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Rayonnement naturel (rayons gamma)

La mesure des rayons gamma permet de détecter les variations de la radioactivité naturelle qui sont attribuables aux changements dans la teneur en uranium (U) et thorium (Th), éléments en traces dans les matériaux géologiques, ainsi que dans la teneur en potassium (K), élément majeur des roches. La diagraphie par rayons gamma est un outil important pour la cartographie des lithologies et pour la corrélation stratigraphique étant donné que la teneur de ces radioéléments naturels varie d'un type de roche à l'autre. Les diagraphies par rayons gamma sont très utiles pour détecter les zones d'altération et renseigner sur les types de roches. Par exemple, dans les roches sédimentaires, on peut facilement distinguer les grès des shales parce que les grès contiennent moins de potassium que les shales.

En général, dans les roches sédimentaires, c'est le potassium qui est la principale source de rayonnement gamma naturel (qui, dans ce cas, est surtout attribuable aux minéraux argileux comme l'illite et la montmorillonite). Dans les roches ignées et métamorphiques, les trois sources de rayonnement naturel peuvent contribuer autant l'une que l'autre au rayonnement gamma total détecté par la sonde gamma. Dans les régions explorées pour les métaux communs et pour l'or, c'est souvent le potassium qui est la principale source de rayonnement gamma naturel parce que l'altération, caractérisée par la présence de séricite (séricitisation), domine dans certaines lithologies et fait augmenter la teneur en potassium de ces unités. La présence de filons-couches de porphyre feldspathique, qui contiennent des teneurs plus élevées en minéraux de la famille des feldspaths potassiques, se traduirait également par une radioactivité plus élevée que la normale dans les diagraphies par rayons gamma. L'uranium et le thorium peuvent avoir été concentrés dans certaines unités lithologiques pendant les processus métamorphiques et hydrothermaux.

Pour plus d'informations sur la diagraphie par rayons gamma naturels dans les roches volcaniques, consulter Mwenifumbo and Killeen, 1987.

Habituellement, le capteur d'une sonde aux rayons gamma est un détecteur à scintillation à l'iodure de sodium ou à l'iodure de césium. Contrairement à une sonde qui détecte les rayons gamma totaux, la sonde de diagraphie gamma spectrale mesure l'énergie de chaque rayon gamma détecté. Comme chaque élément radioactif naturel (K, U, Th) émet des rayons gamma avec une énergie caractéristique, on peut estimer la teneur des trois radioéléments naturels.

Le potassium se désintègre en deux isotopes stables (l'argon et le calcium) qui ne sont plus radioactifs et ses rayons gamma ont une énergie de 1,46 MeV. Par contre, l'uranium et le thorium se désintègrent en produits de filiation instables (radioactifs). Dans la nature, la chaîne de désintégration de l'uranium contient environ une douzaine d'éléments radioactifs dont le produit de filiation final est un isotope de plomb stable. La désintégration du thorium forme une chaîne similaire de radioéléments. Chaque fois qu'un élément de la chaîne se désintègre, il y a émission de particules alpha ou bêta ou de rayons gamma. Ces rayons gamma ont une énergie spécifique associée au radionucléide qui se désintègre. Les rayons gamma dominants de la série de l'uranium sont issus de la désintégration de Bi²¹⁴ (bismuth) alors que ceux de la série du thorium sont issus de la désintégration de Tl²⁰⁸ (Thallium).

Si la sonde a été correctement étalonnée, on peut calculer la quantité (la teneur) d'U²³⁸ et de Th²³² parent dans la chaîne de désintégration en comptant les rayons gamma issus de la désintégration de Bi²¹⁴ et de Ti²⁰⁸ parce qu'il y a une relation d'équilibre entre les produits de filiation et le matériel parent (Killeen, 1982).

Au fur et à mesure que la sonde se déplace dans le trou, les rayons gamma sont triés selon le spectre d'énergie, et le nombre de rayons gamma dans chacun des trois intervalles d'énergie pré-sélectionnés centrés sur les valeurs de crête de K⁴⁰, Bi²¹⁴ et Tl²⁰⁸dans le spectre est calculé à chaque seconde. Le même processus s'applique au rayonnement total. Les quatre nombres obtenus représentent les rayons gamma issus du potassium, de l'uranium, du thorium et le compte total (TC) qui ont été détectés par la sonde pour une période de comptage d'une seconde.

On enregistre ces données, ainsi que celles sur la profondeur, et on les affiche sur le graphique d'enregistrement pour produire des diagraphies gamma spectrales. Les diagraphies gamma spectrales brutes (diagraphies du compte total (TC), du potassium, de l'uranium et du thorium) fournissent plus d'informations qu'une diagraphie non spectrale (compte total non différencié) et il est possible de les convertir en diagraphies quantitatives (concentrations en K, U et Th). Pour faire la conversion, on doit étalonner la sonde dans les trous de sondage d'essai en utilisant des concentrations connues de K, U et Th comme celles qui ont été conçues au laboratoire de la CGC à Bell's Corners près d'Ottawa (Killeen, 1986).

Comme les rayons gamma peuvent traverser l'acier, on peut les détecter à travers les tubes de forage avec une sensibilité légèrement réduite.

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Le système de diagraphie de recherche et développement de la CGC utilise une sonde de diagraphie gamma spectrale semblable à celle que l'on trouve dans les spectromètres à rayons gamma modernes utilisés pour les levés aéroportés. Il enregistre tout le spectre sur 256 canaux variant entre 0,07 et 3,0 MeV grâce à un détecteur à scintillation situé dans la sonde. La CGC utilise des détecteurs à scintillation de différents matériaux et tailles :

C'est le diamètre du trou de forage qui détermine la taille de la sonde (et du détecteur). On choisit la plus grande sonde qui peut pénétrer sans danger dans le trou de forage afin de maximiser le taux de comptage et d'obtenir les meilleures données statistiques possibles.

Pour les sondes plus petites, on choisit des matériaux ayant une masse volumique élevée (l'efficacité est accrue mais ils sont plus coûteux). Si le taux de comptage est trop faible en raison de la très basse teneur en K, U et Th (c'est souvent le cas pour les formations carbonatées), il ne sera pas possible de produire des diagraphies individuelles pour K, U et Th. Dans ce cas, on n'utilise que la diagraphie du compte total, qui est la somme de tous les rayons gamma d'énergie supérieure à un seuil pré-sélectionné (habituellement 100 KeV ou 400 KeV). Les vitesses de diagraphie et les temps d'échantillonnage pour l'acquisition des données du spectre des rayons gamma sont déterminés par divers facteurs. Les facteurs les plus importants sont les niveaux de radioactivité anticipés et la taille du détecteur dans la sonde. Habituellement, on effectue les diagraphies du spectre des rayons gamma à une vitesse de 3 m/min, mais on peut accélérer jusqu'à 6 m/min ou ralentir jusqu'à 0,5 m/min, si on veut obtenir des informations plus détaillées. Le volume échantillonné à chaque mesure représente un volume de roche d'environ 0,5 m³ autour du détecteur (ce qui représente un rayon de 10 à 30 cm selon la densité de la roche).

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