Radioaktivní vlastnosti hornin Martin Chadima (František Hrouda a Marta Chlupáčová) AGICO, s.r.o., Brno (chadima@agico.cz) Geologický ústav AV ČR, v. v. i., Praha Petrofyzika • Radioaktivita (radioaktivní přeměna) - vnitřní přeměna složení nebo energetického stavu atomových jader zpravidla spojená s emitováním vysokoenergetické ionizující záření • Ionizující záření - souborné označení pro záření, jehož kvanta mají energii na to, aby přímo či nepřímo odtrhovaly (tj. ionizovaly) podél své dráhy elektrony z elektronového obalu atomů • K radioaktivní přeměně může docházet spontánním štěpením u nestabilních radionuklidů nebo jadernou reakcí při kolizi s jinou částicí. Může se jednat o štěpnou reakci, při které se jádro po dopadu subatomární částice rozpadne na jádra lehčích prvků, nebo o jadernou fúzi, při které dochází naopak ke slučování lehčích jader • Radioaktivní rozpad jader atomů nezávisí na vnějších podmínkách • Změní-li se počet protonů v jádře, dojde ke změně prvku Radioaktivní přeměna Jaderné radioaktivní záření: • částice alfa (heliová jádra, 2 protony, 2 neutrony) • částice beta (elektrony) • záření gama (elektromagnetické záření) Radioaktivní záření Mapa nuklidů Přeměnová konstanta, λ [s-1] N = No e -λt, No - původní počet atomů, N - současný počet atomů, e – základ přirozeného logaritmu, t - čas, λ - přeměnová konstanta Poločas přeměny, T T = ln 2/ λ = 0.693/λ Je to doba, za kterou se rozpadne jedna polovina z počátečního množství atomů radioaktivního prvku. Za 7T zbude 1% z N0. Střední doba života, τ τ = λ-1 • T 238U = 4,51 . 109 yr • T 235U = 7,02 . 108 yr • T 232Th = 1,4 . 1010 yr • T 40K = 1,3 . 109 yr Rychlost přeměny • Radioaktivita hornin je podmíněna přítomností přírodních radionuklidů • Primordiální radionuklidy vznikly při syntéze Země. V procesu jaderné syntézy při utváření Země vznikaly nestabilní izotopy prvků, tj. radionuklidy, z nichž ty, které mají poločas přeměny souměřitelný se stářím Země, se zachovaly a nacházíme je v horninách • V horninách se nachází > 20 primordiálních radionuklidů • Z hlediska jejich obsahu a intensity emise jaderného záření jsou podstatné a snadno měřitelné jen tři: K, U, Th • Uran a thorium jsou mateřskými prvky tří přírodních přeměnových řad 238U, 235U a 232Th, jejichž členy jsou zdroji jaderného záření • Vyhledávání nerostných (radioaktivních) surovin, základní geologický výzkum, hodnocení radioaktivity životního prostředí. Radioaktivita hornin • Draslík má 3 izotopy (39K 93,26 %, 40K 0,012 %, 41K 6,73 %), z nichž pouze izotop 40K je radioaktivní. • 40K je zastoupený v přirozené směsi izotopů draslíku pouze 0,012 % • 40K se přeměňuje beta přeměnou s emisí záření beta, kdy produktem přeměny je 40Ca • Záchytem elektronu s emisí záření gama, kdy produktem přeměny je 40Ar • Poměr obou přeměn je konstantní • 40K je zdrojem záření β a γ, záření gama má energii 1,461 MeV • Přítomnost draslíku v horninách (všech izotopů K sumárně) se v geovědách uvádí v hmotnostní koncentraci a vyjadřuje se v %. 1 % K = 10 mg K/1 g horniny = 10 g K/1 kg. Draslík • Uran má 3 izotopy (238U 99,274 %, 234U 0,006 % a 235U 0,720 %) • 238U a 235U vytváří samostatně přírodní přeměnové řady, jejíž radionuklidy jsou zdrojem záření α, β a γ • Poměr obou uranových izotopů je v přírodě konstantní • 238U je zásadním zdrojem radiace uranu v horninách Uran a Thorium • Thorium má velký počet izotopů • 232Th o dlouhém poločasu přeměny vytváří přírodní přeměnovou řadu, jejíž radionuklidy jsou zdrojem záření α, β a γ • Obsahy U a Th v horninách se v geovědách uvádějí v hmotnostní koncentraci a vyjadřují se v jednotkách ppm (parts per million). 1 ppm = 1 μg /1 g horniny = 1 mg/kg. 1. uranová – 238U, končí olovem 206Pb. Nejdůležitější členy řady: radium 226Ra, radon 222Rn. 238U/ 226Ra = 1 : 3,4.10-7 2. actiniová – 235U, končí olovem 207Pb 3. thoriová – 232Th, končí olovem 208Pb • Radionuklidy přírodních přeměnových řad emitují jaderné záření, jehož energie je pro jednotlivé radionuklidy charakteristická • Měřením a stanovením energií záření lze jednotlivé radionuklidy určit • Přibližně uprostřed každé přeměnové řady jsou generovány izotopy radioaktivního plynu radonu. Koncové produkty přeměny v přeměnových řadách jsou stabilní izotopy olova: 206Pb, 207Pb a 208Pb • Využití v geologii: stanovení absolutního stáří • Metody K-Ar, Ar-Ar, 238U- 206Pb, 235U - 207Pb, 232Th - 208Pb, 206Pb - 207Pb, 206Pb - 208Pb. Přeměnové řady Přeměnové řady Uranová 238U • končí olovem 206Pb • nejdůležitější členy řady: radium 226Ra, radon 222Rn. 238U/ 226Ra = 1 : 3,4.10-7 Actiniová 235U • končí olovem 207Pb Thoriová 232Th • končí olovem 208Pb • Terénní spektrometrie • Letecká spektrometrie • Automobilové spektrometrii Měření radioaktivity • Obsahy U, Th, K stanovíme na základě registrace energetického spektra záření gama, buď celého, nebo jeho částí (oken) • Měřicí přístroj je scintilační spektrometr vybavený sondou s krystalem NaJ(Tl), příp. GeLi, nejnověji krystaly s W a jiné. • Obsahy U a Th se udávají v ppm, obsah K v hm. %. • Přesnější než stanovení vlastního U je stanovení eU (resp. URa) podle energetických píků Ra, Bi aj. • Jaderný spad z jaderné elektrárny v Černobylu z r. 1986, lze dosud indikovat podle zvýšené radioaktivity 137Cs, které se projevuje ve spektrometrii na píku 662 keV. Měření radioaktivity • Terénní stanovení objemové aktivity 222Rn a 220Rn se používají přenosné radonové detektory vybavené scintilačními ZnS (Ag) Lucasovými komorami nebo ionizačními komorami. • Výsledky se vyjadřují v kBq/m3 . Obvyklé jsou hodnoty 0 – 100 kBq/m3. Měření radioaktivity Přeměna jader atomů radioaktívních prvků je provázena uvolněním tepelné energie. Teplo vznikající přeměnou radionuklidů je udáváno veličinou jejich tepelné produkce. • 1% K: 3,58 . 10-12 W.g-1 • 1 ppm U: 9,7 . 10-8 W.g-1 • 1 ppm Th: 2,7 . 10-8 W.g-1 Tepelná produkce na m3 objemu horniny za jednotku času je dána vztahem A = 0,133 D (0,262 K + 0,718 U + 0,193 Th) . 10-3 [μW.m-3], D je hustota v kg.m-3, obsahy U a Th jsou v ppm, obsah K v hm %. Teplo vznikající rozpadem radionuklidů pravděpodobně kompenzuje tepelné ztráty Země. Produkce tepla • Draslík (K) má vysoký obsah v draselných živcích, v minerálech leucitu a nefelinu a ve slídách jako jsou biotit, muskovit, sericit a flogopit. Draslík je v horninovém prostředí mobilní. • Uran (U) má četné geochemické formy přítomnosti v horninách. Podle chemického složení vytváří oxidy, silikáty, vanadáty, fosfáty, arsenáty, karbonáty, sulfáty, molybdáty a jiné sloučeniny. Uranové minerály se vyskytují jako primární (vznikly krystalizací, např. uraninit) a sekundární (vznikly oxidací primárních minerálů, např. autunit). Z hlediska přítomnosti v minerálech uran vytváří samostatné minerály (uraninit, smolinec) nebo je izomorfně přítomen v jiných minerálech (např. v zirkonu, monazitu, xenotimu, apatitu a j.). Uran čtyřvalentní je geochemicky stálý, uran šestivalentní je rozpustný. Vzhledem k rozpustnosti šestivalentního uranu je uran v horninovém prostředí mobilní. • Thorium (Th) má rovněž četné a složité geochemické formy přítomnosti v horninách. Minerály s obsahem Th jsou např. zirkon, monazit, xenotim, apatit, alanit, epidot a j. Thorium je v horninovém prostředí relativně stálé. Distribuce U, Th a K v minerálech a horninách • Magmatické horniny vznikají tuhnutím magmatu za tvorby silikátových minerálů. • V prvé fázi magmatické diferenciace za vysokých teplot převážně krystalizují mafické (tmavé) minerály bohaté na Fe a Mg, a chudé na Al, Si, Na a K. Mafické minerály převážně nejsou nositely radioaktivních prvků. • V koncové fázi magmatické diferenciace se tvoří minerály s větší komponentou Si a Al. Draslík je významnou součástí tvorby Al-Si základních minerálů pozdní fáze magmatické diferenciace, zatímco uran a thorium se koncentrují v minoritních a akcesorických minerálech. • Radioaktivita magmatických hornin obvykle roste s obsahem SiO2 (kyselostí magmatických hornin). Kyselé magmatity (např. granity) vykazují vyšší radioaktivitu než bazické magmatity (např. gabro). • Chemické a mechanické větrání magmatických hornin vede k separaci minerálů a oddělení akcesorických minerálů obsahujících U a Th. Jsou to zejména titanit, apatit, zirkon, xenotim, monazit a ortit. • Produkty větrání magmatitů jsou písčitá složka (minerály o nízké radioaktivitě), jílové minerály (jsou nositely K a dalších radioaktivních prvků) a akcesorické minerály (se zvýšenými obsahy U a Th). Radioaktivita magmatických hornin • Sedimentární horniny jsou v jednotlivých litologických typech k obsahům přírodních radionuklidů K, U a Th specifické. • Obecně platí, že radioaktivita sedimentů roste s obsahem jílovitých minerálů. Jílovce mají vysoký obsah jílových minerálů s vysokým obsahem K. Jílovce mohou vázat další radioaktivní prvky a v případě obohacení organickou substancí též U. • Pískovce převážně sestávají ze zrn kvarcitu (neradioaktivní) a zrn živců (draselné živce mají vysoký obsah K). Arkózy jsou sedimenty o vysokém obsahu zrn živců (převážně radioaktivní komponenty). • Karbonáty (vápenaté sedimenty) vápence a dolomity, mají převážně nízké obsahy K (rozpustný) a Th, zatímco tvorba karbonátů v mořském prostředí za podmínek přítomnosti organické substance váže U. • Uran může nahrazovat vápník nebo být adsorbován fosfáty. Fosfáty mají vysoké obsahy uranu 50 – 300 ppm U (severní Afrika, severní Amerika a j.). • Vysoce radioaktivní plážové písky obsahující težké kovy v nerozpustných sloučeninách akumulovaných gravitační sedimentací. Obsahují monazit s vysokou koncentrací Th a též U. Těžké kovy dodávají plážovým pískům černou barvu, monazit sám je světlý. • Vysoce radioaktivní černé břidlice (Alum shale) pozdně kambrického stáří v Norsku a Švédsku a graptolitové jílovité břidlice v Estonsku Radioaktivita sedimentárních hornin • Metamorfované horniny (přeměněné horniny) vznikly rekrystalizací původních horninových mas za daných podmínek teploty a tlaku. • Radioaktivita metamorfovaných hornin je v širokém intervalu hodnot, převážně odpovídá radioaktivitě výchozího horninového materiálu. • Změna radioaktivity metamorfovovaných hornin nastává převážně za vysokých tlaků a teplot regionální metamorfosy, kdy jsou předpokládány pohyby všech tří radioaktivních prvků K, U a Th. • Migmatity jsou horniny, které vznikají injekční metamorfózou převážně pararul. Za přínosu křemenného metatektu (fluidní injekční složky vnikající do horniny) se radioaktivita původní horniny snižuje, za přínosu draselného metatektu radioaktivita migmatitu roste. Radioaktivita metamorfovaných hornin Typické koncentrace radionuklidů v horninách Hornina K [hm%] U [ppm] Th [ppm] Th/U Bazické magmatity 0,5 1,0 3,0 3 Středně kyselé magmatity 1,8 2,3 9,0 4 Kyselé magmatity 4,0 4,5 25,0 5 Písčité sedimenty 1,4 1,5 5,5 4 Jílovité sedimenty 2,7 4,0 16,0 4 Vápence 0,7 2,0 2,0 1 Černé břidlice 2,7 8,0 16,0 2 Amfibolity 0,8 1,2 3,3 3 • Obvyklé koncentrace přírodních radionuklidů v horninách jsou v mezích 0 – 5 % K, 0 – 12 ppm U, 0 – 50 ppm Th, kterým odpovídají dávkové příkony záření gama v mezích 5 – 300 nGy/h nejčastěji. • Změnu obsahů radionuklidů a radioaktivitu hornin může podmínit pohyb přírodních radionuklidů v důsledku jejich rozpustnosti, chemické změny, migrace radonu, přenos mechanických částic větrem a vodou a redepozice horninových materiálů. • V Českém masívu se nachází uranová ložiska endogenního hydrotermálního typu a exogenní epigenetická U ložiska • Endogenní uranová ložiska jsou převážně spjata s plutony (magmatická hlubinná tělesa) a náleží ke křemito-paragenetické formaci s minerálními asociacemi křemen – karbonáty – uraninit, nebo křemen – fluorit – uraninit a k sulfidické paragenetické formaci s minerálními asociacemi sulfidy – uraninit a prvkovou asociací Ag-Bi-Co-Ni-As- U. • Exogenní uranová mineralizace a exogenní ložiska uranu se nachází v platformním pokryvu Českého masívu. Syngenetické akumulace uranu v uhelných vrstvách a polohách jílů permo-karbónských pánví (prvohory) mají často prvkové asociace U-Pb- Zn-Cu-Mo-(V). • Epigenetické akumulace uranu v ložiskách uhlí vnitrosudetské pánve podmiňují zvýšenou radiaci uhelných hald a produktů jejich spalování. • Významná uranová mineralizace v sedimentech české křídové pánve je vyvinuta v horninách cenomanu (druhohory, křída) v nadloží hranice s krystalinikem, které je zvažováno jako zdroj uvolněného uranu. Charakteristickým znakem uranové mineralizace na ložiskách Stráž a Hamr je vazba uranu v sedimentech na organické substance a na pyrit. Uranová mineralizace Radioaktivita hornin ČRRadiometrická mapa ČR Pro posouzení radioaktivity horninových materiálů z hlediska životního prostředí je významná tzv. aktivita A. Udává se v becquerelech a je buď hmotnostní (Bq/kg) nebo objemová (Bq/m3) Převodní vztahy • 1 % K = 313,00 Bq . kg-1 • 1 ppm U = 12,35 Bq . kg-1 • 1 ppm Th = 4,06 Bq . kg-1 Aktivita A vyjadřuje počet přeměn v daném množství radionuklidu v jednotce času. Radioaktivita a životní prostředí Kromě této jednotky se používá ještě tzv. dávkový příkon D, což je absorbovaná dávka D energie za jednotku času. Jednotkou je gray za sekundu (Gy.s-1). Dávkový příkon záření gama pro geologické účely se vyjadřuje v nG.h-1 (nanogray za hodinu). Převodní vztahy mezi obsahy Th, U a K pro nGy/h: • 2,49 nGy/h = 1 ppm Th • 5,67 nGy/h = 1 ppm U • 13,1 nGy/h = 1 % K Biologický účinek záření vyjadřuje dávkový ekvivalent H, který je součinem dávky a faktoru biologické účinnosti, tzv. jakostního faktoru. Jednotkou je sievert Sv. Za rok obdrží člověk přirozenou dávku 2.5 až 3.0 mSv. Účinek prostředí v Sv lze spočítat z nGy/h, známeli dobu ozáření a faktor biologické účinosti. Pro paprsky gama je účinek v Sv roven roven dávkovému příkonu v Gy, pro papsky alfa je asi 10x až 20x větší. Kromě přirozené radioaktivity se podílí na zdravotním riziku lokálně i radioaktivita umělá, hlavně pozůstatek spadu po havárii elektrárny v Černobylu v r. 1986. Měří se převážně obsah 137 Cs (v Bq/kg. ev. v Bq/m3, v terénu i v Bq/m2). Radioaktivita a životní prostředí • Zdravotní riziko představují vysoké obsahy radonu, který vzniká přeměnou uranu a thoria v horninách. • Radon přísluší ke skupině inertních plynů, chemické sloučeniny nevytváří, hustota je 9,73 kg/m3 , je těžší než vzduch. • Je zdrojem záření alfa a proto je nebezpečná zejména jeho ingesce (vdechnutí). Ze tří izotopů radonu je nejdůležitější 222 Rn, který vzniká v přeměnové řadě 238U. • Poločas přeměny je 3,82 dne. Radon se šíří zejména v pórovitém prostředí a na tektonických zónách. Obsah radonu se povinně měří při zakládání staveb a pokud je zájem, i uvnitř již existujících staveb. Životní prostředí a radon Fyziologické působení záření Horniny žulového charakteru Úroveň radonu v objektech