RADYOMETRİK İNCELEMELER

Son yıllarda nükleer yakıtlara olan talepten dolayı, radyoaktif minerallerin aranması önemli olmaya başlamıştır. Radyoaktif arama yöntemi, radyoaktif olan maden yataklarının ve ayrıca radyoaktif olmayan ama titanyum ve zirkonyum gibi radyoaktif elementler ile çevrelenmiş yatakların aranmasında uygulanır. İçerdikleri radyoaktif minerallerin türüne göre farklılık gösteren kayaç tiplerinin belirlenip , bunların jeolojik haritalanmasında kullanılır.

Doğada elliden fazla radyoaktif izotop vardır. Fakat bunların çoğunluğu , doğada çok nadir görülmekte veya çok zayıf radyoaktivite göstermektedir. Başlıca elementler Uranyum (238U), Toryum (232Th) ve Potasyum’dur ().Son izotop, U ve T konsantrasyonları ile çevrelenmeyen potasyumca zengin kayaçlarda çok yaygındır. Potasyum ekonomik açıdan önemli olan minerallerin varlığını gizleyebilir ve bu nedenle bu tip araştırmalarda jeolojik gürültü olarak karşımıza çıkar. Şekil 1 ‘ de farklı kayaç tiplerindeki U, Th ve K oranlarını gösteren üçlü diyagram görülmektedir.

Şekil 1.farklı kayaçlar içindeki radyoaktif elementlerin bağıl radyoaktiviteleri de gösterilmektedir.(Wollenberg 1977)

Radyoaktif araştırmalar , çok özel hedeflere yöneldiğinden , diğer jeofizik yöntemlerinden daha az yaygın kullanılmaktadır. Radyometrik tekniğin en yaygın uygulaması muhtemelen kuyu loglarındadır.

Doğal Radyasyon Spontan radyoaktif bozunma alfa, beta ve gama radyasyonu üretir . Alfa ve beta 'ışın' parçacıkları aslında ; gama ışınları quantum teorisinin bize söylediği gibi yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır ve taneciklerden oluşuyor gibi davranır.  Alfa parçacığı Bir alfa parçacığı 2 proton ve 2 nötron tarafından tutulur ve kararlı bir helyum özü oluşturur.Alfa parçacığının emisyonu radyoaktif bozunmanın ana sürecidir, atom numarasında 2 ve atom içinde toplam 4 azalma gerçekleşir.Parçacıkların büyük kinetik enerjileri vardır fakat diğer çarpışmalardan dolayı enerjisi hızla aşağı düşer.Termal enerjilerde 2 orbital elektron ve ayrımı imkansız helyum atomlarında artış gösterir..Katı bir kaya içinde ortalama mesafede yolculuk etmeden önce ölçülebilir bir milimetrenin fraksiyonundan oluşur.

Beta parçacığı Beta parçacıkları atom çekirdeklerinden elektron çıkarılmasıyla oluşur. Diğer elektronlardan farklı olarak yüksek enerjilere sahiptirler ve birçok çarpışma tarafından yavaşlatıldıktan sonra enerjileri hızla azalıp sona erer. Beta parçacıklarının katı veya sıvılarda ortalama sıralaması santimetreyle ölçülür.

Gama ışınları Gama ışınları parçacıklardan oluşan yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır, foton olarak bilinir, enerjileriyle doğru orantılıdır. Gama ışınlarının enerji dizilimi genelde yaklaşık 0.1 MeV ile başlar.(frekansı yaklaşık 0.25x10^20Hz).Çünkü onlar nötr elektriklidir, fotonlar hem alfa hem beta parçacıklarından çok kaya kalınlıklarına nüfuz eder dolayısıyla radyasyonun formunda jeofiziksel açıdan oldukça kullanışlıdır. Yinede yüzeyin 20-30 cm altından yukarı doğru %90'ı gama fotonu olan kayalar çıkacak ve sadece %10'ı toprak olan kısım yerin 50 cm altından yukarı gelecek. Yaklaşık yerin 1 metre altında yukarı doğru çıkan radyasyonun %97 sinin emilmesinde su eşit tesirlidir.

Diğer yandan havanın 100 metresinde gama ışını akışının yaklaşık yarısı absorbe edilecek. Zayıflatma frekans bağlılığıdır ve (bir kereliğine) daha yüksek frekans , daha çok nüfuz etme gücüne sahip radyasyon enerjisidir.1 MeV akışını yarısı havanın 90 metresi tarafından absorbe edilir fakat 3 MeV akışın yarısını absorbe etmek yaklaşık 160 metre havada ancak mümkün olur. Her iki durumda da rakamlar gösteriyor ki atmosferik emilim yer incelemelerinde ihmal edilebiliyor.

Radyoaktif Mineraller Çok fazla sayıda radyoaktif mineral vardır. Şekil 2’ de en yaygın olanları ve bulundukları kayaç tipleri verilmiştir. Radyoizotop halinde bulunan doğal mineral, radyometrik arama yöntemi ile radyoaktif elementin aranmasında önemsizdir. Çünkü bunlar arama yöntemleri ile bulunurlar.

Şekil 2. Radyoaktif mineraller (Telford vd. 1990’dan)

Radyoaktif bozunma serileri Ana radyoaktif bozunma serileri tablo 3’ de gösterilmiştir. doğal potasyum oluşumunun %0.0118 i, tek adımda bozunma, beta emisyonu tarafından Kalsiyuma yada elektron zaptı tarafından(k-capture) Ar formuna dönüşür.Argon çekirdeği hareketli bir durumdan çıkar ama 1.46 Mev fotonun emisyonuyla durgunlaşır. nın yarılanma ömrü beta bozunması için 1470 m.y'dır ve k-tutulması içinse 11000 m.y dır.Diğer önemli primeval radyostop bozunmalar ise doğal kararsız çekirdeklerdir. nın birden fazla bozunma modu olabilir ve bu modlar çok karmaşık bir yapıya sahip olabilir.Hepsi ancak kararlı izotopla sona erer. 238U ve 232Th bozunma serileri Şekil 3’ de gösterilmiştir.

Şekil 3. 238U,232TH VE 40K NIN DOĞAL RADYOAKTİF BOZUNMASI

NoTLAR: 1-Her 100 bozunmada özgül enerjinin foton

numaraları % olarak gösterilmiştir(parantez içinde).bir bozunmada birden fazla ürün elde edilebilir.

2-ana elementlerin %10 undan daha azını içeren bozunma evreleri gösterilmemiştir.

3-diğer birçok olayda yayılan foton enerjileri belirlenmiştir

Doğal oluşum elementlerinin % 0.7114 ünü 235U meydana getirir ve tüm uranyum aktivitesinin %5 ine katkıda bulunmasına sebep olmasına rağmen daha pratik amaçlar için ihmal edilebilir.

Doğal gama ışını spektrumu Doğal gama ışınları 3MeV un üstündeki X-raylarla kozmik radyasyonlarla sıralanırlar. Tipik bir ışın ölçer Şekil 3 de gösterilmiştir. Tek zirveler belirli bozunma olaylarına eşlik eder ve nükleer kinetik enerjinin bozunma süresi ve bazı ölçüm hataları tarafından içeriye doğru küçük bir sıralanmayla her bir fotondaki enerjide düşme meydana gelir. Zirveye uygulanan zemindeki kıvrımlar dağınıklığından dolayı karasal ve kozmik(genel olarak güneşle ilgili) radyasyonlardır.

Gama fotonları 3 şekilde dağılabilir. Çok enerjili fotonlar atom çekirdeğine elektron-pozitron şeklinde geçiş yapabilir ve pozitron daha fazla gama ışını üretmek için diğer elektronlarla etkileşime girer. Düşük enerjide gama ışınları atomdan elektron çıkartabilir(compton saçılımı).Bazı enerjiler elektrona transfer edilir geri kalan enerjiyse düşük enerjili fotonlar olarak devam eder. Düşük enerjide ,bir foton bir atomun elektronuna etki edebilir ve kendi kendini absorbe edebilir.(fotoelektrik saçılımı)

Şekil 4. Doğal gama ışını spektrumu. Bu dikey ölçeğin logaritmik olduğunu not ediniz. 

Radyoaktivite ölçümünde kullanılan aletler En erken dedektörler düşük basınçlı gaz iyonizasyonunda ve yüksek potansiyel farkı bulunan elektrotlar arasındaki elektrik boşaltımında kullanıldı. Bu Geiger-muller sayacının artık modası geçti. Onlar genel olarak alfa parçacıklarına cevap verirlerdi ve uzun ölü periyotlardan sonra hiçbir yeni olay keşfedilmediği sürece eski seviyesinden aşağılara düştü. 

1 .)Scintillometers: Scintillometreler gama yayınımının ölçülmesinde kullanılır. Talyum ve lityum gibi maddelerde gama ışınlarını ışığa dönüştürürler ki , bunlara sintile edenler denir. Bir ışık çoğaltıcı yarı geçirgen katot üzerinde yer alan foton ışığının elektron yayınımına neden olur. Foton şiddetlendirici, elektron palsları anoda varmadan önce güçlendirir. Anotta daha sonraki güçlendirme ve integrasyondan sonra dakikadaki elektron palsları sayılarak kaydedilir. Scintillometre, Geiger ‘a göre çok pahalı ve taşıması daha zordur. Fakat, gama ışınlarının saptanmasında % 100 etkilidir. Geliştirilmiş modelleri , yer veya havadan ulaşım araçlarına monte edilebilir.

2.) Gama ışını spektrometreleri Gama foton enerjisin eğer PMT dairesi içinde atım yükseklik analizörü anonimse scintilasyon olayını üretttiği tahmin edilebilir. Enerjik olaylar içeriği önceden belirlenmiş enerji pencereleri veya önceden seçilmiş enerji eşiğinin yukarısı ayrı ayrı ölçülebilinir ve Şekil 3 de gösterilen benzer kıvrımların elde edilebilmesi bütün gama ışını akışının bitişik pencerede gözlemlenmesiyle mümkün olabilir. Kurallar içinde, spektometre terimi 256 veya daha fazla kanalla tam spektrum kaydı yapabilmeli ve bu araçlara göre düzenlenmeli fakat pratikte bazı enerji derecelerinin farklılıklarıyla çok kanallı araçlara uygulanabilir. Genelde 4 kanal vardır.

Havadan yapılan gama ışını spektrometre kullanımlarında aletin genellikle radyoizotop konsantrasyonlarının olduğu alanların üzerinden geçerken veya uçağın radyoizotop oranları belli olan bir duvar üzerinden geçmesi ile kalibrasyonu yapılır. Bir alanın gerçek uranyum , toryum ve potasyum konsantrasyonları yerden yapılan ölçümler ile hesaplanabilir.

Şekil 5. ϒ- ışını aktivitesi (uranyum kanalı)(sayım /dak)

UYGULAMA ALANLARI VE TÜRKİYE’DEN ÖRNEKLER Gama – ışını spektrometre etütleri sonunda potasyum konsantrasyou % olarak, uranyum ve toryum konsantrasyonlarını ise ppm cinsinden gösteren haritalar hazırlanır. Ayrıca mikroröntgen/saat cinsinden yerin radyasyon dozunu gösteren haritalar hazırlanır. Etütlerde 0.2 – 3.0 MeV enerji aralıklı ve 256 kanallı spektrometre kullanılması halinde, yerin yapay radyoizotop dağılım haritaları da hazırlanabilir. K, U, TH konsantrasyon haritaları ve yer radyoaktivite haritaları kullanılarak doğal radyoaktif elementler, bileşiminde bu element bulunan mineraller, bu mineralle köken ve litoloji bağımlılığı olan diğer mineral ve jeolojik oluşumlar aranabilir ve araştırılabilir. Gama – ışını spektrometre ölçümlerinin uygulama alanları, radyoaktif mineral aramaları, jeolojik haritalama çalışmaları, kömür, petrol ve doğalgaz aramaları, altın, ağır mineral ve stratejik mineral aramaları, endüstriyel hammadde aramaları, doğal ve yapay radyoizotopların neden olduğu çevre kirliliğinin araştırılması ve diğer bazı uygulamalar olarak sıralanabilir.

RADYOAKTİF MİNERAL ARAMALARI Gama – ışını spektrometri, yerkürede doğal olarak bulunan uranyum, toryum ve potasyum gibi radyoaktif elementlerin minerallerinin aramasında başarıyla uygulanmaktadır. Özellikle nükleer enerjinin hammadesi olan uranyum minerallerini aranmasında doğrudan ve tek yöntemdir. Dünyada bu yöntemle bulunmuş yüzlerce uranyum yatağı bulunmaktadır. Türkiye’de ki uygulama örnekleri, Yozgat – Şefaatali ve Nevşehir – Bekdik yöreleri uranyum alanlarıdır.

KÖMÜR, PETROL VE DOĞALGAZ ARAMALARI

Yapılan bazı çalışmalar kömür ve petrolün iz elementler ile uranyum, toryum ve radyum gibi radyoaktif elementleri soğurarak bünyesinde tutup zenginleştiğini ortaya koymuştur. Yine yapılan bazı araştırmalar, petrolün kendi çevresinde uranyum zenginleşmesine neden olabilecek fiziksel ve kimyasal şartlar oluşturduğu ortaya koymakta ve bunu petrollü sahalardaki radyoaktivite anomalileri ile kanıtlamaya çalışmaktadırlar.

METALİK MİNERAL ARAMALARI Bakır, kurşun ve çinko minerallerinin içinde veya beraber bulunduğu jeolojik birimlerin K, U, Th içeriğine bakılarak yakın sahalardaki aynı oranda K, U, Th içeren jeolojik birimlerin dolaylı yoldan belirlenmesine çalışılabilir. Moxham et. Al. (1961), civarında bakır kurşun ve çinko mineralizasyonu bulunan alterasyon zonlarındaki potasyum miktarının iki katına kadar çıktığı ve spektrometrik etkilerden elde edilen potasyum konsantrasyon haritalarına bakılarak söz konusu mineralleri dolaylı aranabileceğini göstermiştir.

Kanada, ABD, ve Şili’de ki bakır yatakları ile Zaire’deki kobaltlı bakır yatakları uranyumca zengin yataklarıdır.Balıkesir yöresindeki bakır, molibden ve volfram içeren bazı zonlarda radyoaktivite yüksektir. Ayrıca, Nevşehir- Genezin civarındaki uranyumlu zonlarda bakır mineralizasyonunun varlığı bilinmektedir.Bu bilgiler ışığında gama-ışını spektrometri etütleri sonunda hazırlanacak potasyum ve uranyum konsantrasyon haritalarından yararlanılarak,, dolaylı olarak metalik mineral aranabileceği söylenebilir.

ALTIN, AĞIR MİNERAL VE STRATEJİK MİNERAL ARAMALARI

Bilinen pek çok altın yatağında uranyum zenginleşmesine rastlanmakta ve bunların köken birliğinin olduğu düşünülmektedir. Diğer tarafta zirkon ve monazit gibi ağır minerallerin birleşiminde toryum elementi bulunmaktadır. Ayrıca toryum konsantrasyonunun arttığı yerlerde önemli oranlarda nadir toprak elementlerine de rastlanmaktadır.

Bunun Türkiye’deki en tipik örneği, Sivrihisar Kızılcaören yöresindeki toryum yatağıdır. Bu toryum yatağı barit ve florit ile birlikte Nd, Ce, ve La gibi değerli nadir toprak elementleri de içermektedir. Bilinen bazı sedimenter uranyum yataklarında selenyum, vanadyum ve molibden minerallerine sık sık rastlanmaktadır. Gama-ışını spektrometrik etütlerle yukarıda değinilen element veya mineraller dolaylı olarak aranabilmektedir.

ENDÜSTRİYEL HAMMADDE ARAMALARI Bileşiminde potasyum bulunan feldspatlar cam ve seramik sanayinin en önemli hammaddeleridir. Spektrometrik etütlerle hazırlanan K konsantrasyon haritaları yardımıyla doğrudan potasyum araabilmektedir. Fosfatlı bileşiklerin uranyumu soğurma özelliği vardır. Kanada , Fas , Suriye ve Ürdün’deki fosfat yataklarının önemli miktarlarda uranyum içerdiği bilinmektedir. Gübre sanayinin hammaddesi olan fosfatların dolaylı olarak spektrometre ile aranması olanaklıdır.

3.) Geiger Müller Geiger sayacı öncelikle beta parçacıklarına duyarlıdır. Elementin saptanması bir cam tüp ile yapılır. Tüpün içi argon gibi bir iç gaz ve buna ilave olarak çok az miktarda söndürme ajanı halinde düşük basınçta su buharı, alkol veya metan ile doludur. Tüpün içinde silindir şeklindeki katot, tüpün ekseni boyunca uzanan ince anodu kuşatır ve güç kaynağı bunların arasındaki birkaç yüz voltluk potansiyel farkı oluşturur.

İçeri gelen beta parçacıkları tüp içindeki gazı iyonize eder ve oluşan pozitif iyonlar ve elektronlar elektroda doğru hızlanarak, yolları üzerindeki daha fazla gazı iyonize ederler. Bunlar bir anot rezistansı boyunca elektrik palslarının oluşmasına neden olur ve amplikasyondan sonra ‘klik’ sesleri olarak verilirken , bir entegre devre her dakikadaki sayıyı görüntüler. Söndürme ajanı elektronların pozitif iyon bombardımanı ile katottan ikinci kez geçişini bastırır. Geiger sayacı ucuz ve kullanımı kolaydır. Fakat sadece beta parçacıklarına duyarlı olduğu için kullanım alanı sınırlı olup, yeryüzünden yapılan ölçümlerde toprak örtünün az olduğu yerlerde kullanılır.

4.)Alfa Parçacık Monitörleri Kirli gazdaki radon saha olmaksızın açık gama ışını anomalilerinin alfa aktivitesi tarafından görüntülenebilir. Dağınık radon kolaylık kaya , toprak içinden geçebilir. Bu metotla uranyum mineralizasyonu yerini bulmak zor olsa bile gösterilebilir. Radon gazı , özellikle kil içindeyken, sağlığa potansiyel zarar verir bu yüzden görüntülenmesi gerekir.

ŞEKİL 6. Delikteki alfakart radyasyon dedektörü

Radyometrik İncelemeler Yer radyometrik İncelemeleri çalışmayı bozucu etki yaratma eğilimindedir. Kaya veya toprağın ince tabakalarının koruyucu etkisinden dolayı yamalanmış zemindeki kayaların radyoaktif minerallerini gözden kaçırmak çok kolaydır. Aynı uzaklık boyunca baz noktasına güvenme akılsızca olabilir ve alan gözlemcisi değişikliklere daha fazla dikkat etmesi gerekir. Dikkat edilmesi gerekenler ;1. Okuma zamanları2. Radyometrik deneyleri 3. Geometrik faktörler 4. Zemin varyasyonları için düzeltmeler5. Radyometrik verilerin kaydı

Şekil 7. Geometrik ve düzelme faktörleri için radyometrik çalışmalar

HAZIRLAYANLAR 090213061 GAMZE AYHAN 100213063 DOĞUKAN DURDAĞ SEFA ALTINTOP