiectiilor, integrarea se face pe toata lungimea fascicolului de radiatii
cuprins intre sursa si detector, spatiul pe care are loc reconstructia functiei µ[x,y] va fi marginit de
pozitiile consecutive ocupate acestea. In spatiul astfel definit, o parte va fi ocupata de obiectul
propriuzis iar restul il constituie aerul pentru care valoarea coeficientului liniar de atenuare este
practic nula (Figura 20).
In practica, deplasand cu pas constant (de regula egal cu jumatate din largimea detectorului)
sistemului sursa­detector in lungul axei Oy' se obtine un set de valori numerice esantionate ale
proiectiei CLA, rata de esantionare fiind egala cu pasul de deplasare iv . Rotind apoi cu un unghi
∆ϕ sistemul sursa­detector si repetand operatia de achizitie de date se obtine o noua proiectie
liniara esantionata a CLA. Repetand aceasta operatie de un numar de ori egal cu raportul dintre
2π şi pasul unghiular ∆ϕ se obţine un număr n = 2 π de proiectii diferite ale functiei de
∆ ϕ
distributie a CLA intr­o sectiune din planul xOy, sectiune a carei grosime este egala cu
grosimea fascicolului de raze X. Ca o consecinta a acestui mod de achizitie a proiectiilor,
iii Transformata Radon a unei functii are urmatoarele proprietati: i. ­ este finita, ii. ­ este inversabila, iii ­ ­ este periodic
impara: ( x ′ ) = − λ ( x ′ )
λ ϕ + 2 π
ϕ
iv Conform teoremei de esantionare a lui Nyquist, cele mai inalte frecvente spatiale ce se pot regasi in proiectiile liniare
sunt egale cu jumatate din frecventa spatiala de esantionare, in cazul de fata aceasta fiind inversul grosimii detectorului.
(3)
34

valorile numerice ale vitezelor de numarare corespunzatoare fiecarei poztţii ale sistemului
sursa­detector reprezinta valorile medii corespunzatoare grosimii fascicolului de radiatii X sau
gama folosit, ceea ce face ca detalii de structura mai mici decat aceasta grosime sa nu poata fi
evidentiate, acest fapt reprezentand o limitare superioara a frecventelor spatiale ce pot fi
regasite in proiectiile liniare ale CLA.
Geometria plan­paralela necesara obtinerii proiectiilor prezentata anterior a fost folosita la
realizarea primelor tomografe si actualmente se foloseste numai la tomografele dual­energy cu
raze gama. Datorita folosirii unui sigur detector, timpul de achizitie necesar obtinerii unei
tomografii este de ordinul orelor, ceea ce este practic prohibitiv pentru aplicatii pe scala larga.
In ordinea dezvoltarii tomografelor computerizate, primei generaţi caracterizata printr­o singura
pereche sursa­detector i­a urmat a doua generatie avand o singura sursa si mai multi detectori
urmata de generatiile III si IV ce folosesc un numar de cateva sute de detectori (fig. 21).
Figura 20. Definirea proiectiei lineare a CLA
intr­o geometrie plan paralela realizata prin
deplasarea sursei S si a detectorului D dupa o
directie perpendiculara pe directia de propagare a
razelor X (in cazul de fata in lungul axei Ox').
Pozitiile succesive ale sistemului sursa­detector
permit calcului proiectia CLA definita ca
multimea valorilor cu semn schimbat ale
transmitantei obiectului. Deoarece determinarile
experimentale ale transmitantei sunt efectuate
pentru puncte consecutive situate unul fasa de
altul la o distanta egala cu jumatate din grosimea
detectorului, proiectie CLA pe axa Ox' este o
functie esantionata cu un pas egal cu jumătate din
largimea detectorului. Sistemul de referinta xOy
este sistemul laboratorului in timp ce sistemul
xOy' rotit cu unghiul φ fata de primul reprezinta
sistemul de referinta al proiectiilor liniare ce
coincide cu sistemul de referinta al sistemului
fizic de achizitie al datelor. Cercul punctata
reprezinta spatiul pe care are loc achizitia de date
si pentru care proiectiile CLA sunt diferite de
zero. Pentru a ilustra mai bine formarea
proiectiilor, originea celor doua sisteme de
referinta a fost deplasata in exteriorul obiectului,
cand in realitate ea se afla cat mai aproape de
centrul acestuia unde integrarea se face în lungul
axei Oy'.
35

Fig. 21. Reprezentarile schematice ale sistemelor de achizitie a proiectiilor a celor patru generatii consecutive de
tomografe computerizate. I (generatia I) – o singura sursa si un singur detector ce descriu alternativ o miscare de
baleiere pentru a achizitiona o proiectie urmata de o miscare de rotatie pentru a ajunge in pozitia de a achizitiona
o nouă proiectie; II (generatia II) – o singura sursa si mai multe detectoare ce descriu ca si in cazul precedent
alternativ o miscare de baleiere pentru a achizitiona o proiectie urmata de o miscare de rotatie pentru a ajunge in
pozitia de a achizitiona o noua proiectie; III (generatia III) – o singura sursa si cateva sute de detectori pentru a
achizitiona pentru o singura pozitie a sursei si a detectorului intreaga proiectie dupa care are loc o miscare de
rotatie pentru a ajunge in poziţia de a achizitiona o nouă proiectie; IV (generatia IV) – o singura sursa si un
numar de cateva mii de detectori ce acopera un cerc intreg, in acest caz numai sursa descriind o miscare de
rotatie in jurul obiectului, detectorii ramanand nemiscati. In ultimele doua cazuri se obţin proiectii curbilinii ce
sunt apoi convertite in proiectii rectilinii pentru a avea loc reconstructia functiei de distributie a CLA. Daca in
timpul achizitiei de date in cazul tomografelor de generatie IV obiectul este translatat cu viteza constanta
perpendicular pe planul detectorilor, atunci se obtine un tomograf computerizat elicoidal sau spiralat, ceea ce
permite obtinerea de tomografii 3D ale obiectului studiat, pasul de reconstructie fiind egal cu spatiul parcurs la o
rotatie completa a tubului in jurul obiectului. D­ detectori; TRX – tub de raze X.
Daca in cazul tomografelor din primele doua generaţii o proiectie era achizitionata secvential, prin
deplasarea sincrona a sursei si a detectorilor, in cazul ultimelor generatii de tomografe
computerizate, datorita folosirii unui foarte mare numar de detectori, o proiectie este obtinuta intr­
un timp foarte scurt, de ordinul fractiunilor de secunda, fiecare detector contribuind cu o fractiune
de proiectie. In felul acesta, timpul total de achizitie al proiectiilor s­a redus de la cateva ore in
cazul tomografelor din prima generatie la milisecunde in cazul ultimei generatii de tomografe
computerizate.
36

Fig. 22. Fotografie (stanga) si schema constructiva (dreapta) a unui tomograf computerizat dual­energy
dedicat pentru a fi utilizat la bordul navei de cercetare Mare Nigrum la studiul tomografic al carotelor cu
sedimente neconsolidate si a altor probe de interes geologic (Iovea et al., 2007a)
Din punct de vedere constructiv orice tomograf computerizat este alcatuit dintr­un sistem de
achizitie a proiectiilor si un sistem de procesare matematica a datelor numerice astfel obtinute.
Achizitia proiectiilor CLA reprezinta prima etapa a procesului de realizare a tomografiilor
computerizate. Sistemul de achizitie al proiectiilor, la tomografele actuale (generatiile III si IV)
consta dintr­un numar de cateva sute de detectori de raze X (contori proportionali sau detectori cu
corp solid de tipul celor folositi in radiografia digitala) conectati la un bloc de alimentare si ale
caror semnale sunt colectate prin intermediul unui sistem de achizitie rapid si transmise sub forma
digitala la un calculator performant unde are loc reconstructia functiilor de distributie ale CLA in
sectiunea investigata in cazul geometriei evantai (Hounsfield, 1973, Herman, 1980) sau direct in
volumul investigat in cazul geometriei conice (Feldkamp et al., 1984). Este evident ca pentru a
achizitiona un numar suficient de proiectii pentru reconstituirea functiei de distributie a CLA,
obiectul investigat va trebui să execute o miscare relativa de rotatie fata de sistemul de detectori.
Din acest punct de vedere tomografele computerizate actuale se impart in doua categorii:
­ detectori ficsi iar obiectul se afla pe o masa ce se roteste in spatiul dintre detectori si
sursa, obiectul fiind fixat vertical (Fig.22);
­ obiect fix si detectori montati pe o armatură (gantry) ce se roteste in jurul obiectului,
acesta fiind de regula orizontal (Fig. 23)
Prima schema mai versatila este folosita predilect la construcţta tomografelor computerizate
multifunctionale folosite de regula in cercetare ca si la constructia microtomografelor cu
geometrie conica (Tiseanu et al., 2005), in timp ce a doua este folosita la constructia
tomografelor computerizate medicale (Lyons & Pouliquen, 2004).
37

Reconstructia functiei de distributie a CLA dupa proiectii reprezinta a doua etapa in procesul
obtinerii tomografiilor computerizate. In aceasta etapa, pornind de la transformata Radon a
functiei de distributie a CLA reprezentata printr­un set finit de proiectii si rezolvand problema
inversa trebuie sa se obtina functia reala de distributie. Este evident ca datorita faptului ca
proiectia obtinuta experimental constă dint­un sir discret de valori numerice, si functia astfel
reconstituita va consta dintr­un numar corespunzator de valori discrete, pasul de reprezentare al
functiei de distributie a CLA neputand fi nici o data mai mic decat cel de achizitie al proiectiilor
liniare.
Fig. 23 Obţinerea de tomografii ale unei carote de foraj folosind un tomograf computerizat medical (Lyons
& Pouliquen, 2004)
O data cu cresterea rapida a capacitatii de calcul a computerelor actuale, gradual au fost puse la
punct mai multe metode pentru rezolvarea ecuatiei (3). In ordinea aparitiei lor, aceste metode
sunt:
i. – metoda transformatei Fourier bidimensionala inversa;
ii. ­ metoda proiectiilor inverse filtrate;
iii. – metode iterative.
Dintre aceste trei metode de reconstructie, metoda proiectiilor inverse filtrate urmata de filtrarea
digitala a imaginilor tomografice este cea mai folosita metodă, fiind utilizata atat in TC medicala
cat si in celelalte variante ale TC. Acest lucru se datoreste pe de o parte faptului că imaginile
tomografice sunt reconstruite pe masură ce achizitia proiectiilor are loc, astfel ca la finele
achizitiei, imaginea tomografica este completa iar pe de alta parte faptului ca celelalte doua
metode alternative sunt fie consumatoare de timp si contin erori in domeniul frecventelor spatiale
38

Fig. 24. Schema unui fragment de panel dublu de detectori folositi la achizitia proiectiilor CLA in tomografia cu
raze X dual­energy. Detectorii sunt fototranzistori optic cuplati cu un ecran fluorescent din CsI pentru detectorii
anteriori ecranului si sensibili la componenta moale a radiatiei si din CdWO4 pentru detectorii posteriori,
sensibili la componenta dura a radiatiei. Ecranul de cupru ce ii separa modifica compozitia spectrala a razelor X
inregistrate de detectorii inferiori, permitand in final reconstructia a doua imagini tomografice diferite,
corespunzatoare densitatilor si respectiv numerelor de ordine efective. Largimea si numarul detectorilor
determina rata de esantionare a proiectiilor iar aceasta impreuna cu numarul de proiectii folosite si cu
dimensiunile petei focale optice a tubului de raze X determina in final rezolutia spatiala a imaginii tomografice
inalte (Transformata Fourier inversa) fie sensibile la zgomotul cuantic al detectorilor (metodele
iterative).
Imaginea finala rezultata in urma reconstructiei functiei de distributie a CLA după proiectiile sale
reproduce cu destula fidelitate aceasta functie in sectiunea investigata. In legatura cu acest fapt
trebuiesc insa facute mai multe observatii.
In primul rand imaginea tomografica astfel obtinuta reproduce functia de distributie a CLA cu o
rezolutie spatiala maxima egala cu dublul raportului dintre diametrul obiectului, sau diametrul
spatiului de reconstructie, si numarul de detectori folositi la achizitia proiectiilor largimii
detectorilor raportata la diametrul obiectului, ceea ce tradus in valori numerice poate reprezenta o
dimensiune de circa 0,5 – 0,2 mm pentru tomografele actuale sau in cazul microtomografelor avand
tuburi de raze X de tip microfocus, 1 ­10 µm.
In al doilea rand, datorita faptului ca pentru orice material CLA reprezinta produsul dintre
densitatea obiectului si o functie destul de complexa datata de energia razelor X sau gama folosite
cat si de numarul de ordine efectiv, imaginea tomografică descrie variaţiile CLA in secţiunea sau
volumul considerat, si numai in cazuri izolate poate fi proportional cu densitatea obiectului v .
In al treilea rand, in cazul folosirii razelor X generate de tuburile Coolidge, datorita
policromaticitatii radiatiei X emise de acestia, atenuarea prin obiect nu mai este descrisa de o
functie exponentiala de tipul relatiei Bouge­Lambert (1), ceea ce face ca in final valorile CLA
reconstruite sa devină progresiv spre centul obiectului mai mici decat in realitate, imaginea
tomografica fiind astfel deformata si putand fi folosita numai la interpretari calitative ale obiectului.
Acest efect este cunoscut sub numele de efectul de durificare al fascicolului.
Pentru toate aceste mici inconveniente exista rezolvari experimentale bine puse la punct, unele din
ele fiind chiar foarte ingenioase.
v Acest lucru se intampla numai pentru materiale constituite din elemente cu numere de ordine mai mici de 10 si
pentru energii ale razelor X sau gama mai mari de 50 keV.
39

Efectele datorate dependentei duble a CLA atat de densitate cat si de numarul de ordine pot fi intr­
un mod foarte elegant contracarate folosind tehnice tomografica si chiar de radiografie dual­energy,
conform careia se folosesc pentru obtinerea imaginilor tomografice si de radiografie digitala două
radiatii X sau gama avand energii diferite.
La baza acestei tehnici, singura capabila să ofere informatii cantitative corecte privind valorile
locale ale densitatii si ale numerelor de ordine efective este relatia matematica ce descrie
dependenta CLA de densitatea si de numarul de ordine efectiv al obiectului investigat ca si de
energia radiatiei folosite. In domeniul energiilor medii uzual folosit de maximum 1,33 MeV,
singurele mecanisme de interactie ce contribuie semnificativ la atenuare acestui tip de radiatii
nucleare sunt efectele fotoelectric si Compton a caror pondere relativa este puternic dependenta
de energia radiatiilor. In felul acesta, doua fascicule de radiatii X sau gama avand energii diferite
se vor atenua diferit in acelasi material.
⎧ µ l = ρ
⎪
⎨
⎪
⎩ µ h = ρ
c ( E l )
[ a ( E ) + b ( E ) Z ]
l
c ( E h )
[ a ( E ) + b ( E ) Z ]
h
l
h
ef
ef
Sistemul neliniar (4) consta din două ecuatii ce descriu comportarea CLA pentru două energii
diferite, notate cu indicii l si respectiv h, necunoscutele fiind densitatea ρ si numarul de ordine
efectiv Zeff . Cel mai bine acest sistem de ecuatii se rezolva determinand experimental, cu ajutorul
un set de cel puţin cinci probe etalon, valorile numerice ale coeficientilor a, b si c pentru cele
doua energii implicate in proces. In final vor rezulta doua valori pentru numarul de ordine efectiv
usor diferite si corespunzand celor doua valori ale energiei si o singură valoare a densitatii, dupa
care cu foarte buna aproximatie, numarul de ordine efectiv poate fi considerat ca media aritmetica
sau ponderata a celor doua valori (Rizescu et al., 2001a).
Pentru a putea detecta simultan cele doua energii necesare reconstructiei dual­energy se pot folosi
fie detectori cu scintilatie NaI(Tl) cuplati cu un sistem de analiza dispersiv ca in cazul radiatiilor
gama (Rizescu et al., 2001b) sau un sistem de doi detectori separati printr­un ecran de cupru (Fig.
24) astfel incat detectorii din spatele ecranului să inregistreze componenta mai dura a spectrului
energetic al razelor X în timp ce detectori din fata absorb in special componenta moale (Iovea et
al., 2004, 2005).
In felul acesta, investigatia tomografica se desfasoara in doua etape, in prima etapa are loc
achizitia proiectiilor si reconstructia functiilor de distributie ale CLA corespunzator celor doua
energii ale razelor X folosite iar in etapa a doua, pornind de la aceste doua imagini se recalculeaza
alte două noi imagini ce corespund functiilor de distributie ale densitatilor si ale numerelor de
ordine efective pentru aceeasi secţiune. Aceasta noua reconstructie este efectuata de data aceasta
folosind pentru etalonare minimum cinci probe etalon avand atat densitatile cat si numerele de
ordine efective bine determinate (Fig. 25) (Iovea et al, 2007a).
In aceste conditii, un volum considerabil de informatie poate fi obtinut din analiza histogramelor
celor doua imagini finale, numarul si pozitiile maximelor de distributie indicand cu o buna
aproximatie numerele de componente mineralogice existente in probele investigate (Iovea et al.
2007b)(Fig. 26).
Rocile sedimentare ca si sedimentele recente, datorita structurii specifice a acestora constand
din alternante de agregate minerale si organice avand densitati si compozitii mineralogice
N
A
N
10
A
− 28
10
− 28
(4)
40

Fig. 25. Relatia intre densitatile si numerele de ordine efective a cinci materiale etalon folosite pentru calibrarea
tomografelor dual­energy. Pe abscisa sunt reproduse valorile determinate din analiza imaginilor tomografice iar pe
ordonata sunt reproduse valorile recomandate de producator (Iovea et al. 2007a)
diferite reprezinta un obiect de studiu prin TC (cu raze X, raze gama sau neutroni) de prima
importanta.
In acelasi timp, depozitele mari de hidrocarburi naturale se afla in roci sedimentare, de unde
un al doilea mare interes privind de data aceasta studiul deplasarii diferitelor fluidelor in
medii poroase. Studiile au fost efectuate atât pe fragmente de roci cum sunt calcarele
numulitice (Duliu et al., 2003), gresiile (Queisser, 1988, Sweenen et al., 1991, Vinegar et al.,
1991, Watson & Mudra, 1994) sau formatiuni sedimentare cum sunt nodulii de mangan
(Duliu et al., 1997, Rizescu et al. 2001b), cat si pe carote de foraj (Kentner, 1989, Holler &
Kogler, 1990, Hicks et al., 1992, Soh, 1993, Soh et al. 1997, Beospflug et al., 1994, 1995,
Coshell et al. 1994, Orsi et al., 1994, 1999, Bonner et al., 1995, Schaoping et al., 1994, Van
Geet et al., 2000 (Figura 9), Mermillod­Blondin, et al., 2003, Iturrino, et al., 2004), acestea
din urma, datorita formei cilindrice, permit o reconstructie atat bi cat si tri­dimensionala fara
artefacte majore.
Fig. 26. Trei imaginile tomografice corespunzatoare aceleiasi sectiuni printr­o carota continand sedimente
neconsolidate colectate din Dunare in dreptul orasului Cernavoda (Iovea et al. 2007b). Prima imagine
tomografica descrie distributia CLA corespunzatoare detectorilor anteriori, in timp ce următoarele doua
41

corespund distributiei densitatilor si a numerelor de ordine efective. Histogramele corespunzatoare indica
prezenta a cel putin trei fractiuni cu densitati diferite in timp de histograma numerelor de ordine efective
atesta prezenta a doua fractiuni cu compozitii chimice diferite. Imaginea radiografica a carotei a fost
obtinuta folosind acelasi tomograf computerizat dual­energy, dar in modul de radiografie digitala.
Deoarece, exceptand folosirea unor micro­CT, rezolutieaspatiala a TC folosite in astfel de studii este
de ordinul a 0,5 mm, aceasta este si dimensiunea minima a detaliilor ce pot fi evidentiate pe imaginile
tomografice, ca si capacitatea de a reprezenta sectiuni dupa orice directie prin proba investigata,
superioritatea TC fata de radiografia clasica, chiar si a unor sectiuni subtiri este evidenta (Hunt et al.,
1988, Holler & Kogler, 1990, Boespflug et al., 1995).
Fig. 27. Doua imagini tomografice tridimensionale ilustrand structura interna a unui fragment de gresie din bazinul
Campine din Belgia (stanga) ai un fragment de calcar dintr­un rezervor cretacic din sudul Frantei. In cazul
fragmentului de gresie pot fi distinse zone puternic mineralizate continand incluziuni de pirita (A) in ankerit (B).
Fragmentul de calcar de varsta cretacica contine o incluziune de porozitate mai redusa si deci de densitate mai mare
marcat cu o sageata. Diametrul probelor variaza intre 6 si 8 mm (după Van Geet et al., 2000)
Ca si in cazul studiul solurilor, informatiile obtinute prin TC au atat un aspect cantitativ
rezumandu­se la descrieri mai mult sau mai putin detaliate ale structurilor observate cat si un
aspect cantitativ, prin folosirea valorilor numerice ce descriu grosimea laminelor anuale,
distributia densitatii sau a porozitatii pentru analize matematice ulterioare, unele destul de
sofisticate.
ÎI primul caz, prezenta bioturbatiei in sedimentele superficiale (Holler & Kogler, 1990,
Mermillod­Blondin et al., 2003, Michaud et al., 2003);
comunitati bentice din estuare (Perez et al. 1999, 2001), sau a unor bioglife in
sedimente profunde (Schaoping et al., 1994);
prezenta fragmentelor de cochilii de moluste (Duliu & Tufan, 1996, Mermillod­
Blondin et al., 2003, Iovea et al., 2005);
existenta incluziunilor minerale (Verhelst et al., 1995);
alternanta laminelor de densitati si granulatii diferite (Vinegar et al., 1991);
prezenta fisurilor in gresia folosita ca material de constructii (Queisser, 1988);
impregnarea cu silt a microporilor determinata de tensiunea superficiala (Bonner et al.,
1995);
alternanta fina a ritmitelor (Boespflug et al. 1996);
turbidite provocate de inundatii masive (Crémer et al., 2002, Long et al., 2003) (Fig.
28);
42

Fig. 28. O sectiune tomografica longitudinala printr­o carota de foraj extrasa din bratul Ha!Ha!, Fiordul
Saguenay, estuarul Sfantul Laurentiu, Canada, recoltata la un an dupa inundatiile catastrofale din Iulie 1996.
Pe langa faciesurile sedimentare tipice mediului de depozitare din acest brat al fiordului Saguenay constand
din alternante de lamine fine, jumatatea superioara a carotei contine in turbidite determinate de acest
eveniment. Acestea sunt compuse din fractiunile sedimentare mai fine (nisip, silt si argile, diagrama b)
depuse peste sedimente mai grosiere (diagrama a), ceea ce permite reconstituirea atat a amploarei inundatiilor
cat si a evolutiei in timp a proceselor sedimentare ce le­a succedat (după Crémer et al., 2002). Curbele de
distributie ale granulometriei au fost obtinute dupa sectionarea carotei.
strate de portelanit intercalate intre zone diatomitice de varsta pleistocena (Gerland et
al., 1997);
deformarea sedimentelor argiloase din zonele de contact al placilor tectonice (Ujiie et
al., 2004);
deformarea sedimentelor de adancime in urma recoltarii datorita prezentei gazului metan
(Soh, 1997);
efectul proceselor biologice si hidrodinamice asupra sedimentelor (Richardson et al.,
2002);
structura interna a nodululor de mangan (Duliu et al., 1997);
influenta conditiilor externe, inclusiv cele climatice, in timpul acumularii sedimentelor
(Long & Ross, 1991, Boespflug et al., 1995).
43

Fig. 29 Imaginile optice (A, C, E şi G) si imaginile tomografice corespunzatoare (B, D, F si H) ale unor
esantioane cu diametrul de 2,5 cm prelevate de la adancimea de 3670 m din regiunea hidrotermala a Geo­
traversul Trans­Atlantic. Pe imaginile tomografice zonele de culoare deschisa corespund golurilor din roca,
zonele de culoar e inchisa, sulfurilor iar cele de nuanta gri, cuartlui si/sau anhidritului, micilor pori sau
granulelor de cuart (Tivez, 1998)
Pornind de la imaginile tomografice ca functii de distributie bi si tri­dimensionale ale CLA in
probele studiate, si folosind o serie de tehnici de analiza a datelor numerice furnizate in acest
mod, studiile privind proprietatile fizice ale sedimentelor au putut fi mult aprofundate. Pentru
aceasta, in primul rand a fost necesara stabilirea unei corelatii intre numerele Hounsfield sau CT
ale imaginii tomografice a sedimentelor si densitatea acestora. Desi corelatia intre aceste doua
marimi este pozitiva si liniara, neomogenitatea sedimentelor privind compozitia lor chimica,
neomogenitate manifestata prin prezenta in cantitati apreciabile a carbonatilor sau a compusilor
ce contin fier si mangan face ca nu totdeauna curbele de etalonare densitate­numar Hounsfield
sau numar CT sa fie independente de natura sedimentelor (Orsi et al., 1994, Orsi & Anderson,
1999, Amos et al., 199Acest inconvenient poate fi insa usor depasit, asa cum s­a demonstrat
anterior, prin folosirea tehnicii dual­energy (Iovea et al., 2004).
Din acest motiv, TC a fost folosită cu succes la studiul fenomenelor de transport al fluidelor
nemiscibile in medii poroase, constituite de obicei fie din nisip (Tomutsa et al. 1990, ) sau din roci
de rezervor poroase (Vinegar & Wellington, 1987, Torczynskiet al., 1995, Peters & Afzal, 1992,
Peters et al., 1993, Gharbi & Peters, 1993). In aceste experimente au fost folosite solutii apoase de
clorură sodiu continand clorura de bariu ca substanta de contrast si ulei mineral pentru a simula
deplasarea petrolului si a apei de zacamant in mediul natural.
Tot pentru a vizualiza deplasarea fluidelor in roci semipermeabile sau cu textura alterata din cauza
tensiunilor locale au fost construite dispozitive specializate de tipul camerelor de reactie in care au
fost introduse esantioane din rocile de interes si in care apoi a fost injectate sub presiune o solutie
apoasa de KI, toate introduse in zona de reconstructie a unui TC. In felul aceste, prin intermediul
tomografiilor efectuate la intervale scurte de timp a putut fi urmarita deplasarea solutiei de KI in
conexiune cu structura si distributia porilor si fracturilor interne ale rocilor (Hirono et al., 2003).
44

Fig. 30 Imaginea micro­tomografica a unui nodul de mangan din Pacificul de Sud (I), a fragmentului de dinte
de rechin aflat in interiorul acestuia (II) precum si a unui dinte de rechin din genul Issurus (fam. Lamiidae)
recoltat din sedimentele abisale din aceeasi zona. Din compararea acestora, fragmentul de dinte din interiorul
nodulului a putut fi atribuit în final aceluiaşi gen (Duliu et al, rezultate nepublicate)
In vederea amplificarii volumul de informatii privind sedimentele de mare adancime recoltate in
cadrul programului Ocean Driling, determinarile de densitate facute prin TC au fost interpretate in
corelatia cu masuratorile de rezistivitate si de permeabilitate. Chiar daca rezultatele astfel obtinute
nu a fost concludente, efectuare a cat mai multe tipuri de masuratori pe acelasi set de probe
reprezinta o tendinta in curs de generalizare (Iturrino et al., 2004).
In acest sens, din analiza imaginilor tomografice ale sedimentelor au fost determinate valorile
numerice ale functiilor de distributie nu numai ale densitatii ci si ale distributiei bulelor de gaz ceea
ce este extrem de util la intelegerea mecanismului prin care undele acustice ce sunt folosite la
cartografierea de inalta rezolutie a reliefului fundului marii se reflecta printre altele la interfata apa­
sediment (Richardson et al., 2002, Lyons & Pouliquen, 2004).
Diferenta de densitate intre structurile de origine biogena din sedimente si cele de origine minerala
a fost folosita ca factor de discriminare pentru a putea determina ponderea procentuala a structurilor
de origine biogenă, putand in felul acesta urmari variatia cu adancimea, gradul de populare al
sedimentelor.
Datele numerice obtinute din analiza distributiei verticale a laminelor in patru fragmente dintr­o
carota cu lungimea de 150 m recoltata din estuarul Sfantul Laurentiu, Canada, a caror varsta
corespunde stadiului izotopic 5 (130­80 ka BP) au permis pe langa identificarea componentelor
petrografice si evidentierea proceselor de transgresie si regresie de la un mediu glacial la unul
deltaic si invers, in conexiune, trecerea de la un stadiu interglacial la un alt stadiu interglacial cu
evidentierea maximumului glacial dintre acestea si efectuarea unei analize a seriilor temporale a
grosimii laminelor anuale si subanuale, bine evidentiate pe imaginile tomografice. In acest din
urma caz au putut fi evidentiate maxime ale seriilor de puteri avand o periodicitate de 3, 5, 12.5
45

si 15 ani, atribuite cel mai probabil fenomenului ENSO (El Niño Southern Oscilation) ca si
ciclului petelor solare (Boespflug et al., 1995)
Deoarece rezolutia TC folosite pentru investigarea probelor cu dimensiuni centimetrice si
decimetrice nu poate fi mai buna de 0,5 mm din cauza numarului finit de detectori ca si al
dimensiunilor petei focale optice, pentru a creste rezolutia se folosesc microtomografe,
prevazute cu tuburi de raze X de tipul microfocus pentru care dimensiunile petei focale optice
sunt de ordinul micronilor. Folosind in plus o geometria conica (Fig. 19) acest tip de TC permit
reconstituiri de functii de distributie ale CLA la o rezolutie de ordinul micronilor. In felul
acesta, pentru probe ale caror dimensiuni sunt proportional reduse, au putut fi evidentiate detalii
imposibil de vizualizat cu TC obisnuite. Avand in vedere unicitatea unor astfel de probe,
imaginile tomografice au fost comparate cu imaginile optice ale acelorasi sectiuni slefuite. Au
putut fi in acest fel mai bine diferentiate sulfurile de cuart, evidentiate zonele cu continut
majoritar de anhidrit ca si porozitatea rocilor (Tivey & Singh, 1997, Tivey, 1998) (Fig. 29, 30).
Tot din categoria formatiunilor sedimentare investigate prin TC se numara si conurile de acretie
formate la baza izvoarelor hidrotermale din zona dorsalei Atlantice. Mai multe minicarote cu
diametrul de 2,5 cm recoltate din Geo­traversul Trans­Atlantic, zona bogata in izvoare hidrotermale
fierbinti cu temperaturi ajungand pana la 366°C. Datorita activitatii hidrotermale intense, rocile din
aceasta regiune au un caracter particular fiind bogate in sulfuri de fier, oxizi hidratati de fier,
anhidrit, succesiuni de sulfuri­sulfati­silicati, brecii bazaltice cloritizate, avand categorii diferite
de claste. Din acest motiv, intelegerea structurii acestor tipuri de brecii ca si a categoriilor mai largi
de roci sedimentare ar permite in final si intelegerea modului de formare ca si evolutia in timp a
unei largi comunitati de formatiuni sedimentare hidrotermale recente.
III IV V
Fig. 31 Doua imagini radiografice digitale ale unor sedimente neconsolidate recoltate de pe platforma
continentala a Marii Negre din zona cu facies de Mytillus galoprovincialis (I), din zona anoxica de la o
adancime de 600 m (II) ca si trei carote colectate din Delta Dunarii din zona de varsare a canalului Sulina
(III­V).
Tomografele computerizate pot fi folosite cu deosebit succes si la radiografierea obiectelor
investigate. Acest lucru este cu atat mai spectaculos cu esantioanele studiate au o forma geometrica
mai apropiată de cea cilindrica sau prismatica, din acest punct de vedere carotele fiind obiecte
46

ideale. Din această cauza, de multe ori, informatia obtinuta prin analiza radiografiilor digitale
este quasi­suficienta pentru o analiza preliminara a acestora.
Pentru ilustrare, in figura 13 sunt reproduse mai multe radiografii digitale ale unor carote
continand sedimente neconsolidate colectate atat din delta Dunarii cat si de pe fundul Marii
Negre, de la adancimi variind intre 40 si 600 m, ceea ce corespunde atat zonei oxigenate cat si
celei anoxice.
Concluzii. Tomografia Computerizata si Radiografia Digitala sunt doua metode de investigare
nedistructiva cu un mare potential de aplicabilitate in studiul sedimentelor neconsolidate si in
general in studiul probelor geologice, recomandand aceasta metoda pentru a fi utilizata la o
examinare preliminara a carotelor cu sedimente neconsolidate imediat ce acestea vor fi recoltate.
7. DATAREA CU METODA RADIOCARBONULUI A PROBELOR GEOLOGICE
Drd. C. Varlam – ICSI Rm. Valcea
Obiectivele generale ale primei etape de “Fundamentare a obiectivelor stiintifice” urmaresc atat
sinteza informatiilor geologice si geocronologice existente, cat si definirea unei strategii de
recoltare si metode de pregatire a probelor pentru analiza. In contextul acestor probleme
partenerul 2, Institutul National de Cercetare­Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice si
Izotopice –ICSI Rm. Valcea este de identificarea posibilitatilor si limitarilor impuse de datarea cu
metoda radiocarbonului a probelor geologice. Pentru aceasta s­a urmarit atingerea urmatoarelor
obiective specifice: date privind aplicarea tehnicii de datare cu C­14 pentru probe specifice
proiectului si metodologia de probare si prelucrare a probelor paleontologice pentru analiza
continutului de C­14.
In acest scop prezentul raport trateaza, in prima parte, comportamentul radiocarbonului in mediu
trecandu­se in revista rezervoarele si fenomenele majore ce il afecteaza: atmosfera, biosfera
terestra, hidrosfera, litosfera, efectul Suess, testarea armelor nucleare si producerea sa
antropogenica. Principiile datarii utilizand C­14 sunt descrise intr­un capitol separat, in care
alaturi de acestea sunt descrisi parametrii ce insotesc uneori datele de radiocarbon, standardele
internationale alese prin conventie internationala si anul 0 al determinarii varstei conventionale de
radiocarbon.
Tehnicile de analiza a radiocarbonului cele mai des folosite in practica de laborator, scintilatia
lichida si spectrometria de masa cu particule accelerate (Accelerate Mass Spectrometry, AMS)
sunt de asemenea descrise in aceasta faza.
Metodele de pretratare si tratare a probelor recoltate sunt si ele prezentate in prezentul raport, dar
se evidentiaza clar necesitatea alegerii lor in functie de tipul de contaminare estimata. Fiecare din
probele supuse datarii trebuiesc examinate atent in laborator. Ipoteza contaminarii fiecarei probe
este ipoteza de lucru in laborator, si estimarea gradului de contaminare depinde foarte mult de
informatiile furnizate de beneficiarul rezultatelor, sau de colector.
Ca o concluzie a acestei etape, pe langa limitarea de varsta de maximum 50 000 de ani (pentru
scintilatia lichida) si 70 000 de ani (pentru AMS) metoda radiocarbonului este afectata si de
capabilitatea estimarii gradului de contaminare a probei post­depunere, acest fapt impunand clar
corectiile de fractionare izotopica si comparare cu trasori cronologici acceptati ai locatiei de
recoltare.
47

7.1 Radiocarbonul in mediu. C­14 este izotopul radioactiv al carbonului, in natura fiind prezent
in cantitati foarte mici comparativ cu izotopii stabili 12 C si 13 C, ( 12 C= 98.9%, 13 C= 1.1% si 14 C = 1
atom la 10 12 atomi de carbon stabili).
Producerea C­14 se petrece in stratele inalte ale atmosferei datorita ciocnirii razelor cosmice
producatoare de neutroni in prezenta atomilor de azot:
14 7N + 1 0n
14 6C + 1 1p
Rata de producere a fost calculata din inventarul total de C­14 si este de 1.0x10 15 Bq/an, ceea ce
este destul de apropiata de estimarile lui Libby calculate din fluxul razelor cosmice de
1.4x10 15 Bq/an. O data produs, acesta se oxideaza la 14 CO2 si sub aceasta forma este incorporat in
ciclul global de carbon prin aceleasi procese ca si 12 CO2 si 13 CO2. Dezintegrarea nucleului
radioactiv al carbonului se petrece prin eliberarea unei particule beta pentru a forma nucleul stabil
al azotului, energia produsa fiind impartita intre particula beta si antineutrino. Energia maxima
asociata cu aceasta particula beta este 156 KeV cu o energie medie de 45 de KeV.
La fel ca si celelalte elemente esentiale vietii, azotul sau oxigenul, miscarea carbonului in mediu
poate fi descrisa schematic la nivelul unui ciclu global. Acesta in esenta arata continutul de
carbon al rezervoarelor si cum sunt legate unele de altele in asa fel incat sa se mentina o stare
stationara.
1.0 x 10 17 g C /an 1.0 x 10 17 ATMOSFERA
g C /an
BIOSFERA TERESTRA
BIOTA HUMUS
9.0 x 10 17 g C 1.7 x 10 18 g C
δ 13 C = ­25 per mil δ 13 C = ­25 per mil
14 C = 226 Bq/kg C 14 C = 215 Bq/kg C
5.9 x 10 17 g C
6 13 C = ­6 per mil
LITOSFERA
6.5 x 10 22 g C
Fig. 32. Ciclul global al carbonului
Conform fig. 32 se pot considera patru mari rezervoare de carbon:
HIDROSFERA
SUPRAFATA ADANCIME
6.3 x 10 17 g C 3.8 x 10 19 g C
δ 13 C = 0 per mil δ 13 C = 0 per mil
14 C = 215 Bq/kg C 14 C = 190 Bq/kg C
Atmosfera. In literatura de specialitate se propune o impartire a acesteia in cinci regiuni in functie
de temperatura: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera si exosfera. Aproape tot carbonul
continut in atmosfera se gaseste in cele doua regiuni mai joase, troposfera ­ 84% si stratosfera ­
16%, deci acestea sunt regiunile de interes pentru modelarea ciclului carbonului. Cea mai joasa
dintre cele doua este troposfera care contine trei patrimi din atmosfera ca masa si aproape toata
umezeala, deasupra ei cu zona uscata si senina a stratosferei. Amestecul interemisferic al
carbonului troposferic se petrece in apoximativ un an, in timp ce acelasi fenomen se petrece in
stratosfera in 5 ani. Schimbul de carbon dintre stratosfera si troposfera se petrece in aproximativ
mic
48

2­4 ani. Totusi aceste rate de schimb se considera mai rapide, deoarece in studiile atmosferice de
modelare, atmosfera ca un tot este considerata a fi un rezervor omogen de carbon.
Inainte de Revolutia Industriala (an de referinta 1850) s­a dedus un continut de carbon de 5.9 x
10 17 g C ca CO2(280ppm), dar pana in 1980 aceasta a crescut la 7.2 x 10 17 g (338ppm) datorita
atat arderii combustibililor fosili, cat si defrisarii globale a padurilor. Rata de crestere prezenta
este aproximata a fi de cel putin 1.5 ppm/an. Fluctuatiile observate in aceasta rata se pot asocia
fenomenelor El Nino sau ENSO (Southern Oscillation), in care cantitati crescute de carbon sunt
absorbite in Pacificul tropical, la suprafata apei se produce o ridicare a temperaturii, iar schimbul
de nutrienti cu apele adanci inceteaza. Datorita schimbului cu alte rezervoare, mai ales cu biosfera
terestra si hidrosfera, timpul de rezidenta al carbonului in atmosfera este relativ scurt si este in jur
de 4 ani.
Biosfera terestra. Biosfera terestra este considerata a fi compusa din doua compartimente
distincte: biota terestra, reprezentand toate fiintele vii, si humus­ul definit ca fiind materia moarta
cazuta sau incorporata in sol. Rezervorul biotei terestre contine aprox. 5.7 x 10 17 g C in
comparatie cu 1.5 ­ 2.0 x 10 18 g C prezent in humus. Inventarul de carbon din biota terestra a
scazut de­a lungul anilor odata cu biomasa terestra continand 7.0­11.0 x 10 17 g C comparativ cu
estimarile prezente de 4.2­6.6 x 10 17 g C. Incertitudinile in continutul de turba din sol sunt
principala cauza a marimii domeniului raportat pentru componenta de humus.
Schimbul de carbon intre biosfera terestra si atmosfera este guvernat de procesele de respiratie si
fotosinteza. Fotosinteza prin plante capteaza CO2 din atmosfera, il converteste in carbohidrati
care mai apoi sunt stocati si utilizati ca furnizori de energie in procesele metabolice. In timpul
respiratiei, CO2 este eliminat in atmosfera prin frunze, si in sol prin radacini. Cantitatea de carbon
eliminata in timpul respiratiei nu egaleaza pe cea utilizata in timpul fotosintezei, astfel incat o
cantitate de 4.5 ­ 6.2 x 10 16 g C pe an este incorporata in plante in timpul procesului de crestere.
Aceste carbon este apoi incorporat de organismele heterotrofice, fie de animale, fie de
microorganisme. Timpul de rezidenta al carbonului in biosfera terestra este complicat datorita
varietatii mari de materiale prezente in rezervor. In general, pentru frunzele plantelor, litiera si
alte cai rapide de schimb, care constituie in jur de 20% din cantitatea de carbon, se estimeaza un
timp scurt de 1­2 ani. Cantitatea de 80% a biotei terestre se presupune a avea un timp de rezidenta
mai mic de 100 de ani. Pentru componenta humus, acesta este considerabil mai mare intre 100 si
1000 de ani.
Hidrosfera cuprinde toate tipurile de ape, nu numai oceane si ape marine ci si ape dulci, ape
polare, lacuri si rauri. Cum oceanele acopera 70% din suprafata pamantului, acestea constituie
partea majora a hidrosferei si sunt considerate a influenta major fenomenul de schimb al
carbonului. Astfel, oceanele contin aproximativ 3.84 x 10 19 g C, din care 1.0 x 10 18 g este de
natura organica, deci de departe cea mai mare proportie este anorganica. In faza organica, 3 x 10 15
g este prezent in materie specifica (incluzand biomasa marina) cu cea ramasa considerata a fi
carbon organic dizolvat.
Schimbul global anual intre atmosfera si suprafata oceanelor este 1.0 x 10 17 g C si este condus
prin diferente mici ale presiunii partiale ale CO2 (pCO2) in amandoua rezervoarele. Transferul se
produce prin difuzie moleculara la nivelul stratului subtire al suprafetelor oceanelor. Acest
fenomen este controlat de numerosi factori cum ar fi temperatura, grosimea stratului de schimb,
vant, si procese oceanografice ex. amestecul turbulent. Schimbul intre hidrosfera si litosfera este
extrem de scazut si adesea neglijat in cele mai multe modele. Oricum, sedimentele de suprafata
de pana la 10 cm sunt deobicei incluse in rezervoarele oceanice. O estimare de 4 x 10 15 g C se
49

considera a fi in aceste depozite mobile sub forma carbonatului de calciu. timpul de rezidenta al
carbonului in oceane este considerat intr­un domeniu de 5­8 ani, in timp ce pentru apa de
adancime a oceanelor este de 500­1000 de ani.
Litosfera este compartimentul care ocupa ultimul loc in ciclul schematic al carbonului, nu numai
ca pozitie dar si din punct de vedere al continutului. Aceasta contine 6.5 x 10 22 g de C din care
75% este prezent in forma anorganica, iar proportia ramasa fiind de natura organica. Calcitul si
aragonitul (formele carbonatului de calciu) sunt principalele forme ale carbonului anorganic din
litosfera. Mai putin de 1% din carbonul organic din litosfera este prezent sub forma de
combustibil fosil. Carbonul litosferic schimba cu hidrosfera prin sedimentele oceanice.
Transportul in sedimente se petrece datorita sedimentarii particulelor organice sau precipitarii
carbonatilor anorganici dizolvati. Dizolvarea diagenetica a carbonatilor reda carbonul din
sedimente coloanei de apa. Aceste fluxuri tind sa fie foarte mici, de aici, timpul de rezidenta al
carbonului sedimentar tinde sa ajunga la 10 18 ani.
Datorita ciclului carbonului in natura, producerea C­14 in stratosfera este eventual incorporata in
alte rezervoare ale carbonului. Distributia atat a izotopilor stabili, cat si a celui radioactiv este
determinata de aceleasi procese de schimb, dar datorita imbatranirii si fractionarii izotopice, apar
diferente in activitatile specifice ale C­14 in rezervoare. Raportul 14 C: 12 C prezent in ciclul
carbonului a fost influentat nu numai de variatiile naturale, dar si de activitatile umane. Trei
procese principale sunt responsabile de fluctuatiile inregistrate in continutul de carbon.
Efectul Suess. Revolutia industriala a adus o crestere mare a cantitatii de combustibili fosili arsi
pentru producerea energiei. In producerea acestei energii C­14 este eliberat in atmosfera odata cu
producerea bioxidului de carbon. Aceasta reducere a activitatii specifice atmosferice a fost prima
data observata de Suess si este cunoscuta ca “efectul Suess”. O inregistrare a nivelurilor emisiilor
de CO2 datorate arderii combustibililor fosili si productiei de ciment (CO2 este eliberat la
descompunerea calcarului in fabricile de ciment) a fost publicata de multi autori in lucrari de
specialitate. Datele arata o crestere anuala aproape constanta de 4.3% a CO2 de peste 100 de ani,
exceptie facand numai perioadele celor doua razboaie mondiale si perioada depresiunii din 1930.
Este evident din masurarile activitatii specifice a C­14 ca prin cresterea emisiilor de CO2 a
rezultat o crestere a raportului 12 C: !4 C. Au aparut totusi diferente intre cele doua emisfere ca
rezultat direct atat a timpului de amestec diferit intre emisfera nordica si cea sudica, cat si a
consumului mai ridicat de combustibili in emisfera nordica, dar si a fluxului oceanic mai mare in
emisfera sudica.
Testarea armelor nucleare Aceasta a inceput in 1945 in New Mexico, si de atunci au avut loc
periodic. Cele mai semnificative perioade au fost 1954­1958 si 1961­1962 cand au avut loc foarte
multe experimente. C­14 este produs in exploziile nucleare prin activarea neutronica a azotului
din atmosfera cu productie estimata la nivelul anului 1980 de 2.2­3.5 x10 17 Bq. In cazul testelor
subterane, numai 50% din cantitatea de C­14 asociata cu testele atmosferice este produsa, datorita
capturarii neutronilor de catre sol si apa. In figura de mai jos se reprezinta estimarile anuale si
cumulative ale productiei de C­14 pentru perioada 1945 si 1980, acesta fiind anul in care s­a
raportat ultima experienta nucleara in atmosfera.
50

Fig. 33. Productia de C­14 datorata testelor nucleare.
Datorita aportului de C­14 din testele nucleare, activitatea specifica a crescut dramatic in pana in
1963­1964, cand s­a atins aproape dublul activitatii initiale. Datele prezentate in fig. 34 sunt
bazate pe masurari la nivelul solului ale bioxidului atmosferic de la latitudini mijlocii si ridicate
ale celor doua emisfere, nordica si sudica. Per ansamblu, majoritatea testelor nucleare s­au
petrecut in emisfera nordica, aceasta reflectandu­se in valorile mai ridicate. De asemenea este
ilustrat si timpul de amestec limitat dintre cele doua emisfere, ca rezultat obtinandu­se valori
intermediare la latitudile mai joase. Valoarea maxima a fost inregistrata in 1963­1964, la aproape
doi ani de la aceasta perioada indicandu­se ca injectia s­a produs in stratosfera si ca s­a petrecut o
perioada de intarziere inainte de a se ajunge la un echilibru cu troposfera. Din acea perioada a
activitatii specifice maxime, continutul de C­14 in atmosfera a scazut constant datorita schimbului
cu biosfera si oceanele. Rata descresterii este in jur de 6.1% pe an, iar in prezent se estimeaza a fi
in jurul valorii de 265 Bq/kg C.
51

Fig. 34. Activitatea specifica a carbonului radioactiv atmosferic, 1950­1980.
Productia de C­14 in reactorii nucleari. Izotopul radioactiv al carbonului apare in reactori ca un
produs de activare, datorat unui numar de reactii ce se petrec nu numai in combustibil, ci si in
armaturi, agentii de racire, moderatori si materialele de constructie. Cantitatea de C­14 produsa in
reactor este dependenta de un numar de factori caracteristic fiecarui reactor cum ar fi fluxul de
neutroni, sectiunea eficace a neutronilor de captura din tinta pentru o nergie specifica a
neutronilor, cantitatea atomilor tintei prezenti in diferite componente ale reactorului si abundenta
izotopilor tintei in elementele tinta. S­au efectuat un numar mare de studii privind rata de
producere a C­14. Tabelul de mai jos este o sinteza sumara a acestora.
Tipul reactorului
Rata de producere a C­14 (TBq / (GW(e) an)
Agent racire Moderator Combustibil Materiale de
constructie
PWR ­ 0.4 0.6 1.4 2.4
BWR ­ 0.4 0.6 2.3 3.4
HWR* ­ 20 1.1 1.9 23.0
GRAFIT 0.3 8.0 2.2 1.8 12.3
LMFBR ­ ­ 0.2 0.6 0.8
*Reactorii HWR mai vechi folosesc ca gaz de circulare azotul si de aici productia de C­14 mai
crescuta a acestui tip de reactor.
Total
52

Orice C­14 produs in materialele de constructie se presupune ca va ramane acolo pana la
dezafectarea reactorului nu acelasi lucru se intampla cu cel din combustibil sau cel din
combustibilul de protectie, care este transferat la uzinele de reprocesare de unde poate fi apoi
eliberat in mediu. Tabelul de mai jos arata forma chimica sub care se gaseste C­14 in functie de
tipurile de reactori.
Forma chimica a C­14 din diferite tipuri de reactori
Reziduuri gazoase
TBq(GW(e) an) ­1
Tipul reactorului Productia de C­14
TBq(GW(e) an) ­1
Reziduuri solide
TBq(GW(e) an)
Reactor Uzina de
reprocesare
­1
PWR 2.4 0.4 0.6 1.4
BWR 3.4 0.5 0.6 2.3
HWR 23.0 13.1 1.1 8.8
Grafit 12.3 0.3 2.2 9.8
LMFBR 0.8 ­ 0.2 0.6
In concluzie variatiile activitatii de 14 C in atmosfera prezinta un interes geofizic considerabil.
Cauzele posibile ale unor astfel de variatii au fost discutate multa vreme. Se pot distinge doua
tipuri de cauze: variatiile in nivelul de producere a 14 C in atmosfera si modificarile in continutul
de carbon al rezervoarelor unui sistem schimbator. Se pare ca variatiile pe termen lung si
variatiile pe termen scurt fac sa intervina fenomene diferite.
Astazi se admite ca cea mai mare parte a variatiei pe termen lung a C­14 in atmosfera se
datoreaza unei variatii in nivelul de productie. O parte din razele cosmice este deviata de campul
magnetic terestru in vecinatatea Terrei: se pare ca o scadere a intensitatii campului magnetic
terestru, de exemplu, va avea ca si conseinta o crestere a numarului de neutroni incidenti, si drept
urmare o crestere a numarului de atomi C­14 produsi. Intr­adevar se observa o buna corelare
intre variatia sinusoidala a in tensitatii campului magnetic terestru si variatiile pe termen lung a
raportului 14 C/ 12 C in atmosfera.
Variatiile climatice pot fi de asemenea responsabile de variatia nivelului de producere a C­14 in
atmosfera, deorece ele influenteaza nivelul de schimb al carbonului intre diferitele rezervoare.
Modularea fluxului cosmic de catre soare pare a fi responsabila de variatiile ce au durat cateva
secole sau mai putin, acest lucru fiind sugerat de buna corelare dintre maximul productiei de C­14
si perioadele de slaba activitate solara.
7.2 Estimarea varstelor utilizand metoda radiocarbonului. Metoda radiocarbonului a fost
dezvoltata de o echipa de cercetatori condusa de Prof. Williard F. Libby, la Universitatea din
Chicago imediat dupa cel de al doilea razboi Mondial. Acesta in 1960 a primit Premiul Nobel in
Chimie. Primele incercari de confirmare a metodei au fost facute pe probe de varsta cunoscuta din
Egiptul preistoric. Testele de dezvoltare a metodei au fost pe o proba din lemnul de accacia din
mormantul faraonului Zoser ( sau Djoser, Dinastia a treia , atestat intre 2700 si 2600 BC). Libby a
rationat ca daca timpul de injumatatire al C­14 este 5568 de ani, concentratia de C­14 gasita in
proba masurata va fi cam 50% din concentratia ce se gaseste in lemnul zilelor noastre. Prin
valorile masurate s­a confirmat aceasta ipoteza. S­au efectuat si alte analize pe mai multe tipuri de
53

lemn datat prin metoda dendrocronologica, care au confirmat ipoteza aratata mai sus, cu o
incertitudine de +/­ 10%. Testele realizate au sugerat ca timpul de injumatatire masurat a fost
destul de precis, dar a si impus o ipoteza (infirmata de altfel mai tarziu) prin care concentratia de
radiocarbon atmosferic a ramas constanta pentru trecutul recent.
In 1949, Arnold si Libby publica lucrarea “Age determination by radiocarbon content. Checks
with sample of known age” in jurnalul Science. In aceasta lucrare sunt prezentate primele
rezultate ale metodei de C14, inclusiv “Curve of knowns” in care datele stabilite prin metoda C­
14 sunt comparate cu datele istorice cunoscute.
Fig. 35 “Curve of knowns” dupa Libby si Arnold. Datele sunt raportate cu o deviatie standard, iar curba teoretica
este trasata cu timp de injumatatire de 5568 ani. (http://www.c14dating.com)
Toate masurarile s­au incadrat in domeniul statistic. Metoda a fost acceptata ca instrument
stiintific, iar pana la sfarsitul anilor 50 s­au dezvoltat 20 laboratoare ce utilizau datarea cu C­14.
Au inceput sa apara si inconsistente in interpretarea varstelor, mai ales in datarea probelor
recoltate din Mediterana, care erau mai tinere decat varsta cunoscuta prin alte mijloace. Pe scurt,
opiniile s­au impartit in doua tabere: cei care considerau datele de radiocarbon corecte, diferentele
fiind legate mai mult sau mai putin de anul solar si anul calendaristic si cei care considerau datele
istorice mult mai precise decat orice alt mijloc de datare.
La sfarsitul anilor 1950 si inceputul anilor 1960, cercetatorii ce masurau radioactivitatea din inele
de copaci au demonstrat o fluctuatie de +/­5% in concentratie de C­14 pe parcursul a ultimilor
1500 de ani. Alaturi de fluctuatiile pe termen lung au fost identifcate de olandezul Hessel de
Vries, deviatii mai mici care au impus necesitatea calibrarii datelor de C­14 la alte materiale de
varsta istorica cunoscuta. Ca urmare a acestei necesitati, s­au masurat datele de radiocarbon ale
speciilor de pini: Pinus Aristava, Pinus Longaeva, Pinus Balfouriana din USA si de asemenea
stejari din Germania si Irlanda, care prin datarile dendrocronologice, si masurarile de C­14 in
inele au permis construirea unei curbe de calibrare de pana la 10000 de ani. Aceasta permite
datelor de radiocarbon sa fie calibrate datelor solare sau datelor calendaristice.
Masurari mai tarzii facute pentru timpul de injumatatire au demonstrat ca cel utilizat de Libby era
cu aprox. 3% mai scazut, acesta fiind de 5730+/­40 de ani, valoare cunoscuta sub numele de
timpul de injumatire Cambridge.
Principalul standard pentru radiocarbonul modern este Acidul Oxalic I (C2H2O4) produs de
National Institute of Standards and Technology USA (NIST). Este materialul de referinta SRM
4990B si este denumit HOxI. Acesta este Standardul international pentru datarea cu radiocarbon.
54

Nouazeci si cinci la suta din activitatea acidului oxalic din anul 1950 este egala cu activitatea
masurata a standardului absolut de radiocarbon care este lemnul din 1890. Lemnul din 1890 a fost
ales ca standard de C­14 pentru ca a crescut inaintea efectelor combustibililor fosili din perioada
revolutiei industriale. Activitatea lemnului din 1890 este corectata pentru dezintegrarea
radioactiva corespunzatoare anului 1950. Astfel anul 1950 este anul 0 BP prin conventia datarii
cu C­14 si este desemnata a fi “prezentul”. Anul 1950 a fost ales fara un motiv anume decat acela
de a onora publicarea primelor datari cu radiocarbon calculate in Decembrie 1949.
Acidul Oxalic standard a fost facut din recolta de sfecla de zahar a anului 1955. S­au realizat
1000 lbs (aprox.453.6 kg). Raportul izotopic al HOx I este de ­19.3 ‰ fata de PDB standard
belemnite. Standardul de acid oxalic pregatit nu mai este comercial, el epuizandu­se intr­o
perioada destul de scurta de timp. Un alt standard Acid Oxalic II a fost preparat (HOx 2: NIST
referinta SRM 4990C) din melasa sfeclei de zahar, recolta anului 1977. La inceputul anilor 1980
un numar de 12 laboratoare au masurat raportul celor doua standarde. Raportul activitatii
Acidului Oxalic II fata de I este de 1.2933+/­0.001 (media ponderata). Raportul izotopic pentru
HOx II este 17.8 per mille. Exista de asemenea si standarde secundare de radiocarbon, cel mai des
intalnit este sucroza ANU (Australian National University). Raportul activitatii sucrozei cu 0.95
Ox a fost prima data masurata de Polach si determinata la valoarea de 1.5007+/­0.0052. Mai
tarziu intercalibrarile intre mai multe laboratoare a stabilit raportul de 1.5081. Conform practicii
din laboratoarele de datare toate rezultate raportate trebuie estimate fie fata de acidul oxalic NBS,
fie fata de un sub­standard trasabil la acesta.
Este vital pentru orice laborator de radiocarbon sa estimeze contributia mediului inconjurator la
activitatea masurata in proba. Evident aceasta activitate este aditionala si trebuie indepartata din
calcule. In scopul de a evalua impulsurile background­ului si de a stabili limita de detectie,
materiale pentru care specialistii in radiocarbon considera ca nu exista radioactivitate a C­14 se
masoara in conditii identice ca si proba. Probele de background de obicei constau in probe
geologice cu varste infinite de formare cum ar fi carbunele, lignitul, antracitul, marmura sau lemn
fosil de mlastina. Prin masurarea activitatii probei de background, radoactivitatea normala
prezenta in timpul masurarii unei probe de varsta necunoscuta poate fi numarata si scazuta.
Mai devreme s­a precizat ca limita acestei tehnici este de 55­66 000 de ani. De asemenea se
evidentiaza clar ca limita metodei difera intre laboratoare prin cat de mult se poate reduce
background­ul masurat. In ceea ce priveste laboratoarele cu AMS s­a stabilit posibilitatea
teoretica a limitei de detectie la 75000 de ani, dar in realitate se pare ca aceasta limita este greu de
atins din cauza problemelor in precizia discriminarii intre ionii ce mimeaza masa si sarcina
caracteristica a atomului de C­14.
Masurarea varstei utilizand radiocarbonul, denumita Conventional Radiocarbon Age (CRA) este
obtinuta utilizand un set de parametrii subliniati prima data de Stuiver si Polack, 1977. Un nivel
independent in timp a activitatii C­14 pentru trecut este echivalent cu masurarea CRA. Activitatea
acestui nivel ipotetic de C­14 este egala cu activitatea standardului international absolut de
radiocarbon. Conventional Radiocarbon Age BP este calculata utilizand ecuatia de dezintegrare
bine cunoscuta :
t = ­8033 ln(Asn/Aon)
unde ­8033 reprezinta timpul de viata al C­14;
Aon este activitatea (CPM) pentru standardul modern;
Asn este activitatea (CPM) pentru proba.
Pentru acest calcul trebuie sa se tina cont de conventiile urmatoare:
timpul de injumatatire este de 5568 ani;
55

se utilizeaza Acidul Oxalic I, II sau standarde secundare (sucroza ANU) ca standard modern
de radiocarbon;
corectia pentru fractionarea izotopica la o valoare normalizata sau valoarea de baza de ­25
‰ relativ la raportul C12/C13 in standardul de carbonat VPDB;
se utilizeaza 1950 AD ca anul 0BP, adica toate varstele de radiocarbon merg inapoi in timp
incepand cu anul 1950;
se accepta presupunerea ca toate rezervoarele de carbon au ramas constante in timp.
Trei termeni sunt dati uneori impreuna cu datele raportate de radiocarbon: d 14 C, D 14 C si 13 C.
Toate sunt exprimate mai degraba in ‰ decat in procente.
d 14 C reprezinta saracirea in C­14 a probei inainte de corectia fractionarii izotopice si este
masurata de:
d 14 C = ((Asn/Aon)­1)1000 ‰
D 14 C reprezinta valoarea normalizata a d 14 C. Normalizat inseamna ca activitatea este corectata cu
fractionarea probei sau cu valoarea sa 13 C. Toate valorile D 14 C sunt normalizate la valoarea de
referinta ­25.0 ‰ fata de standardul de carbonat (VPDB). D 14 C se calculeaza folosind formula:
D 14 C = d 14 C – 2( 13 C+25)(1+d 14 C/1000) ‰
Aceasta valoare poate fi folosita pentru calcularea CRA folosind ecuatia data mai jos:
varsta C­14 = ­8033 ln(1+D 14 C/1000)
Corespondenta intre pMC si D 14 C este data in figura urmatoare:
Fig. 36. Curba de dezintegrare pentru radiocarbon aratand activitatea pentru 1t/2. pMC si D 14 C sunt reprezentate in
functie de varsta C­14 in ani BP
Daca varsta calculata conventional corectata este in ultimii 200 de ani, este prin conventie varsta
“Moderna”. Daca varsta unei probe se determina a fi dupa 1950, va fi denumita mai mare decat
56

varsta moderna, sau >Modern. Procentele de Carbon Modern absolute (pMC sau %M) se
calculeaza folosind:
%M = 100xAsn/Abs = Asn/Aon(1/8267(y­1950))x100 %
Unde:
Aabs este activitatea absoluta a standardului international;
1/8267 este timpul de viata bazat pe T1/2 nou (5730 ani);
y este anul de masurare al standardului.
In aceste conditii este o expresie a raportului activitatii moderne nete fata de activitatea reziduala
normalizata a probei, exprimata ca procent si reprezinta proportia de atomi de C­14 din proba
comparata cu cea prezenta in anul 1950 AD. Deci, pMC poate fi un parametru util in descrierea
masurarilor de radiocarbon pentru ultimii 50 de ani, cand datorita influxului de radiocarbon
artificial in atmosfera datorita testelor nucleare, calculul “Varstei” devine calcul al “Viitorului”
(anul 0 este anul 1950).
Daca proba prezinta D 14 C = ­1000 ‰ pentru 2 deviatii standard, se considera ca este
asemanatoare cu background­ul, adica nu poate fi separata de activitatea laboratorului rezultata
din mediul inconjurator pentru un nivel de incredere acceptabil. Acest lucru se intampla de obicei
pentru probe cu o varsta >55000 ani sau >50000 ani.
Probelor, a caror varsta este intre modern si background, pot sa li se determine varste finite.
Erorile standard stabilite pentru fiecare masurare de C­14 sunt de obicei prin conventie rotunjite.
Nu toate laboratoarele respecta aceasta regula, dar cele care o accepta aplica urmatorul tabel:
Practici in raportarea varstei determinata cu C­14
Varsta (ani) Rotunjiri pentru varsta de
radiocarbon
Abateri (+/­ valoare)
0­1000 10 5
1000­10000 10 10
10000­25000 50 10
>25000 100 50
Analiza statistica este necesara in datarea cu radiocarbon pentru ca orice dezintegrare radioactiva
desi constanta, este un proces intamplator. Nu este posibil sa se masoare toata radioactivitatea
unei probe, de aici si estimarile statistice necesare pentru datele masurate. Distributia
dezintegrarilor radioactive ale C­14 in timp vor prezenta o anumita forma. Aceasta forma este
“curba distributiilor normale”. O distributie normala sau o gausiana descrie un clopot simetric
asezat de o parte si de alta a mediei datelor inregistrate. Pentru o distributie normala doua date din
trei, sau 68% din ele vor fi in zona unei deviatii standard fata de medie. La doua deviatii standard
se vor intalni 95% din valorile observate, iar pentru trei deviatii standard se vor intalni 99% din
valorile masurate pentru o distributie normala. Fiecare data a radiocarbonului este transformata ca
varsta a radiocarbonului cu o “abatere standard”. Aceasta este valorea +/­ si prin conventie este
+/­σ. Abaterea standard este bazata in principal pe statistica masurarii.
Multe laboratoare astazi calculeaza un factor de multiplicare a erorilor pentru variatia de rutina in
reproductibilitatea datarii cu radiocarbon. Stuiver de exemplu a raportat ca erorile standard
estimate de laboratorul Universitatii din Washington se bazeaza pe un factor de multiplicare.
Conform lui Stuiver si Pearson, eroarea multiplicata (sau K) este o masura a reproductibilitatii
57

laboratorului, incorporand erorile rezultate din prepararea gazului, transformarea sa, efectele de
memorie si statistica masurarii. K este definit ca fiind valoarea estimata a erorii masurarii repetate
a unui standard cunoscut sau a unui material cu o varsta acceptata consensual.
Este important in acelasi timp sa se faca diferentierea intre precizie si acuratete pentru datarea cu
radiocarbon. Acuratetea se refera la o data ca fiind cea mai “adevarata” estimare a unei varste a
probei analizate in domeniul limitelor statistice sau al valorii de +/­ ale datei. De exmplu daca se
dateaza o proba a carei varsta este atestata documentar in 1066, iar datele masurate permit un
calcul de 1040+/­40 AD se considera a aceasta proba a fost estimata cu acuratete. Daca insa data
calculata pentru acesta proba este de 1000+/­15 AD, proba a fost estimata cu o precizie mai buna
dar cu o acuratete mai proasta.
7.3 Tehnici de analiza a radiocarbonului. Willard Frank Libby castiga Premiul Nobel in 1960
pentru dezvoltarea metodei de utilizare a radiocarbonului ca unealta arheologica de datare.
Timpul sau lung de injumatatire de 5730 de ani il face foarte important pentru cronologia
Cuaternarului tarziu, iar acum este intens folosit in hidrologie la datarea apei subterane. Productia
naturala in straturile superioare ale atmosferei este echilibrata de dezintegrare si depozitare
mentinandu­se in acest fel o stare stationara a activitatii C­14 atmosferic in jurul valorii de 0.226
Bq (13.56 DPM) per gram de carbon, sau un atom de C­14 la 10 12 atomi de carbon stabili.
Oricum fluxurile mari de neutroni impreuna cu exploziile nucleare pentru testari au produs mari
cantitati de radiocarbon, astfel incat in perioada anilor ’60 concentratia atmosferica aproape s­a
dublat in atmosfera nordica. Acest radiocarbon, in prezent, in mare parte a fost « spalat », dar el
mai poate fi intalnit in plante si in ocean.
Spre deosebire de tritiu, activitatile radiocarbonului, au ca referinta un standard international
cunoscut ca “modern carbon” (mc). Activitatea “carbonului modern” este definita ca 95% din
activitatea 14 C in 1950 a acidului oxalic standard NBS. Aceasta este foarte apropiata de activitatea
lemnului ce crestea in 1890 intr­un mediu fara aport de CO2 si este egala cu 226 Bq/kg de carbon.
Astfel activitatea masurata a 14 C este exprimata ca procente de carbon modern (pmC). Ca si
izotopii stabili, radiocarbonul fractioneaza in timpul reactiilor si transformarilor de faza organice
si anorganice. Pentru a mentine universalitatea raportarilor de datare, activitatea 14 C trebuie
normata la valoarea comuna a δ 13 C de ­25‰. Acidul oxalic are o valoare a δ 13 C de ­19.3‰,
conform raportarilor din literatura de specialitate. Datorita fractionarii 14 C acesta este putin mai
mare decat de doua ori 13 C, iar cantitatea imbogatita conduce la: 2.3(δ 13 Cproba+25) ‰. Aceasta
corectie poate sa nu fie semnificativa pentru probele organice, dar afecteaza in mare masura alte
tipuri de materiale.
Radiocarbonul a fost prima data masurat prin detectorii proportionali cu gaz ce contineau proba
ca CO2 gaz intr­un cilindru catod. Dezintegrarile sunt masurate prin pierderile de potential cand
particulele beta lovesc in inelul anodului. Radiatia background­ului este si ea inregistrata de
cilindrii de numarare asezati in mantaua inconjuratoare. Astfel, pulsurile inregistrate simultan
sunt considerate externe probei si sunt scazute pentru a marii precizia masurarii. Masurarea prin
detectorii proportionali este folosita si pentru alti radioizotopi gazosi cum ar fi 39 Ar sau 85 Kr.
In marea majoritate a laboratoarelor de datare utilizand metoda radiocarbonului, detectorii
proportionali au fost inlocuiti de mult mai putin costisitoarea metoda prin scintilatie lichida, cu
convertirea probei la benzen (C6H6). Materialul organic sau anorganic este convertit la CO2, care
reactioneaza sub vid cu litiul metalic pentru a produce carbura de litiu (Li2C2). Aceasta
reactioneaza cu apa pentru a forma acetilena (C2H2) care apoi este convertita la benzen prin
reactia pe catalizator incalzit de vanadiu sau crom. Benzenul este apoi amestecat cu compusii de
58

scintilatie si masurat impreuna cu un standard si un background pentru mai multe ore intr­un
spectrometru cu scintilatie lichida. Activitatea background­ului ce impune limita de detectie este
in jur de +0.5 pmC. Pentru amandoua metodele de analiza este necesara o cantitate intre 1 si 3 g
de carbon, depinzand de varsta. Dilutia cu bioxid de carbon fara 14 C, permite probelor cu cantitati
mai mici de 1g de carbon sa poata fi analizate (cu pierderea proportionala din precizie). Pentru
apele subterane, aceasta implica extragerea DIC din pana la 25L de apa, prin cresterea pH peste
11 cu NaOH si adaugand BaCl2.2H2O pentru a precipita BaCO3 (si oricum sulfatii sunt prezenti).
Folosirea compusilor cu putere de absorbtie mare a CO2, impreuna cu cocktail­uri de scintilatie
diferite, a fost una din perfectionarile aduse tehnicii de masurare prin scintilatie lichida. Avantajul
micsorarii timpului de pregatire a probei, prin evitarea pasilor de obtinere a benzenului, este
umbrit de marirea incertitudinii de masurare,de pana la 3­5 pmC, dar este rezonabila in momentul
in care se ia in calcul pentru anumite ape subterane si corectia pentru reactiile geochimice ce au
loc in matricea solului.
Masurarea prin scintilatie lichida este acum concurenta cu o noua metoda de masurare,
spectrometria de masa a particulelor accelerate (AMS), pentru care marimea probei scade foarte
mult si datorita preciziei ridicate poate atinge determinari de varste mult mai mari. Grupul de
izotopi care acum sunt obisnuit masurati cu aceasta metoda este 10 Be, 14 C, 26 Al, 36 Cl, 41 Ca, si 129 I.
Mai putin de 1 mg de carbon (sau sub 2cc de CO2) poate fi analizat pentru probe mai tinere de
cateva mii de ani, precizia sub 0.5%, iar pentru probe cu activitatea de pana la 40 000 de ani BP,
precizia este sub 5%.Date rezonabile de pana la 60 000 de ani au fost masurate pe probe solide.
Ape subterane de pana la 1L au putut fi de asemenea masurate prin aceasta tehnica, ceea ce
simplifica foarte mult procedura de recoltare. Singurul lucru prohibitiv la aceasta analiza este
pretul investitiei initiale si costul unei analize.
Exista doua metode de preparare a probei: una este aceea prin care acetilena este transformata in
grafit, si a doua in care CO2 este convertit direct in grafit in prezenta hidrogenului. Tinta de grafit
este apoi montata in sursa acceleratorului, unde un fascicul de cesiu este apoi focalizat prin
camera de accelerare cu tensiune inalta (intre 2 si 10 MV) ca sa se obtina atomii de carbon
incarcati negativ. Energia inalta a ionilor permite apoi separarea din fasciculul total obtinut.
Aceasta separare permite masurarea 14 C ca ion individual prin compararea cu fasciculul de 12 C.
In cadrul laboratorului de radioizotopi al ICSI Rm. Valcea se utilizeaza metoda absorbtie directe
pentru analiza C14 din apa subterana si probe ce contin carbon anorganic.
Datarea carbonului utilizand metoda “absorbtiei directe” urmareste principii asemanatoare cu cele
ale metodei ce utilizeaza metoda sintezei benzenului. O cantitate cunoscuta de carbon dintr­o
proba standard sau un material de background este numarata ca un lichid intr­un spectrometru cu
scintilatie lichida. Activitatea beta a probei corespunzand dezintegrarilor C14 este masurata (ca
cuanta de lumina) si este comparata cu cea a background­ului si a standardului modern. Pentru
datarea apei subterane, concentratiile de C14 sunt deobicei raportate ca procente de carbon
modern (%MC) cu 96%MC aproximativ egal cu activitatea CO2 in atmosfera anului 1950.
Singura diferenta intre cele doua metode este modul in care carbonul din proba, standard sI
background este convertit in forma lichida inainte de a fi masurat in spectrometrul cu scintilatie
lichida. Amandoua metodele convertesc materialul natural in CO2. Metoda sintezei benzenului
converteste CO2 in benzen (C6H6) cu cativa pasi intermediari (producerea LiC si a C2H2). In
metoda absorbtiei directe, bioxidul de carbon este barbotat printr­un lichid continand o amina
tertiara (original Carbosorb, produs de Packard Instrument Co.) formand un lichid cunoscut sub
59

numele de carbamat. Acesta deobicei este amestecat cu un cocktail de scintilatie (original
Permafluor, produs de Packard Instrument Co.). Amestecul de Carbosorb sI Permafluor va fi
definit mai jos ca solutie C/P. Carbosorb si Permafluor nu mai sunt produse de Packard.
Substante alternative ce se pot utiliza sunt prezentate in anexa 1.
Pentru metoda de absorbtie directa, este important sa se cunoasca carbonul continut in probe,
standarde sI background­uri. Diferite laboratoare au diferite moduri de estimare a continutului de
carbon present in probe. Unele laboratoare masoara cantitatea de carbon in solutia C/P dupa
barbotare, o practica ce este deseori dificila si poate introduce erori mari in determinarea totala a
C14. Altii masoara volumul si presiunea CO2 inainte de barbotare si utilizeaza volumul standard
al solutiei de C/P. L a CSIRO s­a ales varianta in care exista luate masuri de siguranta prin care
solutia de C/P este intotdeauna saturata pentru standard, proba si bkg. Pentru a face aceasta se
recircula gazul prin solutie timp de cateva minute. La inceput , conversia CO2 in carbamat este
rapida, dar dupa un minut sau doua, aceasta se incetineste pe masura ce saturarea se apropie. Prin
circularea pentru cateva minute saturarea solutiei de C/P este asigurata.
Procedura poate fi descrisa in detaliu, dar pasii majori sunt urmatorii:
Prepararea solutiei de C/P. Este preparata destula solutie de C/P incat sa ajunga pentru 3­6
luni de analize. Pentru a opri contaminarea cu gazul CO2 atmosferic datorita deschiderii
repetate a unui container de volum mare, C/P este stocat in flacoane de volum mic, necesar
pentru o singura analiza. Fiecare flacon contine o cantitate suficienta pentru o singura
barbotare de proba, standard sau background.
Concentrarea BaCO3 in precipitat al probei de apa. Cand se analizeaza carbonul anorganic
dizolvat (Dissolved Inorganic Carbon, DIC) in apa subterana pentru carbonul 14, acesta este
precipitat ca suspensie a BaCO3 prin adaugarea in proba de apa a BaCl2 si a NaOH. In acest
fel DIC prezent in 20­100L de apa subterana poate fi redusa in volum la mai putin de 1L.
Acidificarea suspensiei de BaCO3 sau a CaCO3 din standard si background. Materialul
carbonat este acidificat in timp ce sub vid se colecteaza CO2 gaz si se purifica utilizand
tehnica criogenica. CO2 este apoi transferat in cilindrii de stocare.
Stocarea CO2 pentru a permite dezintegrarea 222 Rn. Bioxidul de Carbon este stocat in
cilindrii pentru trei saptamani sau chiar mai mult pentru a permite dezintegrarea 222 Rn (timp
de injumatatire 3.8 zile) prezent in CO2 sa se dezintegreze. Daca nu se respecta acest pas,
dezintegrarea radioactiva a radonului poate creste valoarea ratei de numarare a dezintegrarii
C14 rezultand valori ridicate eronate.
Barbotarea CO2 prin solitia de C/P. Bioxidul de carbon produs din probe, standarde, sI
background este circulat prin solutia de C/P. Toate probele, standardele sI background­urile
se presupune ca au aceeasI concentratie de carbon in ele. Compararea cu alte laboratoare
sugereaza ca aceasta presupunere este adevarata.
Masurarea cu spectrometrul cu scintilatie lichida. Fiecare serie de masurari contine solutii
saturate de C/P de la un standard modern, background si mai multe probe. Fiecare serie de
masurari porneste la o zi sau maxim doua de la terminarea barbotarii CO2. Numarul de
cicluri se poate varia astfel incat fiecare serie de masurari sa contina aceiasi perioada de
numarare.
Tehnica de analiza a radiocarbonului utilizata in cadrul laboratorului are un mare avantaj, acela de
a prelucra mai putin proba, deci timpul necesar analizei sa fie mult mai mic decat pentru celelalte
metode. Exista si limitari ale metodei, acestea fiind impuse in primul rand de cantitatea necesara
de carbon pentru saturarea cocktail­ului de scintilatie (intre 0.5 si 1 g C), deci implicit o cantitate
mare de proba, in functie de continutul sau de carbon si nu trebuie uitata si incertitudinea metodei
estimata la +/­ 2 pMC. Linia de barbotare a bioxidului de carbon de altfel nu poate lucra decat de
60

la o cantitate de minim 2.6 g de bioxid de carbon, iar pentru aceasta cantitate trebuie aplicata o
tehnica criogenica de barbotare.
7.4 Metode de prelevare si de prelucrare a probelor pentru analiza de determinare a varstei
utilizand C­14. Unul din fenomenele de care trebuie sa se tina cont in prelevarea si prelucrarea
probelor este fractionarea izotopica. Aceasta apare pe parcursul transferului geochimic din natura
si produce variatii in distributia la echilibru a izotopilor de carbon. Craig, unul din parintii
cercertarii izotopice a identificat pentru prima data in 1953 faptul ca anumite procese
biochimicealtereaza echilibrul dintre izotopii carbonului. Unele procese, precum fotosinteza de
exemplu, favorizeaza un izotop fata de altul, astfel incat izotopul C­13 este mai saracit cu 1.8% in
comparatie cu raportul sau natural din atmosfera. Fenomenul invers se intampla pentru carbonul
anorganic dizolvat in ocean care are un raport izotopic imbogatit cu 0.7% pentru C­13 fata de
bioxidul de carbon din atmosfera.
In cercetarea izotopica se considera ca raportul izotopic 14 C/ 12 C, necesar oricarei datari si pe care
cautam sa­l masuram cu acuratete cat mai ridicata, este aproximatv de doua ori raportul izotopic
13 C/ 12 C. Daca are loc o fractionare izotopica pe parcursul proceselor pertecute in natura, se
impune clar o corectie obligatorie prin masurarea raportului izotopic de C­13 in proba ce urmeaza
a fi datata. Se poate determina prin masurare pe un spectrometru de masa si se exprima ca δ 13 C,
sau mai simplu 13 δ. Aceasta marime reprezinta deferenta de parti pe mie dintre continutul de C­
13 al probei si continutul de C­13 al carbonatului standard PDB. Standardul PDB a fost obtinut
din belemita cretacica din Peedee Carolina de Sud (PDB), stocul existent fiind consumat, iar
acum Agentia de la Viena este aceea ce furnizeaza standardele necesare acestei masurari,
denumirea standardului schimbandu­se in VPDB.
In concluzie, fractionarea izotopica se refera la fluctuatiile raportului izotopic al carbonului
rezultate in urma proceselor biochimice naturale, in functie de masele lor atomice. Aceste variatii
nu sunt legate de timp si de dezintegrarea radioactiva naturala a carbonului. Este o practica
obisnuita in toate laboratoarele sa se corectezedezintegrarea radioactiva cu fractionarea izotopica.
Varsta astfel determinata este denumita “normalizata”, insemnand ca activitatea masurata este
modificata conform ­25 per mille fata de VPDB. Rapoartele izotopice ale celor mai cunoscute
categorii de probe ce pot fi intalnite in natura sunt cele prezentate mai jos.
Fractionari izotopice
Material δ 13 C (per/mille)
HCO3 ­ marin ­1 +/­ 2
CO 2­ 3 marin 0 +/­ 2
PDB standard 0
CO2 din sol ­5 +/­ 3
CO2 din atmosfera ­9 +/­ 2
Seminte, grau, mei ­10 +/­ 2
ANU(Australian National University) sucroza standard ­11+/­ 0.5
Plante de apa dulce(submerse) ­16 +/­ 4
Iarba din zone aride, rogoz ­13 +/­ 3
Paie, in ­14 +/­ 3
Organisme marine (carbon organic) ­15 +/­ 3
Plante suculente (cactusi, ananas, etc) ­17 +/­ 2
61

Acidul Oxalic 2 (OxII standard) ­17 +/­ 2
Colagen din oase (dieta C3), celuloza din lemn ­20 +/­ 2
Plante C3, grafit, huila ­23 +/­ 3
Lemn fosil, carbune ­24 +/­ 3
Lemn recent, carbune recent ­25 +/­ 3
Frunze de copaci, fan, faina ­27 +/­ 2
Turba, humus ­27 +/­ 3
Atunci cand a inceput dezvoltarea metodei de datare cu C­14, Libby si echipa sa au trebuit sa
presupuna ca raportul izotopilor de carbon din proba nu au fost afectati decat de dezintegrarea
radioactiva a radiocarbonului, iar materialul probei reproduce cu mare acuratete data ce urmeaza
a fi determinata. Probele materiale depozitate in siturile arheologice sau geologice rareori raman
in conditiile initiale, cel mai adesea fiind degradate atat fizic cat si chimic. Inca de la inceput
Libby a sesizat ca in proba carbonul rezidual al unor probe ar putea fi afectat si a sugerat ca unele
tipuri de probe se vor putea data cu mai multa acuratete. Printre cele estimate ca vor putea fi
datate mai bine a fost stabilit carbunele, iar printre cele mai greu de datat scoicile. Inca din 1950
un mare numar de cercetatori s­au concentrat in investigarea si reducerea efectelor contaminarii
post­depunere a probelor. Acest domeniu de investigare este cunoscut ca pretratatre a probei si
priveste indepartarea contaminantilor post­depunere si izolarea partii din proba continand carbon
ce este reprezentativ pentru datare.
Punctul cheie in pretratarea probelor este acela ca nci o metoda, sau metode nu pot fi aplicate
universal la toate tipurile de materiale din siturile arheologice si geologice. Aceasta procedura
este conceputa sa indeparteze substantele contaminante ce au afectat proba pe toata istoria sa
post­depunere. Daca s­ar putea aplica uniform chiar la acelasi tip de proba, dar din locatii diferite,
nu s­ar tine cont de istoria diferita a fiecarei locatii. Fiecare proba supusa datarii are propia sa
istorie. Complexitatea mediului si conditiilor post­depunere se reflecta in marea varietate de
diferite tipuri de probe ale materialului supus datarii. Totusi, anumite proceduri de laborator
aplicate unor anumite tipuri de probe si mediu, se pot generaliza in practica necesara datarii.
Fiecare din probele supuse datarii trebuiesc examinate atent in laborator. Un numar de factori
trebuiesc luati in considerare, iar unul din cei mai importanti este mediul in care proba a fost
depozitata. Ipoteza contaminarii fiecarei probe este ipoteza de lucru in laborator, si estimarea
gradului de contaminare depinde foarte mult de informatiile furnizate de beneficiarul rezultatelor,
sau de colector. Pentru orice proba se transmit informatii detaliate despre tipul de mediu din care
s­a extras proba, comentarii despre intruzia radacinoaselor si a contaminantilor. Sunt foarte
indicate informatiile cu descrieri geologice si arheologice ale contextului ce trebuie datat. Trebuie
desenata chiar o diagrama stratigrafica pentru a furniza o intelegere completa a locatiei si a
originii materialului probei, aceasta fiind utila si laboratorului mai ales in stabilirea procedurii de
pretratatre.
Cantitatea de proba este de asemenea importanta, in conditiile laboratorului nostru fiind necesar
un minim de 2.6 g de CO2, dar performantele optime ale metodei sunt obtinute intre 4 si 6 g de
CO2. Nu trebuie uitata nici procedura de pretaratare, care prin natura sa distructiva, va consuma o
mare parte din material. Datarea oaselor de exemplu cere o cantitate mare de oase, deoarece
colagenul extras reprezinta o mica parte din proba, iar degradare sa este foarte rapida. O practica
obisnuita este pastrarea in cadrul laboratorului a unei cantitati de proba, ca proba de referinta.
Contaminarea poate fi artificiala sau naturala. Cea artificiala nu se poate petrece decat datorita
erorilor umane efectuate fie in colectarea probei, fie in procesarea probei. Contaminarea naturala
a probei se produce in mediul post­depunere. Se considera probe contaminate probele care dau o
62

varsta a continutului de C­14 fie prea batrana, frie prea tanara. Probe ca lemnul, carbunele, solul,
oasele, sunt in special expuse contaminarii naturale, ele trebuind sa fie examinate inainte si dupa
prelevare mai ales pentru prezenta radacinilor de plante. Contaminarea se poate produde de
asemenea si datorita acizilor humici circuland prin sol. Acestia pot schimba carbon si pot adera la
probele cu suprafata mare, facand orice rezultat de radiocarbon prea tanar. Acest schimb la
suprafata se numeste “adsorption” si se petrece in special in turba, carbune si sedimente.
Anumite probe, cum ar fi scoicile, pot prezenta fenomene de schimb izotopic sau recristalizari
evidente. Schimbul izotopic se petrece cand scoicile schimba carbon cu acizii din sol. Acestia
altereaza raportul izotopic si afecteaza determinarea varstei reale. Uzual schimbul se petrece cu
exteriorul suprafetei cochiliei de scoica in mediu terestru si este un fenomen comun pentru
probele aflate sub panza de apa freatica. Recristalizarea se refera la modificarea aragonitului in
calcit, adesea implicand un schimb cu calcitul modern si o alterare a raportului izotopic. In
general, cu cat sunt mai vechi probele cu atat contaminarea are un efect mai mare, chiar daca
procentul contaminantului este mic.
In concluzie contaminarea se poate petrece fie cu carbon modern, fie cu carbon vechi, ceea ce
impune doua probleme majore. In principal identificarea precisa a naturii si marimea
contaminarii, iar in al doilea rand amplitudinea si directia in care se face schimbarea raportului
izotopic. O alta problema majora apare pentru probele a caror contaminare se face in proportii
mici. Date care sunt fie prea batrane, fie prea tinere sunt usor de identificat si de investigat, spre
deosebire de cele care contin erori nesemnificative. Pericolul este ca ele sa fie considerate de
incredere deoarece sunt in apropierea varstei asteptate.
Procedurile de pretratare si tratare a probei urmaresc evaluarea gradului de contaminare,
extragerea portiunii reprezentative din proba pentru datarea cu radiocarbon si aplicarea unui
model de corectie adecvat pentru determinarea varstei. Procedura cea mai comuna este sa se
analizeze si sa se dateze diferitele fractii ce au fost indepartate din proba. Acestea pot arata
marimea erorii in datare. Daca datele din proba si cele din contaminant sunt apropiate,
incertitudinea asociata va fi nesemnificativa, daca vor fi insa diferente majore, aceasta
incertitudine va creste. Daca diferite fractii ale probei dau rezultate identice statistic se poate
concluziona ca proba nu a fost contaminata.
O metoda mult mai complexa, intalnita in practica altor laboratoare, este analiza propietatilor
chimice ale diferitelor fractii indepartate succesiv din proba. Aceasta permite identificarea
tipurilor de contaminanti prezenti si concentratia lor, in acest mod stabilindu­se tratamentul
adecvat probei analizate. Aceasta metoda cantativa urmareste contaminatii specifici si ii masoara
ca procent fata de proba. Este o metoda costisitoare si este destinata in principal unui numar mic
de probe. O a treia metoda este “verificarea incrucisata”. Datele originale sunt verificate prin
datarea altor materiale contemporane. Similar, data poate fi evaluata utilizand trasori culturali sau
stratigrafici ca puncte de referinta cronologica. De exemplu in arheologie Miceniana sau
Minoiana trasorii cronologici acceptati sunt forma vaselor , care variaza atat stilistic cat si in timp
pe toata perioada epocii bronzului, furnizand referinte foarte utile.
Pentru sol, prezenta radacinilor in locatia de recoltare certifica infiltrarea acizilor humici, iar o
textura umeda si mocirloasa a depozitului confirma contaminarea. Acesti acizi sunt mobili, provin
din substantele de degradare a plantelor, infiltrate in profilul sitului, fiind absorbite de substante
ce afecteaza determinarea varstei corecte. Metoda uzuala pentru indepartarea acidului humic este
spalarea probei cu solutii baza, cel mai adesea fiind folosit NaOH.
63

Pentru probele precum carbune, oase, scoici, se aplica intotdeauna inaintea tratamentului chimic
si un tratament pizic pentru indepartarea si datarea stratului exterior.
Pe langa limitarea de varsta de maximum 50 000 de ani (pentru scintilatia lichida) si 70 000 de
ani (pentru AMS) metoda radiocarbonului este afectata si de capabilitatea estimarii gradului de
contaminare post­depunere a probei, acest fapt impunand clar corectiile de fractionare izotopica si
comparare cu trasori cronologici acceptati ai locatiei de recoltare.
Concluzii de etapa
S­a investigat succint comportamentul radiocarbonului in mediu, trecandu­se in revista
rezervoarele si fenomenele majore ce il afecteaza: atmosfera, biosfera terestra, hidrosfera,
litosfera, efectul Suess, testarea armelor nucleare si producerea sa antropogenica.
S­au trecut in revista principiile datarii utilizand metoda radiocarbonului.
S­au stabilit timpii de injumatatire ai C­14 utilizati in determinarea varstei.
S­au stabilit parametrii ce insotesc datele de radiocarbon si s­au evidentiat standardele
alese prin conventie internationala. Principalul standard pentru radiocarbonul modern este
Acidul Oxalic I (C2H2O4) produs de National Institute of Standards and Technology USA
(NIST). Este materialul de referinta SRM 4990B si este denumit HOxI. Acesta este
Standardul international pentru datarea cu radiocarbon. Nouazeci si cinci la suta din
activitatea acidului oxalic din anul 1950 este egala cu activitatea masurata a standardului
absolut de radiocarbon care este lemnul din 1890. Lemnul din 1890 a fost ales ca standard
de C­14 pentru ca a crescut inaintea efectelor combustibililor fosili din perioada revolutiei
industriale.
S­au evidentiat parametrii obligatorii ce trebuiesc evaluati in vederea estimarii varstei
conventionale a radiocarbonului (Conventional Radiocarbon Age, CRA).
S­au descris tehnicile de analiza a radiocarbonului cele mai ades folosite in practica de
laborator, scintilatia lichida si spectrometria de masa cu particule accelerate (Accelerate
Mass Spectrometry, AMS).
S­au evidentiat posibilitatile de contaminare a probelor si metode de evaluare a gradului
de contaminare.
In functie de caile de contaminare s­au descris mai multe metode de pretaratare si tratare a
probelor in vederea determinarii varstei corecte a probelor examinate.
Pe langa limitarea de varsta de maximum 50 000 de ani (pentru scintilatia lichida) si 70
000 de ani (pentru AMS) metoda radiocarbonului este afectata si de capabilitatea estimarii
gradului de contaminare a probei post­depunere, acest fapt impunand clar corectiile de
fractionare izotopica si comparare cu trasori cronologici acceptati ai locatiei de recoltare.
8. FUNDAMENTAREA METODEI DE DATARE A SEDIMENTELOR PRIN METODA
TERMOLUMINESCENTA
Drd. Gy. Ruzsa – SC RADAL
Intre limita superiora a datarii cu radiocarbon (de cca. 50 ka) si limita inferioara a datarii cu
izotopul radioactiv al potasiului exista pana acum un deceniu un interval cronologic de cca.
500.000 de ani, care pana de curand nu putea fi datat. Dezvoltarea in ultimii ani a noi metode de
datare a permis conectarea celor doua periode, evaluarea si confirmarea evenimentelor stipulate
din acest interval de timp. Dintre aceste noi metode fizice de datare, se evidentieaza trei care se
bazeaza pe detectarea si cuntaficarea alterarilor produse de radiatia acumulata, pentru stabilirea
varstei atat a mineralor cat si a resturilor organice. Aceste metode, numite fiecare dupa fenomenul
64

fizic care face detectia posibila, sunt termoluminiscenta (TL), luminiscenta simulata optic (LSO)
si rezonanta electronica de spin (RES).
Termoluminiscenta apartine familiei de procese colective cunoscute sub termenul generic de
fenomene stimulate termic. Aceste fenomene pot fi descrise prin doua stadii fundamentale:
faza 1: perturbarea sistemului din starea de echilibru intr­o stare metastabila;
faza 2: relaxarea sistemului stimulat termic inapoi in starea de echilibru.
Faza 1 necesita absorbtia de energie de catre material pentru a­l perturba intr­o stare de
dezechilibru. In cazul TL, sursa externa de energie este radiatia ionizanta sau UV. Obiectivul
central al analizei TL este determinarea cantitatii de energie pe unitatea de masa care este
inmagazinata de materialul termoluminiscent in timpul procesului. Emisia luminoasa (IR sau
UV) este rezultatul relaxarii sarcinilor electrice de pe nivelele excitate si metastabile pe nivelul
fundamental.
Fenomenul de termoluminiscenta are doua caracteristici: pe de o parte faptul ca TL este o functie
de timp, deoarece reprezinta actiunea cumulata a radiatiilor nucleare asupra cristalului, iar pe de
alta parte un punct zero, sau de referinta in masuratori, este cristalizarea ulterior unui tratament
termic dupa ce proba a fost iradiata.
8.1 Aplicarea tehnicii de datare prin termoluminiscenta la sedimente. Termoluminiscenta
este o tehnica geocronometrica aplicabila pentru sedimente, si care acopera un palier de varsta
cuprins intre 1000 si 500.000 de ani.
Termolumiscenta este utilizata in combinatie cu stratigrafierea prin seriile naturale ale U precum
si C­14, fiind asociata de cate ori este posibil, cu procesele biologice, si se poate aplica la
determinarea numerica a varstelor pentru:
Depozite loessoide si siltice;
Dune sau straturi de nisip;
Umpluturi de fisura;
Cenusa si sticla vulcanica;
Materile aluviale si coluviale;
Depozite fluviatile si de lunca, deltaice, lacustre;
Depozite de paleo descarcare – tufa mounds, cu depuneri eoliene;
Adaposturi de piatra, paleo­indian mounds, podeaua pesterilor;
Depozite de balta, mlastinoase sau turbarii.
Observata pentru prima data de Boyle in 1663, TL, respectiv LSO, masoara fotonii emisi atunci
cand sunt eliberati electronii prinsi in capcanele din structura felsparului si a cristalului de cuart
Fig. 37.
65

(fig. 37), putand fi aplicata pe un singur graunte de mineral (quartz, feldspar, si mai nou diamond
si calcite), tehnica TL este practic nedestructiva, metoda oferind posibilitatea stabilirii varstelor
absolute cu o acuratete in jur de 10%.
Techica este utilizata pentru granule de sediment care prezinta defecte si impuritati, si care odata
ce sunt depuse si ingropate, functioneaza ca dosimetere naturale.Dezintegrarile radioactive ale K,
U, Th si Rb in sol, precum si contributiile radiatiei cosmice sunt captate, peste timp, in sedimente.
Cu cat perioada de ingropare/acoperire este mai mare, cu atat doza absorbita, ce este stocata in
sedimente, este mai mare. Experimente de laborator arata ca termoluminiscenta variaza linear cu
doza de iradiere, pana la o valoare a dozei, care daca s­ar atinge in expunere normala, ar dura
500.000 de ani pentru a fi administrata.
Fiecare proba este caracterizata de o rata a dozei naturale (RD) exprimata in Gy/ani, aceasta
determinandu­se prin spectrometrie gamma. Materialul pentru analiza TLD este apoi prelevat in
conditii de lumina controlata. Pentru analiza se utilizeaza fractiunea granulometrica – sil fin (4­11
μm), probele fiind tratate cu diferiti acizi pentru indepartarea carbonatilor si materialului organic.
Proba poate fi apoi expusa la o sursa radioactive, pentru a se obtine o imbatranire arficiala a
acesteia, fiind apoi preincalzita si in final arsa la 5000º C, intr­un cuptor vidat, in atmosfera
inerta, sub un fotomultiplicator. Tubul fotomultiplicator masoara lumina emisa de proba (in Gy),
rezultand doza efectiva (DE). Varsta probei rezultata, este data raportul dintre doza echivalenta si
rata dozei naturale.
In fapt doza este proportionala cu o curba de stralucire ce se obtine in urma incalzirii la peste 350º
C sau expunerii la lumina a cristalului. (Cronometrul varstei geologice este resetat la 0, atunci
cand proba este incalzita sau expusa la lumina, de aceea cum ar fi pt. cazul sedimentelor, ceasul
incepe sa ticaie din momentul in care acestea sunt depuse si acoperite de urmatorul strat). Cu cat
lumina /doza este mai mare, cu atat varsta sedimentului este mai avansata.
Curba de luminiscenta se declanseaza in general prin expunere la lumina solara, de aceea
analizele trebuiesc efectuate in camere intunecate. In cazul TL, emisia de fotoni are loc atunci
cand proba este incalzita. Produsul de baza este un graphic ce reprezinta eliberarea de energie
cumulate versus temperatura, aceasta fiind denumita si curba de stralucire (fig. 38). Interpretarea
acestor curbe se face pe baze cinetice, ce vor fi detaliate mai jos.
Fig. 38
Atunci cand radiatia ionizanta este incidenta /cade pe un crystal, se creaza o populatie de electroni
capti intre banzile banda de cundictie si banda de valenta. Adancimea capcanei, in termini
energetici, determina cantitatea de energie termica (TL) necesara pentru eliberarea electronului,
66

astfel incat acesta sa revina la un nivel energetic in interiorul structurii orbitale regulate/normale a
atomilor din crystal. Odata atinsa aceasta stare, electronii pot emite un foton detectabil. Nu toate
capcanele, se constitue insa in ceea ce se numesc centre de luminiscenta, dar cele create de catre
radiatia naturala sunt suficiente, pentru ca TL sa constitue o metoda de datare din ce in ce mai
populara.
8.2 Cinetica fenomenului de termoluminescenta. Analiza fenomenului de termoluminescenta
in termeni cinetici implica numai ipoteze asupra numarului de nivele implicate, asupra populatiei
acestor nivele si asupra interactiilor dintre nivele, fara a se lua in consideratie structura centrilor
de captura si de recombinare implicati.
In marea majoritate a modelelor folosite, se iau in consideratie doar doua nivele, unul capcana si
unul pe care are loc recombinarea (fig. 39)
Fig. 39. Reprezentarea schematica a nivelelor implicate in fenomenul TL
Pentru a putea construi ecuatiile care descriu cinetica fenomenului TL vom face urmatoarele
ipoteze:
purtatorii liberi sunt electroni
centrii nu interacţioneză intre ei
nu exista o distributie speciala a capcanelor (capcanele sunt distribuite uniform in toata
reteaua)
centrii implicati in procesul de recombinare sunt de un singur tip
recombinarea nu are loc decat pe starile fundamentale ale centrilor creati de defecte.
Vom lua in consideratie urmatoarele rate de tranzitie:
rata de eliberare a electronilor din capcane: sn
rata de recapturare: n c(N­n)
rata de recombinare: n cf
unde:
n reprezinta densitatea numerica de electroni capturati
γ
Banda de conductie
F, f
β
Banda de valenta
s
nc
N, n
67

N reprezinta densitatea numerica de nivele capcana
nc reprezinta densitatea de purtatori liberi din banda de conductie
f reprezinta densitatea de nivele de recombinare
s reprezinta probabilitatea de evadare pentru purtatorii capturati
reprezinta probabilitatea de recapturare
reprezinta probabilitatea de recombinare
In aceste conditii, ecuatiile care descriu procesele cinetice se pot scrie astfel:
Din conditia de neutralitate avem si:
dn
= − sn + β n c ( N − n )
dt
dn c
= sn − β n c ( N − n ) − γ n c f
dt
f = n + nc
(ii.2.1.)
(ii.2.2.)
(ii.2.3)
Intensitatea I a emisiei termoluminescente este data de numarul de tranzitii radiative in unitatea
de timp si volum, deci este proportionala cu rata de recombinare:
I ~ n cf (ii.2.4)
Dependenta probabilitatii de evadare de temperatura este descrisa de ecuatia Boltzmann:
s = s exp( −
0
E
kT
)
(ii.2.5)
unde E reprezinta energia nivelului capacana, T este temperatura iar k este constanta lui
Boltzmann.
Ecuatiile (ii.2.1 ­ ii.2.5) nu permit obtinerea unor functii explicite care sa poată fita curbele de
luminescenta experimentale si sa permita deducerea unor marimi fizice cum ar fi energia
capcanelor sau probabilitatea de evadare. Pentru a se obtine astfel de functii trebuie introduse
ipoteze suplimentare, care sa simplifice rezolvarea sistemului de mai sus.
Doua astfel de ipoteze simplicatoare sunt date de conditia de quasiechilibru. Se presupune ca
timpul mediu de viata al purtatorilor liberi este mult mai scurt decat cel al purtatorilor capturati
(ceea ce este plauzibil in cazul materialelor cu rezistivitate mare). Aceasta inseamna ca densitatea
de purtatori liberi este intotdeauna mult mai mica decat cea de purtatori capturaţi:
n c 〈〈 n
(ii.2.6)
La aceasta se adauga ipoteza ca variatia densitatii purtatorilor liberi este mai mica decat cea a
purtatorilor capturati:
dn c dn
〈〈
dt dt
(ii.2.7)
68

Nici cele doua ipoteze prezentate mai sus nu sunt suficiente pentru a obtine o functie care sa
descrie intensitatea emisiei TL. Ca urmare, in functie de modelul cinetic ales, se adauga ipoteze
care nu mai sunt insa valabile pentru orice tip de fosfor. Acestea se refera la raportul dintre
probabilitatile de recombinare si recapturare.
Exista trei situatii posibile:
1. cazul in care recapturarea este neglijabila ( = 0), caz cunoscut sub numele de cinetica de
ordinul I si in care emisia TL este descrisa de ecuatia Randall ­ Wilkins;
2. cazul in care probabilitatile de recapturare si de recombinare sunt egale ( ) , caz cunoscut
sub numele de cinetica de ordinul II, in care emisia TL este descrisa de ecuatia Garlick ­ Gibson;
3. cazul cel mai general, in care raportul dintre probabilitatea de recapturare si cea de
recombinare poate lua orice valoare, obtinandu­se astfel o cinetica de ordin general (GOK).
Toate aceste trei ipoteze sunt construite in ideea unei încălziri liniare. Cazul incalzirii hiperbolice
a fosforilor va fi tratat separat, tot in cadrul acestui capitol.
8.3 Cinetica de ordinul I. Ecuaţia Randall ­ Wilkins
Randall si Wilkins au luat in considerare ipoteza ca, dupa eliberarea electronilor din capcana,
singurul proces ce poate avea loc este recombinarea radiativa, neglijand posibilitatea de
recapturare a electronilor in drumul spre centrii de recombinare. Modelul este evident foarte mult
simplificat, deoarece intr­o retea cristalina reală exista mai multe tipuri de capcane ceea ce face ca
in general recapturarea sa aiba o probabilitate neneglijabila. Totusi, modelul Randall ­ Wilkins
descrie corect comportamentul anumitor fosfori, din motive ce vor fi prezentate ulterior.
In cadrul acestui model, capcana TL este descrisa ca o groapa de potential cubica, caracterizata
prin doi parametri: adancimea capcanei (energia de activare E) si frecventa cu care electronii
lovesc peretii capcanei (frecventa incercarilor de evadare s, care reprezinta de fapt probabilitatea
de evadare).
Cu ipoteza suplimentara introdusă de Randall si Wilkins ( = 0), intensitatea emisiei TL devine
egala cu viteza de evadare a electronilor din capcana:
dn
E
I = − = s n exp( − )
dt
kT
(ii.2.8)
Fie n0 populatia de electroni din capcane dupa iradierea cu un anumit tip de radiatie ionizanta. In
timpul incalzirii, numarul de electroni din capcane va scadea in timp datorita evadarii si
recombinarii:
n t ) = n s exp( −
( 0
In cazul incalzirii liniare avem:
E
kT
)
(ii.2.9)
69

dT
b =
dt
dn dn dT dn
= ( ) ⋅ ( ) = b ⋅
dt dT dt dT
dn 1
E
⇒ = − ⋅ n ⋅ s ⋅ exp( − )
dT b
kT
ceea ce ne conduce la :
n ( T ) = n
0
⎡ s
exp ⎢ −
⎢ ⎣
b
T
∫
T
0
E ⎤
exp( − ) d τ ⎥
k τ ⎥ ⎦
(ii.2.10)
(ii.2.11)
(ii.2.12)
(ii.2.13)
Inlocuind acum n(T) in ecuatia (ii.2.8) obtinem expresia intensitatii emisiei TL in cazul cineticii
de ordinul I:
⎡ T
E s E ⎤
I ( T ) = n 0 s exp( − ) exp ⎢ − ∫ exp( − ) d τ ⎥
(ii.2.14)
kT ⎢ ⎣
b k τ
T 0
⎥ ⎦
Ecuatia de mai sus, cunoscuta sub numele de “ecuaţia Randall ­ Wilkins”, da forma unui maxim
de termoluminescenta in cazul cineticii de ordinul I, adica pentru cazul in care recapturarea este
neglijabila.
Curba din figura 40 reprezinta un maxim de luminescenţă generat cu ecuatia Randall ­ Wilkins.
Se poate vedea ca picul este asimetric, la temperaturi mari descrescand mai rapid decat creste la
temperaturi mici.
I(T)
Fig. 40. Curba de luminescenta generata cu ecuatia Randall ­ Wilkins
Acest lucru se datoreaza celor două exponentiale din ecuatia ii. 2.14. La temperaturi joase, la care
T este apropiat de T0, argumentul celei de a doua exponentiale este foarte mic ceea ce face ca
valoarea exponentialei sa fie practic unitara. Ca urmare, la temperaturi joase comportamentul
functiei este dominat de prima exponentiala, exp( − E kT ) , care creste rapid odata cu cresterea
temperaturii, ducand astfel la cresterea initiala a intensitatii TL. Cea de a doua exponentiala ia
valori descrescatoare la cresterea lui T, si variaza foarte rapid la temperaturi ridicate. La o
T
70

anumita temperatura, scaderea valorii celei de a doua exponentiale compenseaza cresterea
datorata primei exponentiale, ajungandu­se la maximumul distributiei. Dincolo de acest punct,
domina cea de a doua exponentiala, ceea ce duce la o scadere rapida a intensitatii.
Din ecuatia Randall ­ Wilkins se poate deduce conditia de maximum pentru picurile de ordinul I:
bE
kT
2
m
= s exp( −
deci viteza de incalzire este:
I1( T )
I2( T )
I3( T )
150
100
50
sk 2
b = T m exp( −
E
E
kT
m
E
kT
0
100 120 140 160 180 200
T
)
m
)
3D
a) b)
I1( T )
I2( T )
I3( T )
150
100
50
(ii.2.15)
(ii.2.16)
0
50 100 150 200
Fig. 41. Dependenta picurilor de ordinul I de doza (a) si de viteza de incalzire (b)
Din cele doua ecuatii de mai sus se pot deduce mai multe caracteristici ale picurilor de ordinul I:
n0 nu apare in ecuatia ii.2.15, deci Tm nu depinde de n0. Acest lucru inseamnă ca pozitia
picurilor de ordinul I nu depinde de doza, ceea ce este foarte convenabil pentru aplicatiile de
dozimetrie;
din ecuatia ii.2.16 se poate observa ca Tm creste o data cu cresterea lui b, deci la viteze de
incalzire mai mari maximele apar la temperaturi mai mari.
Fig. 41 prezinta dependenta de doza (n0) si de viteza de incalzire a unor picuri generate cu ecuatia
Randall ­ Wilkins.
Desi modelul propus de Randall si Wilkins este foarte simplu, exista foarte multi fosfori ale caror
picuri au cinetica de ordinul I. Totusi, fosforii creati in ultima perioada prezinta alte tipuri de
cinetici.
8.4 Cinetica de ordinul II. Ecuaţia Garlick – Gibson. Modelul propus de Garlick si Gibson se
bazeaza pe o alta ipoteza pentru a putea studia evolutia populatiei capcanelor. Ei au luat in
considerare recapturarea cu o probabilitate egala cu cea de recombinare. In aceasta situatie, din
ecuatiile ii.2.1. ­ ii.2.8. se obtine:
s 2
I = n exp( −
N
E
kT
)
D
2D
T
b
(ii.2.17)
2b
3b
71

ceea ce, in cazul unei incalziri liniare, devine:
⎡
T
2 E n 0 s E ⎤
I ( T ) = n 0 s exp( − ) ⎢ 1 + ∫ exp( − ) d τ ⎥
kT ⎢ ⎣
b k τ
T 0
⎥ ⎦
− 2
(ii.2.18)
Ecuatia de mai sus, cunoscuta sub numele de ecuatia Garlick – Gibson, descrie cinetica de ordinul
II. Dupa cum se poate observa, ea este mai complexa decat ecuatia ii.2.14 si descrie un pic
aproape simetric. Fig. 42 prezinta un pic de ordinul II. In cazul acestor picuri, ramura de
temperatura mare este chiar mai larga decat cea de temperatura mica.
Fig. 42. Curbă sintetică de luminescenţă generată cu ecuaţia cinetică de ordinul II
O caracteristica importanta a picurilor de ordinul II este dependenta pozitiei maximumului de
doza. Astfel, pe masură ce doza creste, picul se deplaseaza spre temperaturi mai mici (fig. 43).
I1( T )
I2( T )
I3( T )
I(T)
3 10 7
2 10 7
1 10 7
0
200 250 300
Fig. 43. Dependenta pozitiei picului de ordinul II de doza
T
T
3D
2D
D
72

Desi modelul propus de Garlick si Gibson se sprijina pe o ipoteza cu mult mai putin restrictiva
decat cea avansata de Randall si Wilkins, el rămane tot un simplu caz particular al situatiei
generale in care raportul dintre probabilitatea de recombinare si cea de recapturare poate lua orice
valoare.
Alte abordari ale cineticilor de ordinul I si II. Bräunlich, Schäfer şi Scharman [Br65] au propus
un model care porneste de la aceleasi ipoteze ca si modelul descris de ecuatiile ii.2.1. ÷ ii.2.4., pe
care l­au modificat conform schemei din fig. 44, luand in considerare si purtatorii de sarcina
pozitivi si tranzitiile de pe nivelele capcana pe banda de valenta.
Fig. 44. Schema nivelelor implicate in modelul propus de Bräunlich, Schäfer si Scharman
Ecuatiile care descriu modelul din schema fig. 44 sunt urmatoarele:
d n c
= α n − β n c ( N − n ) − γ n c f
d t
d p
∗
∗
= δ f − β p ( F − f ) − γ pn
d t
d n
∗
= − α n + β n c ( N − n ) − γ pn
d t
d f
∗
= − δ f + β p ( F − f ) − γ n c f
d t
cu conditia de neutralitate care devine:
p + f = n + nc
β ∗
In aceste conditii, Bräunlich si colaboratorii sai au studiat patru cazuri:
γ
δ
Banda de conductie
F, f
β
Banda de valenta
γ *
s
nc
N, n
p
(ii.2.19)
(ii.2.20)
(ii.2.21)
(ii.2.22)
(ii.2.23)
73

a. cazul in care probabilitatea de recapturare a electronilor si golurilor este foarte mica
( R =
β
≈ 0 şi R * =
β *
≈ 0 );
γ
γ *
b. cazul in care probabilitatea de recapturare este mare atat pentru electroni cat si pentru
goluri (R>>1 şi R*>>1)
c. cazul in care probabilitatea de recapturare a electronilor este mică si a golurilor este
mare (R ≈ 0 si R*>>1);
d. cazul in care probabilitatea de recapturare a electronilor este mare si a golurilor este
mica (R>>1 şi R* ≈ 0).
De asemenea, in acest caz trebuie făcute o serie de presupuneri asupra formulei intensitatii
emisiei termoluminescente. Avem de aceasta data trei cazuri:
1. I(T) = n cf
2. I(T) = *n p
3. I(T) = n cf + *np
Cazul a. Daca facem ipoteza suplimentara că n ≈ f, atunci intensitatea emisiei termoluminescente
devine:
E
E F ⎡ T
⎛ −
− ⎞ 1 ⎛
( ) ( 0 ) ⎜ kT
kT
I T ≈ n T 0 e 0 e ⎟ exp ⎢ − ⎜
⎜
s + δ
⎟ ∫ ⎜
s
⎝
⎠ ⎢ ⎣
b T 0 ⎝
⎠ ⎥ ⎦
Dupa cum se observa, ecuatia este de tip Randall – Wilkins. Ecuaţia ii.2.24 se transforma in
ecuatia ii.2.14 daca se neglijeaza tranzitiile de pe banda de valenta pe centrii de recombinare sau
daca se neglijeaza contributia purtatorilor pozitivi ( 0 = 0).
Cazul b. cu ipoteza suplimentara n ≈ f (ipoteza care va fi pastrata, de altfel, si in celelalte cazuri),
duce la următoarea expresie a intensitatii:
0
0 *
exp( ) exp( )
*
( )
(ii.2.25)
2
1 1 0
0 *
exp( ) exp( ) d
0
*
⎥
0
⎥
s γ E δ γ E F
− + −
β N kT β F kT
I T ≈
⎡
T
⎛ s γ E δ γ E ⎞ ⎤
F
⎢ + ∫ ⎜ − + − ⎟ T
⎢ ⎣
n b T ⎝ β N kT β F kT ⎠ ⎦
Dupa cum era de asteptat, forma acestei solutii este de tipul Garlick – Gibson, deci este vorba tot
de o cinetica de ordinul II. Si in acest caz transformarea din ecuatia ii.3.25 in ecuaţia Garlick –
Gibson se face in cazul in care 0 = 0, adica in cazul in care nu se iau in consideratie purtatorii
pozitivi.
Solutia setului de ecuatii in cazul c este:
+ δ e
⎞ ⎤
⎟
d T ⎥
Si aceasta solutie este de tipul Randall – Wilkins, ecuatia ii.2.14 obtinandu­se tot pentru situatia
în care 0 = 0.
In fine, si in ultimul caz se obtine tot o solutie de tip Randall – Wilkins si anume:
0
e
−
E
kT
0
E F
−
kT
E ⎛ T E
1 ⎞
2 E F *
⎛ T
−
−
0 0
2
( ) 0 e exp ⎜
0 e d ⎟ γ
f δ −
kT
kT
kT
I T ≈ f s
+ e exp ⎜ −
⎜ ∫ s T
⎟ *
⎜ ∫ s
⎝
b T 0 ⎠
β F
⎝
b T 0
d ⎟
⎞
T
⎠
E
−
kT
0 0 e
⎟
(ii.2.24)
(ii.2.26)
74

2 E ⎛ T E F 2 ⎞
E F ⎛ T E F
γn
0 s −
−
− 1 − ⎞
0 kT
( ) e exp ⎜
kT e d ⎟
kT
0
0 0 e exp ⎜
kT
I T ≈ −
+
− 0 e d ⎟
(ii.2.28)
⎜ ∫ δ T n δ
⎟
⎜ ∫ δ T
β N
⎟
⎝
b T 0 ⎠
⎝
b T 0 ⎠
Totusi, in acest din urma caz nu se poate ajunge la ecuatia clasica obtinuta de Randall si Wilkins.
In cele ce urmeaza, vom studia cazul cineticii de ordin general, cand raportul dintre coeficientul
de recombinare si cel de recapturare poate lua orice valoare.
8.5 Cinetica de ordin generalizat. Prima abordare generalizata a cineticii fenomenului de
termoluminescenta a fost propusa de Halperin si Braner [Ha60], care au prezentat un set de
ecuatii diferentiale cuplate in care coeficientii de recombinare si recapturare puteau avea diferite
valori. Cu toate acestea, ei nu au luat in considerare decat cazurile particulare ale cineticilor de
ordinul I si II si au demonstrat ca, in aceste doua cazuri, tipul de cinetica poate fi dedus din
analiza factorului de forma al picului de luminescenta (vezi fig. 45).
O alta abordare a fost cea propusa de May si Partridge [Ma64]. Ei au demonstrat ca in anumite
halogenuri alcaline cinetica TL nu mai este nici de ordinul I, nici de ordinul II. Ca urmare, ei au
propus ca intensitatea TL să fie exprimata prin formula:
d n c E
I ( T ) = − = s ′ n exp( − )
(ii.2.29)
d t
kT
unde c este un parametru numit „ordinul cineticii“.
I
I/2
I(T)
Fig. 45. Definiţia factorului de formă al curbelor de luminescenta
ω
δ
Factorul
de forma:
ϕ = δ/ω
T
75

Evident, pentru cineticile de ordinul I si II, c este 1 si, respectiv, 2. Folosind ecuatia ii.2.29, Chen
[Ch69] a demonstrat ca factorul de forma (pe care de aici inainte il vom nota cu ϕ) nu depinde
decat de c si este practic independent de E si de s’’, definit ca s’’ = s’n0 c­1 . Ca urmare, s­a calculat
dependenta lui de c, ceea ce permite determinarea ordinului cineticii pentru orice pic de
luminescenta (Chen a reprezentat grafic aceasta dependenta pentru valori ale lui c in domeniul 0,7
÷ 2,5).
Teoria cinetică propusa de May si Partridge are dezavantajul ca este pur empirica. Modelul
propus de Halperin si Braner insa este rezultatul ipotezelor facute asupra fenomenelor fizice care
se afla la originea fenomenului de termoluminescenta. Ca urmare, acest din urma model a fost
dezvoltat de mai mulţi autori, care au luat în considerare mai multe tipuri de capcane. Printre ei,
Bräunlich [Br70, Ke71], Lewandowski si McKeever [Le91, Le94] au propus modele care
implicau si existenta unor capcane adanci, deconectate termic (asa numitele „thermally
disconected deep traps” – TDDT), deja populate, avand o populatie mai mare decat cea a
capcanelor TL superficiale. Conditia de neutralitate se aplica in acest caz pe toate aceste tipuri de
capcane si centri de recombinare, rezultatul fiind ca, in general, picurile de luminescenta sunt de
ordinul I. Modelul este cunoscut si sub numele de „sistem de capcane interactive” („interactive
trap system” – ITS) si poate explica si supraliniaritatea si efectele de sensitizare prin pre­dozare,
nu numai predominanta comportamentului de ordinul I. După cum vom vedea mai departe, tot un
astfel de model poate explica si comportamentul fosforilor iradiati simultan cu radiatii ionizante si
ultraviolete si compensarea fadingului prin expunere la radiatii din domeniul optic.
Revenind la cazul sistemelor cu două nivele si un singur tip de capcane. Kelly, Laubitz si
Bräunlich [Ke60] au demonstrat ca, din ecuatiile ii.2.1. ÷ ii.2.7, se poate ajunge la urmatoarea
foma a intensitatii TL:
2 E 2 E
γ n s exp( − ) n s exp( − )
d n
I = − =
kT
=
kT
d t [( N − n ) β + n γ ] ( 1 − R ) n + NR
(ii.2.31)
Sunta si colaboratorii [Su97] au calculat numeric, din ecuaţia ii.2.31, curbele de luminescenţă
pentru diverse valori ale lui R si ale raportului n0/N (cu valori fixate ale parametrilor E, s şi N).
Figura 46 prezinta curbele calculate de ei. Tot ei au calculat variatia factorului de formă al
curbelor pentru diverse valori ale lui R, ca functie de n0/N (fig. 47). Deoarece factorul de forma
poate fi folosit pentru determinarea ordinului cineticii, este interesat de urmarit dependenta lui c
de R, prin intermediul factorului de formă. Sunta si colaboratorii sai au facut acest lucru calculand
dependenta lui de R si de c pentru n0/N fixat si pentru diverse valori ale parametrilor E si s (fig.
48. a si b). După cum se observa, dependenta factorului de forma de E, atunci cand s este
mentinut constant, este neglijabila. In ceea ce priveste dependenta de s, cand E este constant, ea
se incadreaza in limitele a ±1,5%.
76

Fig. 46. Curbe de stralucire calculate cu ecuatia
ii.3.30. Valorile folosite pentru parametri sunt: E
= 1 eV, s = 10 12 s ­1 , N = 10 12 cm ­3 si viteza de
incalzire b = 1 Ks ­1 . Curbele 1 ÷ 11 sunt
calculate pentru R = 0, 10 ­6 , 10 ­5 , 10 ­4 , 10 ­3 , 10 ­2 ,
10 ­1 , 0.5, 1, 2 si respectiv 10. Curba de
luminescenta pentru R = 0 este cea care
corespunde modelului Randall – Wilkins
ϕ c
Intensitatea TL
Temperatura (K)
Fig. 47. Factorul de forma ca functie de
raportul n0/N. Valorile folosite pentru
parametri aceleasi ca la figura
anterioara. Curbele 1 ÷ 11 sunt calculate
pentru R = 0, 10 ­6 , 10 ­5 , 10 ­4 , 10 ­3 , 10 ­2 ,
10 ­1 , 0.5, 1, 2 si respectiv 10. Pe
ordonata din dreapta sunt prezentate
valorile ordinului cineticii (c) deduse cu
ajutorul factorului de forma (vezi si
figura II.2.10)
Din figurile 47 si 48 se poate observa ca exista trei tipuri distincte de comportament al
curbelor de stralucire:
77

1. daca R→0, atat temperatura maximumului Tm cat si factorul de forma raman fixate
indiferent de valoarea raportului n0/N. Acest lucru este confirmat de datele experimentale si
corespunde cu comportarea picurilor de ordinul I (acest caz corespunzand cineticii de ordinul I).
2. dacă R ≥ 1, Tm depinde de valoarea raportului n0/N in timp ce factorul de formă este
practic independent de acest raport. Cazul R = 1 corespunde cineticii de ordinul II, deci
comportarea prezisă se confirma si in acest caz.
3. daca 0 < R < 1, atat Tm cat si se modifica odata cu n0/N.
Fig. 48 Dependenta relatiei dintre factorul de forma, R si c
de variatiile lui E (a) si s (b). In (a), curbele 1 şi 1’, 2 si 2’,
si 3 si 3’ sunt trasate pentru s = 10 12 s ­1 si E = 0.8, 1.5 si,
respectiv, 2.2 eV. Curbele coincid in limita a 0.5%.
In (b), curbele 1 si 1’, 2 si 2’, si 3 si 3’ sunt trasate pentru
E = 1.75 eV si s = 10 10 , 10 14 si, respectiv, 10 20 s ­1 .
78

Daca vom compara acest model cu cel propus de May şi Partridge si descris de ecuatia ii.2.29, se
observa ca, in cazul ideal, pentru a avea c = 1 ar trebuie ca R sa fie egal cu 0. Totusi, in realitate R nu va
lua niciodata valoarea 0, deoarece acest lucru ar insemna ca probabilitatea de recapturare sa fie strict 0,
deci si sectiunea eficace de capturare sa fie nula ceea ce ar implica si s = 0 6 . Daca probabilitatea de
evadare ar fi nula fenomenul de termoluminescenta nu ar apare. Prin urmare, R trebuie sa ia o valoare
finita, nenula.
Se poate observa (din fig. 47) ca, pentru a avea ≈ 0,4 (ceea ce ar corespunde unui ordin al cineticii c ≈
1), putem avea un intreg domeniu de valori ale lui R, in functie de valoarea raportului n0/N. De fapt,
picul TL satisface conditia c = 1 pentru orice doza atat timp cat R < 10 ­2 n0/N (presupunand ca ocuparea
capcanelor creste liniar cu doza). Totusi, dupa cum am mentionat anterior, daca schema nivelelor
energetice este modificata pentru a include si capcanele adanci netermice comportarea corespunzatoare
lui c = 1 se obtine ai fara conditia R→ 0.
Cea de a doua categorie de curbe este cea care corespunde cazului c = 2. Este remarcabil faptul ca toate
valorile R ≥ 1 duc la aceeasi valoare pentru , indiferent de valorile raportului n0/N. Aceasta valoare a
factorului de forma corespunde ordinului cineticii c = 2. De importanta practica pentru aceasta categorie
este dependenta pozitiei maximumului picului de doza (dupa cum am vazut, de altfel, cand am discutat
despre modelul Garlick – Gibson).
Relaţia dintre c şi R la n0/N = 1.
Pentru studiul cineticii de ordin general, cea de a treia categorie (cazul 0 < R < 1) este cea mai
importanta. Din figura 47 se poate vedea ca, daca n0/N nu difera cu mai mult de un ordin de marime de
R, c ia valori fractionale intre 1 si 2. In aceste cazuri, in care 0 < R < 1, valoarea lui c depinde de nivelul
6 Deoarece s = Nσtν, unde N este densitatea de stari, σt este sectiunea eficace de capturare si ν este viteza
purtatorilor liberi.
79

de ocupare al capcanelor. Aceasta inseamnă că ordinul cineticii se modifica in timpul incalzirii.
Valoarea care se obtine pentru un raport initial n0/N (deci pentru o anumita doza) nu este deci decat o
valoare mediata a lui c, pe intreg procesul de incalzire.
Datorita acestui motiv, Lewandowski si McKeever [Le91] au contestat valabilitatea tratarii proceselor
TL pornind de la un ordin al cineticii fixat. Argumentul lor impotriva unei astfel de abordari se bazeaza
tocmai pe faptul ca raportul dintre ratele de recapturare si recombinare variaza pe parcursul incalzirii si
ordinul cineticii ar trebui deci sa se schimbe si el in decursul procesului. Prin urmare, ei au sugerat
inlocuirea ordinului cineticii cu o functie dependenta de densitatea de centri de recombinare. Totusi, in
cazurile in care c = 1 sau c = 2 se poate folosi ordinul cineticii. In cazurile in care 1 < c < 2, ordinului
cineticii nu i se mai poate atribui o semnificatie fizica si atunci este mai indicat sa se foloseasca functia
propusa de Lewandowski si McKeever.
Cunoasterea ordinului cineticii este foarte importanta atunci cand se face deconvolutia curbelor de
luminescenta complicate (cum ar fi cea a LiF:Mg,Ti – asa­numitul TLD­100), in functie de ordinul
cineticii putandu­se folosi un model matematic sau altul. Datorita faptului ca nici ecuatiile care definesc
cinetica de ordinul I, nici cele care definesc cinetica de ordinul II nu au solutii analitice, deconvolutia
unei curbe de stralucire este o problema foarte complicata. In cele ce urmeaza vom discuta metodele de
datare prin termoluminescenta.
8.6 Reconstructia dozei si / sau datarea unui esantion folosind detectori cu corp solid. Datarea unui
esantion sau, dupa caz, reconstructia dozei la care a fost supusa in anumite conditii o proba sau un
individ reprezinta o chestiune care poate fi rezolvata prin masurari de termoluminescenta.
In cazuri care implica expuneri accidentale sau contaminari ale mediului, se procedeaza la reconstructia
dozei pornind de la indicatiile retelei de supraveghere a radioactivitatii mediului (acolo unde exista si
este operaţionala), sau de la indicatori de doza biologici si de mediu. Prin indicator de mediu se intelege
de obicei orice obiect aflat in apropierea unei persoane expuse (imbracaminte, obiecte personale,
medicamente, materiale de constructie), in timp ce indicatorii biologici se refera la masuratori de doza in
diverse tesuturi sau substante organice (sange, dinti, oase, par).
In general, dozimetria retrospectiva individuala (cu probe osoase sau de sange) se aplica persoanelor
cele mai expuse, data fiind limita de detectie destul de ridicata. In aceste cazuri se considera acceptabila
o eroare de 20%.
Tehnicile folosite pana acum pentru dozimetria retrospectiva de mediu includ termoluminescenta (in
special pentru materiale de constructie), chemoluminescenta si rezonanta electronica de spin (RES).
Toate cele trei tehnici prezinta limitari, in special in ceea ce priveste fadingul si doza minima
detectabila. In cele ce urmeaza ne vom opri asupra metodelor de determinarea a dozei prin
termoluminescenta si RES.
Pentru ca o anumita substanta sa poata fi folosita pentru dozimetrie retrospectiva, trebuie sa
indeplineasca un numar minim de conditii si anume [Fa96]:
sa fie sensibila la iradiere
semnalul indus de radiatii sa fie stabil (fadingul sa fie suficient de redus)
sa aiba un raspuns liniar cu doza
sa aiba sensibilitati diferite la radiatii de diferite calitati
80

sa fie usor de prelevat
sa aiba un fond cat mai redus.
Deoarece provenieneta materialelor utilizate este foarte variata, dozele nu pot fi evaluate pe baza
unor curbe de calibrare stabilite anterior, in acest caz folosindu­se o procedura de autocalibrare.
Atat in cazul termoluminescentei cat si al RES se determina mai intai intensitatea semnalului
pentru esantionul de masurat. Ulterior esantionul este iradiat in mod repetat cu doze cunoscute, (de
amplitudine apropiata de cea asteptata pentru doza de determinat) si se citeste de fiecare data
intensitatea semnalului obtinut. Rezultatele se fiteaza apoi liniar (fig. 49) si doza initiala se
determina din curba astfel obtinuta.
Semnal TL (u.a.)
10000
1000
100
Rezultatul citirii
iniţiale
10
0 2 4 6 8 10 12
Doza de iradiere (Gy)
Fig. 49. Exemplu de curba de autocalibrare pentru o proba folosita in determinarea retrospectiva a dozei de iradiere. Dozele de
autocalibrare sunt cat mai apropiate de doza care se asteapta a fi fost primita
Avantajul acestei metode consta in faptul ca determinarile nu sunt afectate de variabilitatea
structurii materialului de la un esantion la altul.
In cazul datarilor insa, o importanta deosebita are determinarea debitului de doza anual la care a
fost supus proba masurata. Acest debit se poate determina in doua moduri: prin determinarea
debitului de doza de fond in locul din care este prelevata proba, cumulat cu determinarea
continutului de radionuclizi ai probei, in final calculandu­se un debit de doza cumulat, sau prin
ingroparea unor fosfori TL calibrati, cu Zeff comparabil cu cel al probei, si masurarea directa a
dozei integrate pe o luna.
81

Un alt element extrem de important in cazul datarilor este fadingul, prezentat in cele ce urmeaza.
In timpul dintre iradiere si citire numărul de electroni aflati in capcane scade, deoarece
probabilitatea de evadare la temperatura camerei este nenula. Ca urmare, intensitatea semnalului
de termoluminescenta corespunzator unei anumite doze se atenueaza pe masura ce timpul scurs de
la iradiere la momentul citirii este mai mare. Acest fenomen de atenuare este cunoscut in literatura
sub denumirea de “fading”.
Timpul mediu de viata al electronilor pe un anumit nivel capcana se poate determina din ecuatia
ii.2.31. Daca facem presupunerea ca fosforul studiat are o cinetica de ordinul I, atunci ajungem din
nou la ecuatia ii.2.8:
d n
= − ns exp( −
d t
E
kT
)
si, ca urmare, timpul mediu de viata al electronilor in capcana, in ipoteza cineticii de ordinul I este
dat de:
E
1
τ = ∫ t exp[ − st exp( − )] dt =
(ii.2.58)
kT
E
s exp( − )
kT
Determinarea experimentala a timpului mediu de viata in studii de reducere izoterma a semnalului
TL poate fi o metoda fizica de determinare a parametrilor capcanei.
Ca exemplu prezentam o serie de experimente cu privire la fadingul fosforilor LiF:Mg,Ti (TLD­
100 7 ) – (Vasilache et al.). Primul experiment a studiat diferenta dintre fadingul detectorilor expusi
la lumina si al celor tinuti la intuneric. Lotul de detectori a fost astfel selectat încât diferenţa dintre
coeficienţii de etalonare ai detectorilor să nu fie mai mare de 8%. Detectorii au fost iradiati
simultan, folosindu­se o sursa de Cs 137 cu activitatea de 60 mCi, la o doza de 3,5 mGy. Dupa
iradiere detectorii au fost separati in doua loturi, primul lot fiind pastrat la intuneric iar cel de al
doilea expus lasat la lumina, ambele aflandu­se in aceleasi conditii de temperatura. Pe parcursul
experimentului, temperatura camerei in care se aflau detectorii s­a pastrat la (25 ± 3) o C. Detectorii
din cele doua loturi au fost cititi la aceleasi intervale de la iradiere, folosindu­se un cititor automat
Harshaw 6600, la care incalzirea detectorilor se face cu azot fierbinte. Viteza de incalzire a fost de
5 K/s, fara preincalzire, iar detectorii folositi erau netratati termic. Viteza a fost aleasa in urma
unor determinari facute pentru a alege un profil timp – temperatura optim pentru rezolutia
picurilor.
7 TLD­100 este denumirea comerciala pentru LiF:Mg,Ti fabricat de Harshaw Chemical Co.
82

Relative TL intensity
1.2
1.1
1.0
0.9
ITL
Kept La in întuneric the dark
Exposed to light
La lumină
eqn: (ax b )+c, error 2 : 7.200E­003, A
a=­6.151E­002, b=+1.939E­001, c=+1.191E+000
eqn: aexp(­cx d ), error 2 : 7.492E­003,
a=+1.162E+000, b=+7.326E­003, c=+5.312E­001
0.8
0 200 400 600
Time (hours)
Fig. 50. Fadingul detectorilor TLD­100. Curba A este pentru detectorii expusi la lumina, iar curba B pentru cei tinuti la
intuneric
Rezultatele experimentului sunt prezentate in figura 50. După cum se observa, fadingul
detectorilor tinuti la intuneric este mai pronuntat decat cel al detectorilor tinuti la lumina. Semnalul
acestor din urma detectori se stabilizeaza dupa disparitia picurilor 2 si 3, de temperatura joasa.
Stabilizarea semnalului poate fi atribuita interactiunii dintre capcanele adanci, deconectate termic,
si cele superficiale responsabile pentru aparitia picurilor. Dacă definim factorul de fading ca fiind
raportul dintre aria curbei de luminescenta la un moment t si aria la momentul initial, atunci
factorii de fading pentru cele două cazuri pot fi dedusi prin interpolarea datelor experimentale din
figura si se obtine:
− 0 , 19
f l ( t ) = − 0 , 06 t + 1 , 191 , pentru detectorii tinuti la lumină (ii.2.59)
f d
Timpul de la iradiere (ore)
0 , 53
( t ) = 1 , 16 exp( − 0 , 007 t ) , pentru detectorii tinuti la intuneric (ii.2.60)
Un model simplu al fenomenului consta in fototransferul electronilor de pe capcanele adanci pe
cele superficiale, compensandu­se astfel pierderea electronilor care evadeaza din capcane la
temperatura camerei. Ceea ce este important de observat este ca fadingul este puternic afectat de
expunerea la lumina a esantionului masurat, si aceasta influenta depinde de tipul fosforului.
B
83

9. CONCLUZII DE ETAPA
Scurt istoric al cercetarilor din Delta Dunarii si NV­ul Marii Negre
Din punct de vedere istoric Dunarea este metionata in documente inca din epoca greaca. Grecii
numeau Dunarea Danubius. Mai tarziu roamanii foloseau denumirea de Danubius pentru cursul
superior si Istros pentru cel inferior.
Herodot, care intre anii 454­447 i. c. a vizitat tarmurile Marii Negre, descria Istrosul ca fiind “cel
mai mare dintre fluviile vazute...” si mentiona ca fluviul se varsa in mare prin cinci brate.
Ptolemeu, in Itinerariul Antonin da coordonatele tuturor punctelor descrise de el la gurile Dunarii.
Polibiu (201­120 i.c.), Strabon (58 i.c. – 25 d.c.), Ovidiu (43 i.c. – 17 e.n.) si Pliniu cel Batran (23­
79 d.c.; Naturalis Historia), Flavius Arrianus (~95­175 d.c.; Periplus Ponti Euxini) in scrierile lor
aduc informatii asupra Deltei Dunarii, din care pot fi sintetizate urmatoarele: formarea deltei deja
incepuse, Dunarea se varsa in mare printr­un numar mai mare de brate decat azi, frontul deltei era
situat mult spre vest fata de pozitia actuala, in fata gurilor fluviului existau mai sase insule, cea mai
mare fiind cunoscuta sub numele de Peuce (Pomponius Mela, sec. I d.c.).
Pana in sec. XV, informatiile asupra Dunarii si deltei sale nu sunt prea multe. Intre 1550­1770 au
fost editate o serie de harti, cea mai importanta fiind editata in 1880 de contele Kiseleff, aceasta
descriind o serie de insule in zona Chilia. In anul 1856, de Marigni editeaza “Hidrografia Marii
Negre si a Marii de Azov”, lucrarea cuprinzand numeroase date hidrografice, dar si geologice si
geografice.
Prin infiintarea Comisiei Europene a Dunarii, gradul de cunoastere si precizia reprezentarilor
cartografice cresc foare mult.
Dupa anul 1900 cercetatori precum Murgoci (1912), Antipa (1914­1941), Bratescu (1921­1942)
publica studii si harti ale Deltei Dunarii. Alaturi de acestia si alti cercetatori romani si straini,
precum Sevastos (1905, 1907), Lepsi (1924), Valsan (1934), Nastase (1935), Ciocardel (1937),
Pfannenstiel (1950), Zenkovitch (1956­1960), Papiu (1957), Ionescu (1958), Mihailescu,
Dragomirescu (1959), Liteanu et al (1961), Liteanu, Pricajan (1963), Almazov et al (1963), Panin
(1971­2007), Mihailescu et al (1971 – 1993) si altii, aduc informatii deosebite referitoare la
aparitia si evolutia in timp a edificiului Deltei Dunarii, dar si a zonei marine adiacente.
Modele evolutive ale Deltei Dunarii.
Cele mai importante modele si informatii referitoare la aparitia si evolutia edificiului deltaic
apartin lui Antipa (1921), Bratescu (1923), Liteanu & Pricajan (1966) si Panin (1972 – 1998). In
vederea elaborarii modelelor evolutive ale Deltei Dunarii autorii mentionati au utilizat seturi
compexe de date geologice, hidrologice, biologice, climatice, geocronologice etc.
Edificiul deltaic, plasat intre faliile Sf. Gheorghe (la sud) si Vaslui­Cetatea Alba (la nord), are o
alcatuire geologica complexa. Facand parte dintr­un sistem de unitati geotectonice majore
(Platforma Scitica) Delta Dunarii, ca unitate apartinand Depresiunii Predobrogene, are un
fundament geologic in cadrul caruia au fost separate sase cicluri de sedimentare (Patrut et al,
1983): Paleozoic, Triasic inf., Triasic med.­sup, Jurasic, Cretacic inf. si Sarmatian­Pliocen. In
ultimul ciclu de sedimentare s­au acumulat depozite de argile, nisipuri si gresii (200 – 350 m)
peste care stau argilele rosii villafranchiene.
Panin (1972, 1974) evidentiaza fazele principale ale evolutiei Deltei Dunarii din timpul
Holocenului, utilizand si un numar limitat de datari 14 C. Autorul mentioneaza ca Delta Dunarii este
84

un deificiu care se extinde si in zona submarina pe o suprafata larga, departajand in cadrul acesteia
o “prodelta” si un “front deltaic”.
Transgresiunea de la inceputul stadiului nou al Marii Negre a favorizat formarea cordonului initial
Letea – Caraorman (Panin, 1976), permitand aparitia asa numitului stadiu de “delta blocata”.
Datorita bratului Sf. Gheorghe se formeaza prima delta “Sf. Gheorghe I”. Aparitia unui nou brat
(Paleo­Sulina) conduce la aparitia altui edificiu deltaic – “Sulina”. In timpul regresiunii
fanagoriene, in acelasi timp cu formarea deltei Sulina, spre sud se mai formeaza un mic edificiu
deltaic – ”Cosna”. Urmatoarea faza de evolutie a Deltei Dunarii corespunde cu etapa actuala.
Colmatarea bratului Paleo­Sulina impulsioneaza dezvoltarea bratului Chilia, cu formarea
edificiului deltaic cu acelasi nume, si reactiveaza bratul Sf. Gheorghe care va forma “Delta Sf.
Gheorghe II”. In partea extrem sudica a zonei deltaice se mai formeaza o mica delta numita
“Sinoe”.
Studiile referitoare la evolutia si constitutia partii de NV a Marii Negre mentioneaza importanta
Dunarii ca principal furnizor de sedimente, acestea constituind cauza colmatarii unor zone
depresionare preexistente (ex. vechile cursuri ale fluviilor care se varsa in mare: Dunarea, Nistru,
Nipru, Bug) si al formarii unui sistem de conuri submarine care se extinde la adancimi de pana la
2000 m.
Lucrari recente, bazate pe metode moderne de cercetare (seismica, seismo­acustica, tehnici
izotopice) a permis obtinerea unor informatii detaliate referitoare la geomorfologia zonei si la
alcatuirea sa din punct de vedere geologic­sedimentologic. In zona de platou continental, dar si in
cea profunda a bazinului nord­vestic al Marii Negre, au fost separate secvente seismice marcate de
procese de sedimentare de la alunecari in masa (primele doua), in baza succesiunii, pana la
depuneri tipice de depozite turbiditice (urmatoarele sase) sub forma de canale, levee, etc, catre
partea superioara.
S­a constatat ca variatiile de nivel ale marii in ultimii 900 ani sunt diferite de cele ale Oceanului
Planetar datorita izolarii bazinului Marii Negre fata de acesta, in perioadele de intrerupere a
legaturii cu Marea Mediterana. Efectuarea de datari ale secventelor mentionate mai sus au indicat
urmatoarele perioade: S3: 480 000­400 000 ani, S4: 400 000­320 000 ani, S5: 320 000­190 000
ani, S6: 190 000­75 000 ani, S7: 75 000­25 000 ani, S8: ultimii 25 000 ani.
Metodici noi de cercetare
Pe langa metodele clasice de studiu aplicate sedimentelor (granulometrie, mineralogie, geochimie,
micro si macropaleontologie) in proiectul PN 31­068 vor fi aplicate tehnici noi de investigare
(datari cu radiocarbon, termolunimiscenta, tomografie, radiografie etc) in vederea cresterii
preciziei mai ales pentru datare.
Metoda radiocarbonului poate fi aplicata datarii probelor geologice, chiar daca aceasta are o
limitare de varsta de maximum 50 000 de ani (pentru scintilatia lichida) si 70 000 de ani (pentru
spectrometria de masa cu particule accelerate).
In vederea obtinerii unor rezultate cat mai precise de varsta pe probe geologice (mai ales de natura
biogena; ex. cochilii de moluste), metoda C­14 va utiliza Acidul Oxalic I (C2H2O4) produs de
National Institute of Standards and Technology USA (NIST). 95% din activitatea acidului oxalic
din anul 1950 este egala cu activitatea masurata a standardului absolut de radiocarbo,n care este
lemnul din 1890. Acesta din urma a fost ales ca standard de C­14 pentru ca a crescut inaintea
efectelor combustibililor fosili din perioada revolutiei industriale.
85

In vederea cunoasterii detaliate a metodei, in raport sunt prezentate atat avantajele cat si
dezavantajele/limitarile metodei. Au fost evidentiati parametrii obligatorii ce trebuie evaluati in
vederea estimarii varstei conventionale a radiocarbonului (Conventional Radiocarbon Age, CRA).
De asemena, au fost descrise tehnicile de analiza a radiocarbonului (scintilatia lichida si
spectrometria de masa cu particule accelerate).
S­a insistat pe faptul ca precizia metodei poate fi afectata de posibila contaminare post­depunere a
probei analizate, acest fapt impunand corectii de fractionare izotopica si comparare cu trasori
cronologici acceptati ai locatiei de recoltare.In vederea preintampinarii acestor neajunsuri au fost
descrise mai multe metode de pretaratare si tratare a probelor, in vederea determinarii varstei
corecte a probelor examinate
Tomografie si radiografie digitala
Tomografia computerizata si radiografia digitala sunt doua metode de investigare nedistructiva cu
un mare potential de aplicabilitate in studiul sedimentelor neconsolidate si, in general, in studiul
probelor geologice, recomandand aceasta metoda pentru a fi utilizata la o examinare preliminara a
carotelor cu sedimente neconsolidate imediat ce acestea vor fi recoltate.
In studiul complex al esantioanelor geologice, metodele aduc informatii atat calitative cat si
cantitative privind structura interna, cu o rezolutie spatiala egala cu 0,05% din dimensiunile probei
studiate.
Bazata pe masurarea atenuarii unui fascicol de raze X sau gama de catre un obiect, metoda
tomografica permite reconstructia digitala a functiei de distributie a coeficientului liniar de
atenuare intr­o sectiune a obiectului investigat. Din acest motiv, imaginea tomografica reproduce
pe o scala liniara functia de distributie ceea ce permite localizarea in spatiu a pozitiei diferitelor
detalii ale structurii interne.
Ambele metode mentionate pun in evidenta structuri sedimentare interne, precum: prezenţa
bioturbatiei in sedimentele superficiale, bioglife in sedimente profunde, fragmente de cochilii
de moluste, existenta incluziunilor minerale, alternanta laminelor de densitati si granulatii
diferite, prezenta fisurilor, alternanta fina a ritmitelor, prezenta stratelor de portelanit
intercalate intre zone diatomitice, deformarea rocilor supuse stressului tectonic, deformarea
sedimentelor datorita prezentei gazului metan, structura interna a nodululor de mangan, influenta
conditiilor externe, inclusiv cele climatice, asupra sedimentelor in timpul acumularii lor etc.
Datarea sedimentelor prin metoda termoluminescenta
Dezvoltarea in ultimii ani de noi metode de datare evidentieaza trei dintre acestea, care se bazeaza
pe detectarea si cuntaficarea alterarilor produse de radiatia acumulata, in vederea stabilirii varstei
atat a mineralelor si a fragmentelor de natura organica (fosile). Aceste metode, numite fiecare dupa
fenomenul fizic care face detectia posibila, sunt termoluminiscenta (TL), luminiscenta simulata
optic (LSO) si rezonanta electronica de spin (RES).
Termoluminiscenta apartine familiei de procese colective cunoscute sub termenul generic de
“fenomene stimulate termic”, acoperind un palier de varsta cuprins intre 1000 si 500.000 de ani.
86

Ca metoda, termolumiscenta este utilizata in combinatie cu stratigrafierea prin seriile naturale ale
U precum si C­14, si se poate aplica la determinarea numerica a varstelor pentru: depozite
loessoide si siltice; dune sau strate de nisip; umpluturi ale fisurilor; cenusa si sticla vulcanica;
materile aluviale si coluviale; depozite fluviatile si de lunca, deltaice, lacustre, de balta,
mlastinoase sau turbarii; datari pe obiecte istorice.
Metode statistice multivariate de analiză a datelor primare
In vederea unei abordarii moderne a prelucrarii statistice a datelor, inclusiv geologice,
geocronologice sau de alta natura, sunt prezentate principiul analizei de componente principale, cu
exemplificare pe un set de date originale provenind dintr­o carotă colectata din zona anoxica a
Marii Negre, cu referire la distributia pamanturilor rare.
Analiza de componente principale este o metoda statistica multivariata de analiza a datelor
experimentale ce poate fi folosita cu succes la analiza unor masive de date pentru a releva existenta
diferitelor corelatii sau asociatii ale acestora in functie de provenienta, afinitati chimice, procese de
distributie/redistributie, etc., fiind, din acest punct de vedere, extrem de utila in analiza datelor
privind prelucrarea datelor geologice/geocronologice, sau a altor tipuri de date specifice
proiectului, ca si a posibilelor lor surse.
Exemplele prezentate ilustreaza utilizarea predilecta a analizei de componente principale, inclusiv
in studii de poluare, iar pe de alta parte, indica o directie de investigatie care va fi urmata in
realizarea prezentului proiect.
Metoda va fi utilizata in cadrul proiectului pentru prelucrarea datelor care vor fi obtinute.
Probele (sedimente, minerale, fosile) care vor fi supuse unui set de analize complexe vor fi
prelevate pe profile reprezentative, dispuse pe unitati structurale deltaice majore (paleodelte). Pe
baza rezultatelor se va obtine o imagine imbunatatita a evolutiei Deltei Dunarii si partii de NV a
Marii Negre.
Prin compararea datelor geologice/geocronologice cu procesele sedimentare si climatice actuale va
fi posibila obtinerea unei previziuni referitoare la schimbarile de clima si nivel al marii, cu efecte
asupra zonei de coasta.
87

10. BIBLIOGRAFIE
Aylmore, L.A.G. (1993) Use of computer assisted tomography in studying water movement
around plant roots, Advances in Agronomy, 49, 1–54.
Almazov A. A., Bondar C., Diaconu C., agherderim V, Mihailov V. N., Mita P., Nichiforov I., Rai
I. A., Rodionov N. A., Stanescu S., Stanescu V., Vaghin N. F. 1963. Zona de varsare a Dunarii.
Monografie hidrologica. Ed. Tehnica. Bucuresti
Amos, C.L., Sutherland, T.F., Radzijewski, B., Doucette, M. (1996) A rapid technique to
determine bulk density of fine grained sediments by X­ray computed tomography. Journal of
Sedimentary Research, 66, 1023–1024.
Antipa Gr. 1914. Cateva probleme stiintifice si economice privitoare la Delta Dunarii. An. Ac.
Rom. Mem. Sectia St., Ser. II, T. XXXVI, Bucuresti
Banks C.J., Robinson A.G, (1997). Mesozoic strike­slip back­arc basins of the western Black Sea
region. In: A.G. Robinson, editor, Regional and Petroleum Geology of the Black Sea and
Surrounding Regions. AAPG Memoir no 68, 53­62.
Barrett, H.H., Swindell, W. (1981) Radiological Imaging: the Theory of Image Formation,
Detection and Processing, Academic Press, New York.
Bocaletti M., Gocev P., Manetti P., (1974). Mesozoic isopic zones in the Black Sea Region.
Bolletino di Geofisica Teorica e Applicata, 30, 197­324.
Boespflug, X., Ross, N., Long, B., Dumais, J. F. (1994) Tomodensitométrie axiale: rélation entre
l'intensité tomographique et la densité de la matiere. Canadian Journal of Earth Science 31,
426­434.
Boespflug, X., Long, B., Occhietti, S. (1995) Cat­scan in marine stratigraphy: a quantitative
approach. Marine Geology, 122, 281­301.
Bouma A.H. (1964) Notes on X­ray Interpretation of Marine Sediments, Marine Geology, 2, 278 –
309.
Bracewell, R.N. (1956) Strip integration in radioastronomy, Australian Journal of Physics, 9, 198­
217.
Bracewell, R.N., Riddle, A.C. (1967) Inversion of fan­beam scan in radio astronomy, Astrophysics
Journal, 150, 427­434.
Bratescu C. 1921. Delta Dunarii – Schita morfologica. Bul. Soc. Reg. Rom. Geogr., Bucuresti
Bratescu C. 1933. Profile cuaternare in falezele Marii Negre. Bul. Soc. Reg. Rom. Tom LII,
Bucuresti
Bratescu C. 1942. Oscilatiile de nivel ale apelor si bazinului Marii Negre in Cuaternar. Bul. Soc.
Reg. Rom. Tom LXI, Bucuresti
Bronk Ramsey C., Development of the Radiocarbon Calibration Program, Radiocarbon 43, 2001,
pp 355­365
Bryant C., Carmi I., Cook T. G., Gulliksen S., Harkness D., Heinemeier J., McGee E., Naysmith
P., Possnert G., Scott E. M., Van der Plicht J., Van Strydonck M., Is Comparability of 14 C
Dates an Issue?: A Status Report on The Fourth international Radiocarbon Intercomparison,
Radiocarbon 43, 2001, pp 321­325
Caers, J., Swennen, R., Vervoort, A. (1997) Petrography and X­ray computerized tomography
applied as an integral part of a rock mechanics investigation of discontinuities. Transactions of
the Institute of Mining and Metallurgy, Section B­Applied Earth Science 106, B38­B45.
Charboneau, P., Hare, L., Carignan, R. (1997) Use of X­ray images and contrasting agents to study
the behavior of animals in soft sediments, Limnology and Oceanography, 42, 1823­1828.
88

Ciocardel R. 1937. Influence des vents sur l’evolution du Delta du Danube. C. R. Ac. Des Sci.
Roum., I, 5­6, Bucuresti Davies, J.D. (2002) Statistics and Data Analysis in Geology. J.
Wiley & Sons, New York
Cooper, M.C. (1997) The use of digital image analysis in the study of laminated sediments, Journal
of Paleolimnology 19, 33–40.
Crémer, J­F., Long, B, Desrosiers, G., Montety, L., Locat, J. (2002) Application de la scanographie
à l’étude de la densité des sédiments et à la caractérisation des structures sédimentaires :
exemple des sédiments déposés dans la rivière Saguenay (Québec, Canada) après la crue de
juillet 1996, Canadian Geotechical Journal , 39, 440–450 (2002)
Danielsson, E., Cato, I., Carmanc, R., Rahma, L. (1999) Spatial clustering of metals in the
sediments of the Skagerrak/Kattegat, Applied Geochemistry 14, 689­706
DelValls, T. A., Forja, J.M. Gonzalez­Mazo, Gomez­Parra, E. A., Blasco, J. (1998) Determining
contamination sources in marine sediments using multivariate analysis, Trends in Analytical
Chemistry, 17, 181­192.
de Miguel, E., Charlesworth, S., Ordóñez, A., Seijas, E. (2005) Geochemical fingerprints and
controls in the sediments of an urban river: River Manzanares, Madrid (Spain), Science of
the Total Environment 340, 137– 148.
Duliu, O.G., Tufan, M., Szobotka, S. (1997) Computer axial tomography investigation of
polymetallic nodules. Marine Geology, 138, 303­311.
Eastoe C. J., Fish S., Fish P., Dulce Gaspar M., Long A., Reservoir Corrections for Marine
Samples from the South Atlantic Coast, Santa Catarina State, Brazil, Radiocarbon 44, 2002, pp
137­145
Eckart, C., Young, B. (1936) The approximation of a matrix by another of lower rank,
Psichometrika, 1, 211­218.
Feldkamp, L.A., Davis,L.D., Kress, J.W. (1984) Practical cone­beam algorithm, Journal of the
American Optical Society, A1, 612­619.
Finetti I, Bricchi G., Del Ben A., Pipan M., Xuan Z., (1988). Geophysical study of the Black Sea
Area. Bolletino di Geophisica teoric a e applicata 30 (117­118), 197­324.
Freifeld, B., Kneafsey, T., Pruess, J., Reiter, P., Tomutsa, L. (2002) X­ray Scanner for ODP Leg
204: Drilling Gas Hydrates on Hydrate Ridge, Cascadia Continental Margin, Progress Report,
LBNL­51327­ July 31, 2002
Frumkin A., Kadan G., Enzel Y., Eyal Y., Radiocarbon Chronology of the Holocene Dead Sea:
Attempting a Regional Correlation, Radiocarbon 43, 2001, pp 1179­1191
Gonzalez, R.C., Wintz P. (1987). Digital Image Processing, 2nd Edition. Addison Wesley,
Reading,
Görür N.1997. Cretaceous syn­ to postrift sedimentation on the southern continental margin of the
western Black Sea Basin. In: A.G. Robinson, editor, Regional and Petroleum Geology of the
Black Sea and Surrounding Regions. AAPG Memoir no 68, 227­240.
Hainsworth, J.M., Aylmore, L.A.G. (1989) Non­uniform soil water extraction by plant root. Plants
and Soil 113, 121–124.
Herman, G.T. 1980. Image Reconstructions from Projections: the Fundamentals of Computed
Tomography, Academic Press, New York.
Hippolyte J. 2002. Geodynamics of Dobrogea (Romania): new constraints on the evolution of the
Tornquist­Teisseyre Line, the Black Sea and the Carpathians. Tectonophysics 357, 33­53.
Hounsfield, G.N. (1973) Computerised transverse axial scanning (tomography) Part 1: Description
of system, British Journal of Radiology, 46, 1016­1022,
Ion J., Iordan M., Mărunţeanu M., Seghedi A. 2002. Palaeogeography of Dobrogea based on
lithofacies mapes of the Moesian cover. GEO­ECO­MARINA 5­6, 73­90.
89

Ionescu C. 1910. Formarea Deltei Dunarii. Bucuresti
Ionescu M. N. 1958. Foraje in Delta Dunarii. Interpretare geomorfologica si hidrogeologica.
Hidrobiologia, I, Bucuresti
Iovea, M., Oaie, G., Ricma, C., Mateias, G., Neagu, M., Duliu, O.G. (2004) Dual energy X­ray
computer axial tomography and digital radiography investigation of cores and other objects of
geological interest, Engineering Geology (in print)
Iovea, M., Oaie, G., Duliu, O.G., M. Bodale, Mateias, G., Neagu, M. (2005) Single and Dual­
energy X­ray Computer Tomography and Digital Radiography Study of Sedimentary Cores, în:
Proceedings of the 7th International Conference MEDCOAST 05, Kusadasi Turcia, October,
2005, pp. 1337­1348
Iovea, M., Neagu, M., Duliu, O.G., Oaie, G., Syobotka, S., Mateias, G. (2007) A Dedicated On­
Board Dual­Energy Computer Tomograph, NDT & E International (submitted).
Ketcham, R.A., Carlson, W.D. (2001) Acquisition, optimization and interpretation of X­ray
computed tomographic imagery: applications to the geosciences, Computers & Geosciences
27, 381–400.
Khan, M.R., Hussein, E.M.A. Gingras, M.K., (2004) An in situ Radiographic System for Imaging
Marine Sediment Proceedings of the 16th World International Conference on Nondestructive
Testing, On CD, Montreal, Canada, August 30 ­ September 3, 2004.
http://www.ndt.net/article/wcndt2004/pdf/other_topics/44_khan.pdf.
Landajo, A., Arana, G., de Diego, A., Etxebarria, N., Zuloaga, O., Amouroux, D. (2004) Analysis
of heavy metal distribution in superficial estuarine sediments (estuary of Bilbao, Basque
Country) by open­focused microwave­assisted extraction and ICP­OES, Chemosphere, 56,
1033–1041Lepsi I. 1924. Ce varsta are Delta Dunarii. Natura, XIII, nr. 2, Bucuresti
Liteanu E., Ghenea C. 1966. Cuaternarul din Romania. St. Teh. Ec., Seria H, nr. 1, 119 p.,
Bucuresti
Liteanu E., Pricajan A., Baltac Gh., 1961. Transgresiunile cuaternare ale Marii Negre si teritoriul
Deltei Dunarii. Acad. RPR, St. Cerc. Geol., Tom 6, 4, Bucuresti
Liteanu E., Pricajan A. 1961. La litologie et les types genetiques des depoux quaternaires du Delta
du Danube. INQUA, 6, Varsovia
Liteanu E., Pricajan A. 1963. Alcatuirea geologica a Deltei Dunarii. Com. Geol., St. Teh. Ec.,
Seria E, 6, Bucuresti
Long, B, Long, B., Desrosiers, G., Crémer, J­F., Locat, J., Stora, G. (2003), Utilisation de la
scanographie pour l’étude des sédiments : influence des paramètres physiques, chimiques et
biologiques sur la mesure des intensités tomographiques, Canadian Geotechical Journal , 40,
937–948.
Lowe D. C., Allan W., A Simple Procedure for Evaluating Global Cosmogenic 14 C Production in
the Atmosphere Using Neutron Monitor Data, Radiocarbon 44, 2002, pp 145­149
Lyons, A.P., Pouliquen, E. (2004) Advances in high­resolution seafloor characterization in support
of high­frequency underwater acoustics studies: techniques and examples, Measurement
Science and Technology, 15, R59–R72.
Lyubov A. O., Zykina V., Radiocarbon Dating of Buried Holocene Soils in Siberia, Radiocarbon
44, 2002, pp 113­123
Mermillod­Blondin, F., Marie, M., Desrosiers, G., Long, B., de Montety, L., Michaud, E., Stora,
G. (2003) Assessment of the spatial variability of intertidal benthic communities by axial
tomodensitometry: importance of fine­scale heterogeneity. Journal of Experimental Marine
Biology and Ecology, 287, pp. 193­ 208
Michaud, E., Desrosiers, G., Long, B., de Montety, L., Crémer, J­F., Pelletiera, E., Locatd, J.,
Gilbertb, F., Stora, G. (2003) Use of axial tomography to follow temporal changes of benthic
90

communities in an unstable sedimentary environment (Baie des Ha! Ha!, Saguenay Fjord).
Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 285­286, pp 265­ 282.
Mihailescu V., Dragomirescu S. 1959. Franjuri periglaciare intr­un sol fosil din faleza Marii negre
la sud de Constanta. Comunicari Acad. RPR, IX/4, Bucuresti
Nadeau M., Grootes P., Voelker, Brukh F., Duhr A., Oriwall A., Carbonate 14 C Background: Does
It Have Multiple Personalities?, Radiocarbon 43, 2001, pp 169­177
Nadel D., Belizky S., Boaretto E., Carmi I., Heinemeier J., Werker E., Marco S., New Dates from
Submerged Late Pleistocene Sediments in the Southern Sea of Galilee, Istrael, Radiocarbon 43,
2001, pp 1167­1179
Nastase G. 1935. Vaile submarine ale Dunarii, Cogâlnicului, Nistrului si Niprului. Bul. Soc. Rom.
Geogr., T. LIV, Bucuresti
Neaga V. I., Moroz V. F.1987. Die jungpalaozoischen Rotsedimente im Sudteil des Gebietes
zwischen Dnestr und Prut. Zeitschrift fur angewandte Geologie, 33, 9, 238­242, Berlin.
Nikishin A.M., Seghedi A., Bolotov S.N., Stephenson R.A. (2000). Crimea and Dobrogea: a
comparison of their Mesozoic geological histories. Geophysical Journal, 4, 114­116.
Nikishin A., Ustaomer T., Robertson A.H.F., Seghedi A., Ziegler P.A., (2001). Role of Crustal
Extension and Basin Inversion in Late Palaeozoic­Early Tertiary Tectonic Evolution of the
South Margin of Eurasia in the Circum Black Sea Region, EUG XI Conference ­ Strasbourg,
France, Abstracts Volume 6, 1, 316.
Onac B., Introducere in geocronologia izotopica, Editura Presa Universitara Clujeana, 2004, pp 40­
48Orsi, T.H., Edwards, C.M., Anderson, A.L. (1994) X­ray computed tomography ­ a
nondestructive method for quantitative analysis of sedimentary cores. Journal of Sedimentary
Research A, 64, 690­693.
Okay A., Görür N. 2004. Tectonic evolution models for the Black Sea. AAPG Regional
International Conference, 90024, Istanbul (Turkey)
Panin N. 1972. Histoire Quaternaire du Delta du Danube. Cercetari marine, nr. 4, 5­15.
Panin N. 1974. Evolutia Deltei Dunarii in Holocen. St. Teh. Ec., Seria H, nr. 5, 108­121.
Panin N. 1976. Some aspects of the fluvial and marine processes in Danube Delta. An. Inst. Geol.
Geof., vol. L, 149­165.
Panin N. 1989. Danube Delta: genesis, evolution, sedimentology. Rev. Roum. Geol., Geoph.,
Geogr. Ser. Geogr., Tome 33, 25­36
Panin N. 2003. The Danube Delta. Geomorphology and Holocene evolution: A synthesis.
Geomorphologie: relief, processus, environment, no. 4, 247­262
Panin N., Ion E., Ion G. 2005. The Danube Delta: Chronology of lobes and rate of sediment
deposition. GEOECOMARINA 9/10, 36­40
Papiu V. C. 1957. Sedimentele marine actuale. Ed. Stiintifica. 174 p. Bucuresti
Patrut I., Paraschiv C., Danet T., Motas L., Danet L., Baltes N. 1983. The geological constitution
of the Danube Delta. An. Inst. Geol. Geof., 59, 55­61
Perez, K.T., Davey, E.A., Moore, R.H., Burn, P.R., Rosol, M.S., Cardin, J. A., Johnson, R.L., Kopans, D.N. (1999) Application of computer aided
tomography (CT) to the study of estuarine benthic communities, Ecological Applications, 9, 1050­ 1058.
Pfannenstiel M. 1950. Die Quartärgeschichte des Donaudeltas. Bonner. Geogr. Abh. Deutschen
Botan. Ges., LXVI, Bonn
Popescu I., Lericolais G., Panin N., Wong H. K., Droz L. 2001. Late Quaternary channel avulsions
on the Danube deep sea fan, Black Sea. Marine Geology, 179, 25­37
Queisser, A., 1988. Nondestructive investigation of natural sandstone by computer tomography.
Bautenschutz Bausainierung 11, 54–60, (în lb, germană).
Reimer P. J., McCormac F. G., Marine Reservoir Corrections for the Mediterranean and Aegean
Seas, Radiocarbon 44, 2002, pp 149­159
91

Richardson, M.D., Briggs, K.B., Bentley, S.J., Walter, D.J., Orsi, T.H. (2002) The effects of
biological and hydrodynamic processes on physical and acoustic properties of sediments off
Eel River, California. Marine Geology, 182, 121­139.
Rizescu, C., Besliu, C., Jipa, A. (2001a) Determination of local density and effective atomic
number by the dual­energy computerized tomography method with the 192Ir radioisotope.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 465, 584­599.
Rizescu, C.T., Georgescu, G.N., Duliu, O.G., Szobotka S.A. (2001b) 3­D dual gamma­ray
computer axial tomography investigation of polymetallic nodules ­ Deep Sea Research I 48:
2529­2540
Rodríguez­Rey, A., Ruiz de Argandoña, V.G., Calleha, L., Suárez del Rio, L.M. (2004) X­ray
tomography characterization of microfissuration on rocks generated by freeze­thaw cycles. In
X­ray for Geomaterials, Soils, Concrete, Rocks: Proceedings of the International Workshop on
X­ray CT for Geometerials­GEOX2003, (J. Otani and Y. Obara Eds.), 6­7 November 2003,
Kumamoto, Japan, Balkema, Lisse, pp. 293­298.
Schultze, D.J., Wiese, D., Steude, J. (1996) Abundance and distribution of diamonds in eclogite
revealed by volume visualization of CT X­ray scans. The Journal of Geology, 104, 109­113.
Seghedi A., Stephenson R., Neaga V., Dimitriu R., Ioane D., Stovba S. 2003. The Scythian
Platform North of Dobrogea (România, Moldova and Ukraine). Abstracts volume AGU­EGU
International Conference, Nice 2003.
Seghedi A. 2007. Cadrul geologic si structural al terenurilor din jurul Marii Negre cu privire
speciala asupra marginii nord­vestice. In Hazard Natural: Evenimente Tip Tsunami in Marea
Negara (Coord. Gh. Oaie; ISBN 978­973­0­05181­0), 11­26, Bucuresti
Sevastos R. 1905. Istoria vaii Dunarii. Arh. Soc. St. Lit. Iasi
Sevastos R. 1907. L’ancien Danube à travers la Dobrogea. Ann. Sc. Univ. Jassy, T. IV, Fasc. 3­4,
Iasi
Soh, W. (1997) Computed tomography scan analysis of site 941 cores, western mass­transport
deposit, Amazon fan, Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results, (R.D.,
Flood, D.J.W., Piper, A., Klaus, and L.C., Peterson Eds.) College Schwarzacher, W. (1964)
An application of statistical time­series analysis of a limestone­shale sequence, Journal of
Geology, 72, 195­213.
Southon J., Kashgarian M, Foutugne M. Metivier B., Wyss W., Marine Reservoir Corrections for
the Indian Ocean and Southeast Asia, Radiocarbon 44, 2002, pp 159­167
Steier P., Rom W., Puchegger S., New methods and Critical Aspects in Bayesian Mathematics for
14 C Calibration, Radiocarbon 43, 2001, pp 373­ 381
Şengör A.M.C., Yilmaz Y. 1981. Tethyan evolution of Turkey: a plate tectonic approach.
Tectonophysics 75, 181­241.
Tam, N.F.Y., Wong, Y.S. (2000) Spatial variation of heavy metals in surface sediments of Hong
Kong mangrove swamps, Environmental Pollution 110, 195­205.
Tiseanu, I ., Craciunescu, T., Mandache, N.B., Duliu, O.G. (2005) ­X­Ray computer axial
tomography application in life sciences, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials,7,
1073 – 1078.
Tivey, M.K., Singh, S. (1997) Nondestructive imaging of fragile sea­floor vents deposit samples.
Geology, 25, 931­934.
Tivey, M.K. (1998) Documenting textures and mineral abundances in minicores from the tag
active hydrothermal mound using x­ray computed tomography, în Proceedings of the Ocean
Drilling Program, Scientific Results (P.M., Herzig, S.E., Humphris, D.J.,Miller,
R.A.Zierenberg Eds.), College Station, TX (Ocean Drilling Program), Vol. 158, 201­210.
92

Van der Plicht J., Bruins H., Dating in Near­Eastern Contexts: Confusion and Quality Control,
Radiocarbon 43, 2001, pp 1155­ 1167
Van Geet, M., Swennen, David, P. (2001a) Quantitative coal characterisation by means of
microfocus X­ray computer tomography, colour image analysis and back­scattered scaning
electron microscopy. International Journal of Coal Geology, 46, 11­25
Vasaru Ghe., Cosma C., Metode de datare prin fenomene nucleare naturale, Editura Dacia, Cluj
Napoca, 1998
Vâlsan G. 1934. Nouvelle hypotese sur la Delta du Danube. C. R. Congr. Int. Geogr., Varsovia
Yilmaz Y., Tüysüz E., Yigitbas, E., Can Genc, S., Şengör A.M.C.1997. Geology and tectonic
evolution of the Pontides. In: A.G. Robinson (Ed.), Regional and petroleum geology of the
Black Sea and surrounding areas, AAPG. Mem., 68: 53­62.
Yu, K­C., Tsa, L­J., Chen, S­H., Ho, S­H. (2001) Correlation analyses on binding behavior of
heavy metals with sediment matrices, Water Resource, 35, 2417–2428
Zenkovitch V. P. 1956. Monografia si dinamica coastelor sovietice ale Marii Negre. Ed. Ac.
URSS. Moscova.
Zheng Y., Anderson R., Froelich P., Beck W., McNichol A., Guilderson T., Challenges in
Radiocarbon dating Organic Carbon in Opal­Rich Marine Sediments, Radiocarbon 44, 2002,
pp 123­137 Winguth C., Wong H. K., Panin N., Dinu C., Georgescu P., Ungureanu G.,
Krugliakov V. V., Podshuveit V. 2000. Upper Quaternary water level history and
sedimentation in the northwestern Black Sea. Marine Geology, 167, 127­146
Wong H. K., Winghth C., Panin N. Dinu C., Wollschlager M., Georgescu P., Ungureanu G.,
Krugliakov V. V., Podsuhveit V. 1997. The Danube and the Dniepr fans : Morphostructure and
Evolution. GEOECOMARINA, 2, 77­102.
93