Gammaspektrometri

De fleste borehullssonder har sensor for måling av total naturlig gammastråling (summen av K, U og Th). Elementene som gir naturlig gammastråling er Kalium, Uran og Thorium.
Figur 2. Energispekter ved gammaspektrometri.
Figur 1. Sonde for
gammaspektrometri.

Med gammasensor kartlegges geologiske grenser svært nøyaktig og gammastrålingen er også en indikator på radioaktiviteten i bergarten. Ofte er det nyttig å måle spektrometri der innholdet av Kalium (%), Uran (ppm) og Thorium (ppm) måles direkte i borehullet. Dette er nyttig ved beregning av varmestrøm, indikator for radonstråling, miljøundersøkelser og geologisk kartlegging. Ofte benevnes konsentrasjonen av U og Th som eU og eTh (ekvivalent konsentrasjon) da disse elementene kartlegges ved stråling fra datterisotoper.

Med NGUs sonde for gammaspektrometri, figur 1, kan det gjøres en kontinuerlig logg langs et borehull med loggehastighet 1 m/min, eller det kan tas punktmålinger i lengre tid (5 – 6 minutter) for å kartlegge hele energispekteret.

Kort fortalt består sensoren av et scintillometer med en NaI krystall. Når denne krystallen blir bestrålt med gammastråling sendes det ut et lysglimt (scintillasjon). Lysglimtet treffer en fotokatode som sender ut et elektron.  Elektronet treffer veggen i en fotomultiplikator der nye elektroner sendes ut og genererer en strøm av elektroner oppover i fotomultiplikatorrøret. Elektronene treffer anoden og det genereres en elektrisk puls. Denne pulsen analyseres etter energiinnhold og en kan plotte opp et energispektrum der energi (MeV) plottes lags x-aksen og counts langs y-aksen. Figur 2 viser prinsippet for et slikt energispekter. Hele spekteret deles i 1024 kanaler (energinivåer). K, U og Th identifiseres som topper ved bestemte energinivå i dette spekteret.

Spektrometeret er kalibrert ved måling på kjente konsentrasjoner av K, U og Th. En gitt stråling gir en gitt konsentrasjon, og ved å måle på denne måten kan en beregne innholdet av K (%), Uran (ppm) og Thorium (ppm) i bergarten en måler over.

NGU har målt gammaspektrometri i et 200 m dypt borehull ved Geologisk Museum på Tøyen i Oslo tilhørende Tøyen- og Alunskiferformasjonen. I hullet er det alunskifer, leirskifer, svartskifer gjennomsatt av syenitt- og mænaittganger. Det er målt både kontinuerlig logg og gjort punktmålinger for å beregne hele energispekteret. Figur 3 viser kontinuerlig logg for total gamma, U (ppm), Th (ppm) og K (%). Analyse fra punktmålinger (energispekter) målt i 6 minutter, er vist med røde og svarte punkter. Det er meget god korrelasjon mellom kontinuerlig logg og punktmålinger. Det er også tydelig at det er Uran som er det dominerende radioaktive element. Det er målt opp mot 250 ppm uran i alunskiferen.

Varmeproduksjon (HP) fra de radioaktive elementene er også beregnet, og det er tydelig at i dette tilfellet er det uran som styrer varmeproduksjonen.  Varmeproduksjonen beregnes fra følgende formel (Rybach 1988):

HP=  (9,52 x U (ppm) + 2,56 x Th (ppm) + 3,48 x K (%))   x  ρ  x  0,00001    [µW/m3]     

ρ= tetthet,   2700 g/cm3

Rybach, L., 1988. Determination of heat production rate. In: Hänel, R., Rybach, L.,Stegena, L. (Eds.), Handbook of Terrestrial Heat-Flow Determination. KluwerAcademic Publishers, Dordrecht, pp. 125–142.

Figur 3. Gammaspektrometri målt ved Geologisk Museum på Tøyen. Svarte og røde punkter viser konsentrasjoner fra punktmålinger.

Figur 4 viser energispekter fra 23.59 m dyp i borehullet på Tøyen. Beregnet U-innhold er 180.3 ppm, Th 25.5 ppm og K 6.0 %.

Figur 4. Energispekter i alunskifer ved Geologisk museum, Tøyen, Oslo.

Figur 5 viser korrelasjon mellom total gammastråling (counts pr second) og U-innhold (ppm) målt ved punktmålinger (energispekter). Det er meget god korrelasjon R2 = 0.996. Dette viser at totalstrålingen er dominert av stråling fra uran og dets datterprodukter.

Figur 5. Korrelasjon mellom total gammastråling og uran, Geologisk Museum, Tøyen, Oslo.