Radiometrie a spektrometrie

Horniny zemské kůry obsahují radioaktivní izotopy některých prvků (radionuklidy), které vznikaly v raných stádiích vesmíru (prapůvodní radionuklidy) a díky poločasu rozpadu většímu než 100 milionů let se dosud vyskytují na Zemi ve významném množství. Jedná se především o izotopy uranu ²³⁸U a ²³⁵U, izotop thoria ²³²Th a izotop draslíku ⁴⁰K. Řada dalších původně přítomných radionuklidů kvůli kratšímu poločasu rozpadu již „vymřela“ nebo jsou prakticky nedetekovatelné. Měřením přirozené radioaktivity se zabývá radiometrie jako součást geofyziky.

Obr.1: Gammaspektrometr GRM-256 (fa GF Instruments, ČR)

Obr. 2: Novější gammaspektrometr GT-40 (fa GEORADIS, ČR)

V rámci tzv. planetární (velké) geofyziky se radiometrie využívá k určení stáří hornin a studiu tepelného toku. Přirozená radioaktivita umožňuje určit absolutní stáří hornin i celé planety Země. Využívá se zákon spontánního rozpadu a tzv. rozpadových řad. Izotopy uranu a thoria se rozpadem změní na olovo, draslík na vápník nebo argon. Na základě znalosti poločasu rozpadu a poměru izotopů v horninách na začátku i na konci rozpadové řady vypočítáme věk horniny. Výsledky výpočtů ukazují, že nejstarší horniny naší planety mají již 4,4 miliardy let.

Hlavním zdrojem tepla v zemské kůře je energie, která se uvolňuje při rozpadu radioaktivních izotopů. Čím vyšší koncentrace radioaktivních izotopů je v hornině, tím více tepla hornina produkuje. Například žulové horniny s průměrným obsahem přírodních radioaktivních izotopů vyprodukují v geologické současnosti 1,06 nW (10^-9 W) tepelné energie na 1 kg hmotnosti. Měření obsahu radioaktivních izotopů v horninách tak pomáhá při vytipování vhodných lokalit pro využití geotermální energie.

Radiometrické metody užité geofyziky můžeme dělit podle druhu detekovaného záření na alfa, beta, gama a neutronové. Pro terénní praxi se používá zejména měření záření gama; při tomto měření se používají metody úhrnné gama aktivity a metody spektrometrické.

Dříve bylo měření úhrnného gama záření (jednokanálová radiometrie) nejčastěji používanou metodou měření radioaktivity hornin. Přístroje pro toto měření nerozlišují energii detekovaného záření; podle výsledku měření lze kvantitativně hodnotit celkovou, úhrnnou radioaktivitu měřené horniny. Měření gama aktivity hornin je ekvivalentní s měřením expozičního příkonu ionizujícího záření např. v radiobiologii. Starší měření radiometrie udávala hodnoty gama aktivity v jednotkách mikroroentgen za hodinu (µR h^-1). V soustavě jednotek SI má gama aktivita i expoziční příkon rozměr A kg^-1 (1 µR h^-1 = 0,0717 pA kg^-1). V současné geofyzikální praxi se výsledky měření úhrnné aktivity gama uvádějí ve „smluvních“ jednotkách miliontin ekvivalentu uranu (ppm U_ekv, 1 ppm U_ekv = 0,11974 pA kg^-1), protože tato jednotka vyjadřuje koncentraci radioaktivních prvků v horninách.

Spektrometrické metody se využívají především ke stanovené koncentrace přirozených radioaktivních izotopů v horninách (U, Th a K), mohou být využity i ke sledování radioaktivních izotopů vzniklých lidskou činností, např. cesia po černobylské havárii. Koncentrace se měří gama spektrometrem, který se skládá z analyzátoru a řídící jednotky; jako analyzátor se většinou používá monokrystal jodidu sodného. Jakmile záření pronikne dovnitř analyzátoru, je transformováno na slabé světelné pulsy proporcionálně k energii záření. Dále je zesíleno ve speciálním zesilovači, kde se zároveň oddělí záření s různou energií. Teprve potom je záření fyzicky změřeno. Výsledkem měření jsou koncentrace radioizotopů U, Th (v miliontinách čili ppm) a K (v procentech). Spektrometrie je využitelná jak v laboratoři, tak v terénu a používá se pro terénní regionální i velmi přesná laboratorní měření.

Radiometrická terénní měření lze provádět na povrchu (např. pěší pochůzky s přenosným gama spektrometrem) nebo letecky v případě regionálního průzkumu. Radiometrické metody se uplatňují při vyhledávání a průzkumu ložisek radioaktivních nerostných surovin, k tvorbě geologických map, v hydrologii, v geochemii a k detekování území se zvýšeným rizikem výskytu radonu. Na území České republiky je několik oblastí se zvýšenou radioaktivitou, např. oblast podolského komplexu migmatitů nebo žuly a syenity třebíčského masivu, kde úhrnná gama aktivita (expozičního příkonu) dosahuje hodnot 2,15 pA kg^-1 neboli 18 ppm U_ekv .

ČGS archivuje měření radiometrie od padesátých let dvacátého století a je vybavena i pro terénní měření přenosným spektrometrem. Na obr. 3 je ukázka mapy úhrnné aktivity gama na mapovém listu 25-132 Lipník nad Bečvou (letecká radiometrie). Na této ukázce lze dokumentovat i úskalí měření radiometrie – nízká hodnota aktivity gama (modrá barva) je projevem rozsáhlé vodní plochy, která výrazně odstíní přirozenou radioaktivitu hornin v podloží.

Obr. 3: Mapa úhrnné aktivity gama na mapovém listu 25-132 Lipník nad Bečvou (letecká radiometrie, krok izanomál úhrnné aktivity gama 1 ppm U_ekv)