9. Le Rayonnement Gamma

9.1. Principes physiques de la Radioactivité (d’après Chapellier et al.)

La radioactivité naturelle produit :

- des rayonnements α constitués par des noyaux d'atome d'hélium chargés positivement. Ces rayonnements sont très peu pénétrants, quelques microns d'aluminium suffisent à les arrêter. Ils n'interviennent pas dans nos mesures.
- des rayonnements β composés d'électrons rapides. Eux aussi sont peu pénétrants et quelques millimètres d'aluminium les arrêtent. Ils ne jouent pas de rôle dans les mesures de cette étude.
- Des rayonnements γ constitués de photons de grande énergie, cent fois plus pénétrants que les rayons β. Ce sont eux qui vont intervenir dans nos mesures (Fig.50 ).

Fig. 50 : Spectre d’émissions des rayons γ des éléments les plus radioactifs

L'énergie d'une émission gamma est caractéristique du noyau et donc de l'isotope qui l'a produite. L’énergie des rayons γ est de l’ordre de 103 à 106 [eV].

De très nombreux isotopes naturels sont radioactifs. Seuls trois d'entre eux jouent un rôle notable dans la radioactivité naturelle des minéraux et des roches. Les autres sont extrêmement peu stables ou extrêmement rares. Les trois isotopes qui sont intéressants pour cette étude sont :

- L'uranium 238 : Il émet un rayonnement gamma de haute énergie, et représente en moyenne 2 à 3 ppm de la croûte terrestre. Un gramme d'uranium avec ses produits de filiation émet 33’400 photons gammas par seconde.
- Le thorium 232 : Il est moins actif que l'Uranium, un gramme de Thorium et ses produits de filiation émettent 17’400 gammas par seconde.
- Le potassium 40 : Le potassium est un élément très répandu dans les roches, son abondance se chiffre en %, de l'ordre de 2,5 %. Seul l'isotope 40 est radioactif ; il représente environ 0,012% du potassium total de sorte que l'on peut dire que le potassium 40 radioactif constitue quelque 2,8 ppm de la croûte terrestre. L'énergie du rayonnement gamma due au potassium est relativement faible. Son activité est de 3,31 photons gammas par seconde pour un gramme de potassium total, soit 27’583 photons gammas par seconde pour un gramme de potassium 40 radioactif.

En mesurant ces émissions à un endroit donné, la teneur en potassium, uranium et thorium peut-être déterminée. Le potassium émet un seul rayonnement gamma, alors que les séries de l’uranium 238 et du Thorium 232 émettent plusieurs rayonnements γ de différentes énergies, dont seulement une de chaque série est mesurée par le détecteur.

Toutes les roches sédimentaires peuvent, à priori, êtres radioactives du fait de la dissémination très générale de ces éléments, cependant leur fixation préférentielle sur les sédiments fins fait que ceux-ci sont généralement plus radioactifs que les sédiments grossiers. D'autre part les argiles se montrent le plus souvent fortement radioactives du fait qu’elle constituent le support préférentiel de fixation des trois éléments radioactifs. La matière organique et les phosphates, sont également riches en uranium.

Les principales roches réservoirs peuvent être classées selon leur degré de radioactivité (Fig. 51).

Fig. 51 : Radioactivité naturelle des principaux types de roches A.P.I.:
unité de calibration de l'American Petroleum Institute. Utilisée pour la diagraphie gamma Ray

9.2. Gamma ray en séries carbonatées (d’après Jorry, 1999)

La mesure de la radioactivité naturelle des roches sert essentiellement dans les déterminations lithologiques (argile, sels d’évaporites, minéraux lourds radioactifs, tonsteins,…), dans l’estimation du pourcentage d’argile des réservoirs, dans la détection de discordances (fonds durcis) et dans les corrélations entre sondage. Il est classiquement utilisé dans les environnements siliclastiques où les minéraux radioactifs sont nombreux (argile, feldspaths, micas, zircon et autres minéraux lourds).

Les carbonates possèdent une radioactivité naturelle faible. Cependant au sein d’un même affleurement, il peut-être intéressant d’en étudier ses variabilités et d’en comprendre les raisons. En outre, à Prapont, les nombreux coraux sont susceptibles d’avoir captés de l’uranium.

Des études réalises par Elf Exploration-Production sur des réservoirs carbonatés (Jorry, 1999) montrent que les variations des teneurs en Uranium, Thorium et Potassium correspondraient à des changements liés aux faciès et à la diagenèse.

L’intérêt de l’utilisation du gamma ray spectral en séries carbonatées réside dans le fait que certaines variations de radioactivité peuvent être reconnues comme des signatures spécifiques de certains faciès. Ainsi au sein d’un intervalle carbonaté, il est possible d’attribuer à une forte radioactivité la signature de la matière organique, celle des phosphates, celle des argiles ou encore celle d’une influence détritique.

9.3. Acquisition du spectre de gamma ray et principes de fonctionnement des appareils

Il existe plusieurs outils gamma ray ; on peut en effet mesurer tout l’éventail des émissions gammas produites par la formation ou par un choix convenable de fenêtre d’énergie, faire une discrimination entre le rayonnement dû au Potassium, celui dû au Thorium et celui dû à l’Uranium. On parle dans ce cas de spectrométrie gamma.

Sur l’affleurement de Prapont, nous avons utilisé deux méthodes pour acquérir le spectre de gamma ray en le mesurant sur :

- le terrain à l’aide d’un compteur portatif. Le compteur étant placé en contact direct avec la surface de la roche sur l’affleurement. Afin d’optimiser les résultats, chaque enregistrement était effectué durant 40 secondes.
- sur des échantillons broyés provenant de Prapont en laboratoire et en enceinte plombée protégeant du rayonnement cosmique.

La mesure de gamma-ray sur le terrain s’est effectué au moyen de l’appareil GRS500 (Scintrex Ltd), calibré avec du Ba133 et utilisant un de cristal de NaI. Cet outil est pratique, puisqu’il est portable et fonctionne avec des piles alcalines. Ce dispositif est appliqué directement en contact avec la roche et la source du détecteur est situé 5 cm au-dessus de la surface de la roche. Les avantages de cette méthode sont qu’elle peut être directement appliqué sur la surface de la roche, fournissant de ce fait une mesure rapide de la radioactivité naturelle de la roche.

Quelques erreurs potentielles peuvent se produire si la géométrie du lit n’est pas parfaitement plate, s’il y a des variations dans le degré d’altération de la surface de l’affleurement et si l’épaisseur du banc n’est pas équivalente ou plus mince que le pas d’échantillonnage.

Les mesures en laboratoire ont été réalisées à l’aide d’un spectromètre gamma Ortec à puits. La géométrie des échantillons est essentielle pour déterminer avec exactitude l'activité du rayonnement γ. Il est donc plus simple de les réduire en poudre pour les mettre dans un tube que d'obtenir des cylindres de roche de 13 mm de diamètre et 5 cm de hauteur.

Comme les rayons gamma sont produits irrégulièrement les temps de mesures ont duré 3 jours dans une enceinte en plomb pour limiter les perturbation engendrées par le bruit de fond et le rayonnement cosmique

9.4. Résultats

L’acquisition directe sur le terrain effectuée à l’aide d’un scintillomètre portatif GRS500 (Scintrex Ltd) n’a pas donné de résultats significatifs étant donné que les valeurs mesurées ne dépassaient pas le bruit de fond. Il fallait donc une analyse plus fine pour déceler une quelconque trace de radioactivité naturelle. L’institut Forel, qui se situe à Versoix, s’est occupé de cette analyse. Cinq échantillons ont été sélectionnés en fonction de leur faciès puis réduits en poudre. Leur activité a été mesurée en laboratoire selon la méthode décrite plus haut (cf. chapitre9.3).

Les résultats obtenus se trouvent en annexe (Annexes : Tableau 4 : Tableau des valeurs de gamma ray).

La figure 52 montre les résultats des principaux éléments pour chaque faciès. L’unité [cps/g] correspond au nombre de coups par secondes par gramme de roche. Pour chaque élément radioactif, la limite de détection « LD »est aussi représentée ce qui permet de mieux valider les mesures.

On constate que pour le 40K, les mesures sur les différents échantillons ne dépassent pas la limite de détection. Ce dernier n’est donc pas suffisamment présent dans l’affleurement de Prapont pour pouvoir en tirer des informations fiables

Pour l’isotope 234Th, il n’y a guère que pour les échantillons de dolomie et de tempestite, que les mesures dépassent la limite de détection. Toutefois, celles-ci sont si faibles qu’ils seraient périlleux d’en tirer des conclusions.

En revanche, ce graphique montre clairement que les sédiments du complexe récifal contiennent des quantités détectables d’Uranium bien que les valeurs ne soient pas très élevées, Paradoxalement, l’échantillon pris au sein d’un corail en position de vie (correspondant à l’échantillon récif) présente la plus faible activité.

L’Uranium dans les coraux a en effet généré une littérature considérable en raison de l’intérêt général porté pour les éléments traces et pour les processus de biominéralisation dans les carbonates marins secrétés par des organismes (Pigintore et al., 2002). L’Uranium peut se substituer au Calcium dans l’aragonite des coraux *.

Les mesures effectuées en laboratoire suggèrent que le rayonnement γ pourrait constituer un paramètre intéressant pour l’étude des séries carbonatées récifales ou périrécifales. Mais les très faibles activités décelées ne peuvent pas être mesurées à l’aide d’un appareillage portable car les temps de comptages doivent être très importants.

* Le rapport U/Ca montre des variations interannuelles et saisonnières prononcées dans des coraux des divers endroits. Ces variations peuvent être attribuées aux changements de température de surface des océans, aux niveaux d’Uranium dans l’eau de mer qui peuvent varier, à la spéciation de l’Uranium dans l’eau de mer qui peut-être un facteur important ou enfin aux coraux qui peuvent exercer une influence « vitale » sur la précipitation d’Uranium (Shen et Dunbar, 1995).