Vlastnosti K,U,Th a spektrometrické metody jejich měření
Yüklə 220 Kb.
|
|
MASRYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV GEOLOGICKÝCH VĚDMartin Pavlík Korelace dat letecké, pozemní a laboratorní gamaspektrometrie
Vedoucí práce: Doc. RNDr. Jaromír Leichmann, Dr. Rer nat. Brno 2009 Obsah 1. Radioaktivita a druhy radioaktivního záření…………..………….…….…..3 1.1 Základní informace o prvcích (uran, thorium, draslík)…………….……3 1.2 Uran……………………………………………………………………...4 1.3 Thorium…………………………………………………….……………6 1.4 Draslík…………………………………………………….……………..7
2.1 Princip gamaspektrometrie………………………................................... 8 2.2 Letecká spektrometrie gama…………………………………….……….9 2.3 Automobilový průzkum gama……………………………………….....10 2.4 Pěší průzkum gama…………………………………...………………...10 2.5 Hloubkový průzkum gama……………………………………………...11 2.6 Laboratorní měření……………………………………………...………11
1. Radioaktivita a druhy radioaktivního záření Radioaktivita je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká radioaktivní záření. Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel u solí uranu. Becquerel zjistil, že sloučeniny uranu vysílají určité neviditelné záření, které působí na fotografickou desku, vzbuzuje fluorescenci a silně ionizuje vzduch. K objasnění podstaty radioaktivity zásadním způsobem přispěli francouzští fyzikové Pierre Curie a Maria Curie-Skłodowska, kteří zkoumali složení uranové rudy – smolince. Záření, které při radioaktivním rozpadu vzniká, jsou čtyři druhy. Tím prvním je záření alfa. Je to proud jader helia, tedy alfa částic, který nese kladný elektrický náboj. Alfa částice se pohybují poměrně pomalu a mají malou pronikavost, ale zato mají silné ionizační účinky na okolí. Toto záření má nejkratší dosah a dá se lehce odstínit (například listem papíru). Druhým zářením je záření beta, což jsou částice (elektrony nebo pozitrony), které jsou vysílány radioaktivními jádry prvků při beta-rozpadu. Pohybují se velmi rychle, nesou kladný nebo záporný elektrický náboj. Jejich pronikavost je větší než u alfa částic, mohou pronikat materiály s nízkou hustotou nebo malou tloušťkou. K jejich zastavení stačí vrstva vzduchu silná 1 m nebo kovu o šířce 1 mm. Třetím zářením je záření gama. Gama záření je elektromagnetické záření vysoké frekvence (nad 2,42 EHz). Nenese žádný elektrický náboj, a proto nereaguje na elektrické pole. Do materiálu proniká lépe než záření alfa a beta. Čtvrtým, posledním zářením, je záření neutronové. Neutronové záření je proud neutronů, které nenese žádný elektrický náboj. 1.1 Základní informace o prvcích (uran, thorium, draslík) V přírodě je dnes známo přes 230 typů radioaktivních jader atomů. Rozpadem přirozených radioaktivních prvků v horninách vzniká záření alfa, beta a gama a uvolňuje se teplo. Radioaktivita hornin se nejčastěji určuje měřením záření gama, které má největší průchodnost hmotou. Pro gama aktivitu hornin má zásadní význam jen přítomnost U, Th a jejich produktů rozpadu a K. Ostatní radioaktivní prvky se na aktivitě hornin podílejí hodnotami až o druhou desítku řádů nižšími. Zanedbatelnost účinku ostatních prvků při stanovení gama-aktivity hornin byla prokázána též experimentálně (Matolín 1967). Při měření povrchu je též detekováno gama-záření radioaktivního spadu, který je koncentrován v úzké vrstvě hornin při povrchu. Radioaktivita magmatických hornin roste s rostoucí kyselostí horniny. Je však nutné posuzovat skupiny hornin SiO2 přesycených, nasycených a nenasycených jednotlivě. Efuzivní formy magmatických hornin bývají aktivnější než jejich ekvivalenty hlubinné. Radioaktivita fonolitů, syenitů a granodioritů bývá vysoká. Za to extrémně nízkou aktivitou se vyznačují ultrabazika a bazika. Pro ukázku poslouží distribuce prvků pro granity dle Manové a Matolína (1995) (tab.1), kteří upozorňují na možnost vysokých rozpětí výskytu těchto prvků.
Tabulka 1. Obsahy prvků v kyselých horninách – převzato z Manová, Matolín (1995) Radioaktivita sedimentů primárně závisí na usazovaném materiálu. Největší aktivitu mají jíly, jílovce a draselné soli. Naopak nejméně aktivní je vápenec, sádrovec, křemenec a kamenná sůl. Mořské sedimenty mají koncentrace radioaktivních prvků zpravidla vyšší než sedimenty kontinentální. V pokryvných útvarech je přítomnost radioaktivních prvků podmíněna matečnou horninou a klimatem. V aridních oblastech bývá povrchová kůra hornin obohacena uranem, kdežto v humidních oblastech je uran z povrchových vrstev vyluhován. Radioaktivita hornin metamorfovaných bývá převážně stejná jako u výchozího materiálu. Pouze v některých případech injekční metamorfózy může být radioaktivita snížena či zvýšena v závislosti na povaze metatektu. Extrémně nízkou radioaktivitou se vyznačují amfibolity a serpentinity. Naopak vyšší radioaktivita je charakteristická pro některé ortoruly. Koncentrace radioaktivních prvků ve vodách je až o 4 řády nižší než v horninách (Matolín 1970). 1.2 Uran V přírodě se uran vyskytuje jako směs izotopů 238U (99,276 %) a 235U (0,718 %) a jen ve velmi malé míře 234U (0,004 %). Oddělení hlavních izotopů uranu 238U a 235U je poměrně obtížné. Z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky identické a i jejich odlišnosti ve fyzikálních vlastnostech jsou velmi malé. Průměrná koncentrace uranu v zemské kůře je průměrně okolo 2 – 4 ppm U. V převážné většině se jedná o izotop 238U (99,274%) s poločasem rozpadu T = 4,5.109 let. Rozpad U je zdrojem α, β a γ záření.
U
ran je radioaktivní prvek, patřící mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. V čistém stavu jde o stříbrobílý lesklý kov, který se při kontaktu se vzduchem pokrývá vrstvou oxidů. Není příliš tvrdý (dá se za obyčejné teploty kovat či válcovat). Uran patří pro svou hustotu k nejtěžším prvkům vůbec (asi o 70 % těžší než olovo). (Gažo a kol. 1974) V horninách je uran přítomen ve dvou formách: tvoří samostatné minerály nebo je izomorfně přimíšen v horninotvorných minerálech. Samostatné minerály uranu jsou původem vázány na magmatická centra, typické jsou v pegmatitech a hydrotermálních žilách. Vlastními minerály jsou uraninit, coffinit, a další.V horninách se uran nachází ve zvýšených mírách především v akcesorických minerálech (titanit, zirkon, apatit, monazit, xenotim, ortit). Koncentrace uranu se v jednotlivých typech hornin liší. Obecně lze říci, že v usazených, sedimentárních horninách se setkáváme s nižšími koncentracemi uranu než v horninách přeměněných. Nejvyšší koncentrace uranu jsou obvyklé ve vyvřelých, magmatických horninách V horninách je uran značně pohyblivý za různých teplotních a tlakových podmínek. Uran dále tvoří sekundární fáze například tzv. uranové slídy (fritzscheit, urunocircit, nováčekit, torbernit…). Uran se v přírodě vyskytuje ve dvou valencích a to jako čtyř valentní a šesti valentní, v níž je značně mobilní (Faure 2001). Uran se dále vyskytuje v mořské vodě, kde jeho koncentrace dosahují 3,3 mikrogramů na litr vody. Uran se vyskytuje i v uhlí, z kterého by v budoucnu mohla být podstatná část uranu získávána. Uranové rudy se ve velkém množství vyskytují v Kanadě, Austrálii, USA, Rusku a střední a jižní Africe. V Evropě se uran těží nebo těžil v Sasku, Rumunsku, Ukrajině a v Česku ( dosud činný důl je poblíž Dolní Rožínky).
Obr. 2 Uranový důl Dolní Rožínka (www.diamo.cz) 1. 3. Thorium Thoriu je druhým členem z řady aktinoidů. Je to radioaktivní, stříbřitě bílý kovový prvek, který se na vzduchu, stejně jako uran, pokrývá vrstvou oxidů. Průměrná koncentrace thoria v zemské kůře je 8 – 12 ppm Th. V přírodě se vyskytuje v šesti izotopech, největší význam má 90Th232. Poločas rozpadu je 1,4.109 let. Rozpad je zdrojem α, β a γ záření. Thorium vytváří, podobně jako uran, kyslíkaté sloučeniny a silikáty. V horninách je thorium přítomno ve zvýšené míře v akcesorických minerálech (apatit, titanit, zirkon, monazit..).Významným geochemickým znakem thoria je jeho stabilita. Většina Th se zachycuje v horninotvorných nerostech, které vznikají v počátečních stádiích krystalizace magmatu. Všechny thoriové nerosty jsou nerozpustné a téměř nevětrají. Prakticky jedinou formou pohybu thoria je mechanický transport. Rozpadem U a Th vzniká inertní bezbarvý plyn známý jako radon. Radon je zdrojem záření alfa (Faure 2001). Hlavní velká ložiska thoriových rud se nachází v Austrálii, Skandinávii, USA, Číně a Indii.
Draslík je prvek z řady alkalických kovů, který je hojně zastoupený v zemské kůře, mořské vodě i živých organismech. Je to měkký, lehký, stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Je lehčí než voda, na které plave. Dobře vede elektrický proud a teplo. Draslík se v zemské kůře vyskytuje v průměrné koncentraci okolo 2,5 hm. %. Izotop 19K40 přítomný 0,012 hm.% mezi třemi izotopy draslíku, je jediný radioaktivní. Poločas rozpadu izotopu draslíku je 1,415.109 roků. V magmatických a metamorfovaných horninách mají největší obsah draslíku draselné živce, biotit, muskovit, leucit a nefelín. Pět až desetkrát nižší obsah draslíku mají plagioklasy.
Radiometrie je obor zabývající se přirozenou radioaktivitou hornin a zemin na povrchu země a v jeho blízkosti. Používají se ke kvantitativnímu a kvalitativnímu stanovení přirozeně radioaktivních prvků v horninách, vzduchu a vodách. Radiometrické metody můžeme dělit dle druhu detekovaného záření na: alfa, beta, gama a neutronové. Dále se tyto metody dají dělit na metody měření úhrnné aktivity a na metody spektrometrické (Mareš et al. 1979). Velký rozvoj jaderných metod ve druhé polovině dvacátého století umožnil jejich široké využití i v oboru geologie. Měření radioaktivity se uplatňuje hlavně k vyhledávání a průzkumu radioaktivních ložisek nerostných surovin, k tvorbě map, v hydrologii a inženýrské geologii, v geochemii a k detekování rizik spojených s radonem a radioaktivitou. Značně se radiometrické metody uplatňují při průzkumu radioaktivních surovin (hlavně uranu). Radioaktivní záření přírodních objektů se měří z letadel, tzv. leteckou gamaspektrometrií, automobilů, pomocí přenosných ručních přístrojů, ve vrtech a na mořském dně. Dále pak laboratorními metodami, které se vyznačují možností stanovení velkého množství prvků a vysokou přesností výsledků. Volba metod a typu průzkumu závisí na řešeném úkolu, na velikosti zkoumaného území a jeho přístupnosti, druhu nerostné suroviny a její genezi a v neposlední řadě na technické vybavenosti a ekonomické náročnosti. Hlavním kritériem při vyhledávání a mapování je obnažení hornin. V oblastech zakrytých se uplatňuje vrtný průzkum, naopak v odkrytých oblastech jde o průzkum letecký či povrchový. Při měření velkých ploch či ve špatně přístupných oblastech se uplatňuje letecký průzkum, který bývá podkladem pro pozemní měření. Povrchový průzkum může být veden buď automobilovou spektrometrií nebo pěším průzkumem , který se zaměřuje na zjištění anomálií radioaktivity a výzkum vymezených geologických objektů. Nejčastěji používanou metodou měření radioaktivity hornin je měření záření gama. Koncentraci radioaktivních prvků v horninách stanovenou měřením úhrnné aktivity lze vyjádřit smluvními jednotkami geologického výzkumu Uekv. 1 ppm U. Při interpretaci výsledků měření je důležité určovat faktory ovlivňující naměřené hodnoty. Při leteckém měření je nutné počítat se stíněním aktivity gama hornin lesními pokryvy. Zvodnění hornin deštěm snižuje koncentrace měřených složek U, Th, K. Aktivita hornin je rovněž ovlivněna změnami teploty a tlaku. 2.1 Princip gamaspektrometrie Jak již vyplývá z označení gamaspektrometrie, je touto metodou detekováno záření gama. Toto záření je nejčastěji detekováno měřícím přístrojem - gamaspektrometrem. Gamaspektrometr se skládá z analyzátoru a řídící jednotky. Laboratorní gamaspektrometr bývá řízen počítačem. Jako analyzátor se většinou používá monokrystal jodidu sodného. Jakmile záření pronikne dovnitř analyzátoru, je transformováno na slabé světelné pulsy a to proporcionálně k energii záření. Dále je zesíleno ve speciálním zesilovači, kde se zároveň oddělí záření s různou energií. Teprve potom je záření fyzicky změřeno (Muset et al. 2000). Výsledkem měření jsou koncentrace U, Th, K. K samotné detekci se však používá produktů jejich rozpadu, které emitují mnohonásobně vyšší množství energie a proto jsou k detekci vhodnější (Muset et al. 2000). Následně přístroj přepočítá tyto hodnoty dle konstant koncentrace na koncentrace zájmových prvků. Tato metoda je využitelná jak v laboratoři, tak v terénu. Používá se pro regionální i velmi přesná měření. Výsledky měření radioaktivity mohou být zatíženy nahodilými, systematickými i hrubými chybami. Nahodilé chyby jsou způsobeny statistickým charakterem radioaktivního rozpadu, neboť v dané hmotě radioaktivního prvku o velmi dlouhém poločasu rozpadu se ve stejných časových intervalech nerozpadá stejný počet atomů. K chybám systematickým patří chyba z mrtvé doby radiometru. Detekce a registrace každé částice trvá určitou dobu, ve které přístroj nereaguje na další dopadlé částice. Vzhledem k tomu nemusí být některé částice dopadlé do detektoru registrovány. Systematické chyby může způsobit rovněž nesprávné cejchování přístroje. 2.2 Letecká spektrometrie gama Letecká spektrometrie gama se užívá ke stanovení obsahů K, U, Th v horninách při vyhledávání radioaktivních i neradioaktivních surovin a geochemickém mapování (Mareš et al. 1979). Při leteckém průzkumu se registruje záření gama. Intenzita gama záření hornin ubývá s výškou v závislosti na velikosti plochy povrchového zdroje záření. Spektrum energie záření gama je dobře rozlišitelné do výšky 150 m. Šířkový dosah měření se obvykle vztahuje k průměru kruhové plochy, která pro danou výšku detekce produkuje 90% detekovaného záření. Naměřené hodnoty jsou ovlivněny členitostí terénu. Při měření nad negativním tvarem terénu jsou naměřeny zvýšené hodnoty záření gama a nad pozitivním tvarem terénu snížené hodnoty aktivity gama hornin (Mareš et al. 1979). Tyto rozdíly hodnot můžou být až do desítky procent. Letecké měření je ovlivněno i pokryvem (např. lesy stíní gama záření hornin až do 35%). Pozaďová hodnota se určuje měřením nad vodní plochou o hloubce minimálně 2 metry a ve vzdálenosti 400 metrů od břehu v plánované výšce pro letecké měření. Samotný průzkum se provádí letadly nebo vrtulníky. Průzkum bývá veden v měřítkách 1:100 000 až 1:10 000, v rovinatých terénech v rovnoběžné síti profilů, v členitém terénu metodou vrstevnicového létání. Výška letu se volí od 30 do 120 metrů a rychlost letu bývá 50 až 200 km/h. Letecké měření úhrnné aktivity gama nám dává základní informace o radioaktivitě hornin. Samotná letová operace zahrnuje přípravu a nastavení spektrometru, měření kontrolního profilu a vlastní měření. Zpracování dat se provádí z magnetického záznamu v pozemním výpočetním středisku. Letecké spektrometry se skládají z detektoru, jednotky stabilizace zesílení impulsů, analyzátoru, intervalometru a jednotky digitální registrace dat. Letecké gama spektrometry jsou přístroje relativní, což znamená, že vyžadují přesnou sezónní kalibraci. Tato kalibrace bývá prováděna každou leteckou sezónu (Gnojek 2005). Proces kalibrace je následující: měřením na Th, U a nulovém standardu se stanoví tzv. stripping faktory, které se opraví pro pracovní výšku letu. Citlivosti spektrometru je nutno stanovit porovnáním hodnot měřených nad cejchovacím profilem 2 až 5 km dlouhým a 0,6 km širokým, opravených na pozadí, na interferenci záření gama prvků K, U, Th a na výšku letu s pozemními hodnotami koncentrací K, U a Th v hornině (Mareš et al. 1979). 2.3 Automobilový průzkum gama Automobilový průzkum se užívá k průzkumu radioaktivních i neradioaktivních surovin, ke geochemickému mapování a k ověřování výsledků zjištěných leteckým průzkumem. Na změřené hodnoty mají vliv nerovnosti terénu (zářezy, svahy), které můžou změnit naměřené údaje až o první desítky procent. Rychlost vozidla se volí podle účelu měření, na šířce předpokládané anomálie a jejich radioaktivitě. Aparatury pro automobilovou spektrometrii jsou podobné aparaturám leteckým. Jako detektoru se užívá krystal NaI o objemu 2000 cm3. Přirozené pozadí se určuje měřením nad vodní plochou minimálně 2 metry hlubokou a 50 metrů od plochého břehu. Terénní měření je vedeno v měřítcích 1:25 000 (vhodné pro vyhledávání a mapování) až 1:2 000 (detailizace anomální radioaktivity). Samotné měření je vedeno v nepravidelné síti profilů po přírodních cestách. Výsledky se zobrazují jako mapy profilů či izolinií. 2.4 Pěší průzkum gama M Obr. 3 Terénní gamaspektrometr RS-111 radioaktivity a ke geochemickému mapování. Spektrometry se skládají z detektoru, analyzátoru a výstupu pro signalizaci měřených veličin. Jako detektoru se užívá krystalů NaI o velikosti 50x50 mm až 80x80 mm. Hmotnost spektrometrů je 4 až 7 kg. Před vlastním měřením je nutná kalibrace přístroje, hodnota přirozeného pozadí se stanoví nad vodní plochou. Postup při měření gama aktivity vyžaduje přípravu přístroje, kontrolní záměr pracovním standardem, záměr na kontrolním bodě a měření v zájmové oblasti. Detektor se umisťuje dle volby nad povrch, na povrch, nebo do vyhloubených jamek, shodnost podmínek měření na všech bodech musí být zachována (Mareš et al. 1979). Doba trvání měření na jednom bodě je obvykle 2–4 minuty. Výsledky měření získáme odečtením pozaďových hodnot a převedením na výsledné jednotky, dle kalibrace. 
2.5 Hloubkový průzkum gama Hloubkový průzkum využívá penetračně vrtných zařízení a umožňuje zjišťování radioaktivity hornin podloží v oblastech mocných útvarů. Vrty se hloubí pojízdnými vrtnými soupravami. Při průzkumu se užívá techniky zatlačování, rotačního vrtání a příklepu. Průměr vrtu je 45 až 90 milimetrů. Obvyklá měřítka průzkumu jsou 1:50 000. 2.6 Laboratorní měření K
 laboratornímu měření se používá například spektrometr RT-50 LAB s napojením na váhu a počítač. Jedná se 1024 - kanálový spektrometr s válcovým detektorem NaI(TI) 76x76 mm v olověném stínění, který je ovládán pomocí softwaru LAB Center z počítače. Program vypočítává koncentrace nebo hmotnostní aktivity přirozeně radioaktivních prvků nebo jiných radionuklidů z porovnání naměřených spekter vzorků se spektry pracovních etalonů o
známé koncentraci nebo aktivitě jednotlivých radionuklidů. Vzorky pro laboratorní měření se odebírají v předem zvoleném místě v dostatečném množství. Vzorky můžou být jak čerstvé, tak i zvětralé. Před měřením je nutná úprava vzorku. Úprava vzorku probíhá tak, že je nutné horninu podrtit do určené frakce (jednotlivé komponenty by neměli být větší jak 10 mm), vysušit a homogenizovat. Takto upravený vzorek se poté dá do kelímku, uzavře víčkem, zváží a vloží do přístroje, kde je po dobu 30 minut měřen. Detekční limity laboratorního gamaspetrometru Citlivost měření na gamaspektrometru ovlivňují faktory, jako jsou např. doba měření, hmotnost vzorku a pozice vůči detektoru. Následující tabulky udávají detekční limity pro základní typy dodávaných etalonů a běžně používané doby měření. Údaje se vztahují pouze k laboratornímu přístroji. Detekční limity jsou udávány pro všechny radionuklidy a metody dodávané výrobcem, jiné detekční limity se mohou matematicky odvodit.
Tabulka 2. Detekční limity – etalony G100
Tabulka 3. Detekční limity – etalony G250 3. Závěr Radiometrie je obor zabývající se přirozenou radioaktivitou hornin a zemin na povrchu země a v jeho blízkosti. Používají se ke kvantitativnímu a kvalitativnímu stanovení přirozeně radioaktivních prvků v horninách, vzduchu a vodách. Nejčastěji používanou metodou měření radioaktivity hornin je měření záření gama. Při měření velkých ploch či ve špatně přístupných oblastech se uplatňuje letecký průzkum, který bývá podkladem pro pozemní měření. Povrchový průzkum může být veden buď automobilovou spektrometrií nebo pěším průzkumem , který se zaměřuje na zjištění anomálií radioaktivity a výzkum vymezených geologických objektů. V mé práci se budu zabývat doplněním výsledků letecké gamaspektrometrie o pozemní a laboratorní měření. Dále pak porovnání výsledků těchto jednotlivých metod a zhodnocení jejich významu pro geologické interpretace. Jako zdroj výsledků z letecké geofyziky mi bude geofyzikální mapa okolí obce Řikonín, která byla vyhotovena v rámci projektu Inchembiol a na které je vyznačena výrazná anomálie U, Th a K. Pro pozemní a laboratorní gamaspektrometrii budou data změřena přímo v terénu na tělese durbachitů, respektive v laboratoři z jejich vzorků. 4. Použitá literatura
Geological Geophysics -Cambridge Univesity press, UK Zachovalová K., Leichmann J., Štelcl J., (1998): Petrologie, geochemie a přirozená radioaktivita durba chitů třebíčského masivu podél třebíčského zlomu.- Acta Mus Moravia Sci. Geol. 84:71-88 Brno Yüklə 220 Kb. Dostları ilə paylaş:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
etoda se dá použít v plošně omezených územích jako průzkumná, vyhledávající nebo detailizační. Gamaspektrometrie s přenosnými spektrometry se užívá ke kvalitativnímu a kvantitativnímu zhodnocení anomálií