UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA

Dr. MASSIMO BOCHIOLO

Relazione sull’attività scientifica (3° anno)

Co-tutor: Dr. Massimo Verdoya

Scuola di Dottorato in Scienze e Tecnologie per l’ingegneria

Corso di Dottorato in GeofisicaXXIV Ciclo

a.a. 2010/2011

Premessa

Oggetto dell’attività scientifica

Studio della radioattività naturale delle rocce costituenti il substrato della Liguria centro-occidentale:

1) mappatura delle concentrazioni di K, U e Th.

2) Problemi metodologici:applicabilità ed elaborazione dei dati di spettrometria gamma in superficie e in sotterraneo

3) Stima del potenziale radon esalativo degli ammassi rocciosi

Contributo allo studio dei fenomeni in grado di produrre variazioni del flusso di Rn negli ammassi rocciosi

Materiali e metodi

Spettrometria gamma di superficie

Determinazione delle concentrazioni di K, U e Th applicando il metodo delle “tre finestre” agli spettri gamma acquisiti per mezzo di apparato portatile.

Il dispositivo utilizzato (GS-256, Geofyzica Brno) è costituito da uno scintillatore a NaI(Tl) collegato ad un analizzatore a 256 canali che permette di indagare lo spettro gamma compreso tra 0 e 3 MeV.

Dataset: Flysch del Monte Antola, Zona Sestri-Voltaggio, Gruppo di Voltri, Cristallino Savonese, Brianzonese Ligure e coperture tardo e post-orogene.

Materiali e metodi

Radiometria in sotterraneo

Presenza di significative anomalie radiometriche in metarioliti e scisti porfirici (giacimento uranifero di Ponte Scalincio).

1) Misure in campo con spettrometro gamma portatile.2) Misure di laboratorio mediante:

2.1 rivelatore a NaI(Tl) (LGSR Dip.Te.Ris.);2.2 rivelatore HPGe (INMRI ENEA Casaccia).

3)Misure in campo di dose efficace con rateometro NaI.4)Misure di concentrazione di radon in aria con:

4.1 tecniche passive (misure integrate);4.2 strumentazione attiva (misure in continuo).

Materiali e metodi

Indagini spettrometriche

In campo- 46 determinazioni;valori estremi (Bq kg-1):

2320 < 40K < 3062243 < 238U < 3140103 < 232Th < 196

Di laboratorio (NaI(Tl))- 15 determinazioni;valori estremi (Bq kg-1):

1141 < 40K < 1577140 < 238U < 165155 < 232Th < 123

Materiali e metodi

Profili di spettrometria gamma in sotterraneo

Materiali e metodi

Concentrazione di radon

Misure integrate- 3 periodi (inverno, primavera, estate)

Concentrazioni in Bq m-3

05/10 03/11 08/11A 11780 5026 917B 2481 1703 1508C 579 642T 1995 1536

Misure in continuo- 2 periodi (primavera e estate)Concentrazioni in Bq m-3

03/11 08/11 808 917 2295 1508

- Variabilità spazio-temporale.- Discrepanza di risultati tra metodi passi-vo e attivo.

Materiali e metodi

)tλexp(1VE

)t(C RnVE

λtdCd

o

Sr

Φr

E = count rate registratoλRn = costante di decadimento del RnC = concentrazione di RnV = volume libero della cameraΦr = flusso di radonS = superficie del campioner è ottenuto per fitting lineare a t=0

Emanometrie

Materiali e metodi

Attività di 226Ra e flusso di radon sono correlate linearmente.

- Er è compreso tra 0.002 e 0.012mBq m-2 s-1 per Bq kg-1 di 226Ra.

- Ф varia da 1.25 a 10.93 mBq m-2 s-1.

Elaborazione e discussione dei risultati

Mappatura radioisotopica- Influenza della petrogenesi

- Differenziazione magmatica:rocce basiche → concentrazioni minimerocce acide → concentrazioni massime

- Ambiente deposizionale e bacino di alimentazione:

nelle rocce organogene, ad eccezione dei diaspri, effetto di diluizione dell’ambiente deposizionale;

nelle rocce detritiche, correlazione con la ‘roccia madre’.

Applicabilità della spettrometria portatile in sotterraneo

- Deviazione dalla geometria di taratura.- Le concentrazioni ottenute vanno considerate “apparenti”.- Confronto tra determinazioni in campo e in laboratorio.

Elaborazione e discussione dei risultati

Equilibrio secolare nella matrice rocciosa- Possibili mobilizzazioni secondarie successive alla realizzazione delle gallerie.- Interconfronto LGSR e INMRI ENEA Casaccia.- Rapporti di attività tra i prodotti di decadimento delle serie di 238U e 232Th.

Elaborazione e discussione dei risultati

- Rapporti di attività generalmente unitari → equilibrio secolare verificato.- Minima alterazione dell’attività del 226Ra.

Valutazione dell’intensità di dose assorbita- Esecuzione di 9 misure in campo con rateometro a NaI.- Applicabilità della formula di Beck (Beck et al., 1972) mediante utilizzo delle concentrazioni

‘apparenti’ determinate con spettrometro portatile.- Effetti geometrici → bilanciamento tra sovrastima dovuta alle concentrazioni ‘apparenti’ e

sottostima nei fattori di conversione per deviazione tra geometria 2π e assialsimmetrica.

Elaborazione e discussione dei risultati

- Accordo tra valori sperimentali e calcolati.- Il rapporto tra i fattori di conversione di K, Th e

U per simmetria sferica (Mustonen, 1992) e geometria 2π (Beck et al., 1972) sono confron-tabili coi rapporti tra deter-minazioni γ in sot-terraneo e in laborato-rio.

Stima del flusso di radon di un ammasso roccioso- Approccio combinato (spettrometro γ e misure integrate di Rn).- Modello semplificato per la valutazione del coefficiente di esalazione specifica e del flusso

di radon dell’ammasso roccioso.

La variazione di concentrazione di radon in aria C per una cavità avente superficie S e volu-me V è data da

Elaborazione e discussione dei risultati

)CC(nCVS

dtdC

oRn λФ

rrr EAФ

Dai risultati delle emanometrie è possibile ammettere che

Confronto tra regime termico interno ed esterno → flusso d’aria uscente;Breve durata della misura integrata → C = cost., da cui (dC/dt) = 0.Pertanto, Er diviene

δλ’r

Rnr A2

r)n(CE

in cui si è fatto ricorso alla concentrazione apparente di 238U (A’r) e al rapporto che esprime

la sovrastima tra determinazioni in sotterraneo e in laboratorio (δ = 2.3 per 238U).

Er viene determinato ipotizzando tempi di ricambio totale dell’aria di 48, 24 e 12 h (analogia con contesti geometrici simili).

- Er è compreso tra 0.02 e 0.25 mBq m-2 s-1 per Bq kg-1 di 226Ra.- Фr varia da 11.9 a 186.1 mBq m-2 s-1.

Elaborazione e discussione dei risultati

Dal confronto coi risultati delle emano-metrie si ha:

- Er dell’ammasso roccioso è da 10 a 100 volte superiore;

- Ф dell’ammasso roccioso è quasi 20 vol-te più grande.

- Er ottenuto mediante metodologia combinata è un valore di upper bound (fratturazione, ru-gosità, acqua).

- Er da emanometrie è un valore di lower bound (campione intatto, regolare).

Elaborazione e discussione dei risultati

Analisi delle misure in continuo di radon- Pattern identici per i rami A e B.- Periodicità giornaliera (minimi al mattino, massimi nel tardo pomeriggio).- Influenza della differenza tra temperatura interna ed esterna (‘effetto camino’).

Elaborazione e discussione dei risultati

Analisi delle misure in continuo di radon

Elaborazione e discussione dei risultati

Analisi spettrale mediante Fast Fourier Transform

- Presenza di almeno tre periodicità (24, 12 e 8 h).

- La concentrazione di Rn potrebbe essere influen-zata da variazioni dello stato tensionale dell’am-masso roccioso.

Sviluppi e approfondimenti

I risultati delle indagini offrono lo spunto circa l’opportunità di valutare il ricorso a tecniche geofisiche combinate volte allo studio dello stato tensio-nale dell’ammasso roccioso.

Ulteriori studi potranno essere eseguiti per:

1) l’individuazione di eventuali fluttuazioni periodiche e aperiodiche tramite analisi spettrale di serie temporali sincrone di concentrazione di radon, potenziali spontanei e microgravimetriche.

2) Lo studio di correlazioni coi parametri ambientali per l’individuazione di periodicità (e sfasamenti) e lo sviluppo di modelli di circolazione e scambio d’aria.

3) L’analisi della oscillazioni di flusso di radon per effetto di variazione di stato tensionale dell’ammasso roccioso a causi di effetti attrattivi luni-solari.