COMMISSION DE GRANDE DISCIPLINE DES

MST TCAS Compilation jean-Pierre Fourno
Méthodes radioactives
La présence de substances radioactives dans les roches peut être utilisée dans
la recherche des gisements pétrolifères et métallifères. Toutefois l'application des
méthodes radioactives est surtout orientée vers la détection de minéraux radioactifs
dans les formations rocheuses et vers les mesures de radioactivité dans les gaz
(radon) en provenance du sous-sol. On a postulé que la circulation des eaux
souterraines et des gaz a tendance à faire monter les substances radioactives à la
surface du sol. De cette façon, des zones de circulation plus actives sont détectées
et la méthode peut être employée à profit pour localiser des failles ou des zones de
cisaillement. D'autres applications de la radioactivité en géologie (e.g. contribution
de la radioactivité à l'accroissement de la température dans la croûte terrestre,
l'utilisation de la radioactivité dans la détermination de l'âge des roches, soit par
désintégration de l'uranium et du thorium en plomb, soit par accumulation d'argon
dans les réseaux cristallins (moléculaires) de certains minéraux (v. g. micas,
feldspaths), soit par désintégration du rubidium en strontium.
Les éléments isotopes utilisés pour dater les roches sont
et
de grandeur de l'âge de la terre, la méthode
et
, parce que leur demi-vie est de l'ordre
exceptée.
Les minéraux radioactifs semblent toujours se concentrer dans les roches de
composition acide que l'on retrouve à la partie superficielle de l'écorce terrestre
mais très rarement dans les roches basiques ou ultrabasiques issues à plus grande
profondeur.
Les poussées orogéniques qui accompagnent les périodes de métamorphisme
régional favorisent la montée de matériaux à composition granitique qui servent
d'avenue à des solutions riches en minéraux radioactifs par processus de migration,
diffusion, entraînement, etc… Dans un tel cas, on a affaire à un phénomène
d'affinité chimique qui peut être expliqué suivant les lois relatives à la chimie
physique. Dans les roches sédimentaires, il semble que d'une part les conditions
physiques du milieu (v.g. perméabilité, porosité, etc… dans des sédiments tels que
des grès, arkoses, conglomérats, brèches qui favorisent la circulation des eaux
souterraines ou au niveau de la nappe phréatique) et d'autre part les conditions
physico-chimiques (adsorption des minéraux radioactifs sur des particules
colloïdales, Eh, pH, degré de solubilité, formation de sels radioactifs, etc…)
expliquent les concentrations souvent anormales de minéraux radioactifs. Ainsi, un
Eh tel qu'il favorise un milieu oxydant est favorable à la solubilité de sels de
minéraux radioactifs qui peuvent être transportés en milieux aqueux et reprécipités
en concentration importante sous forme d'oxydes ou de sulfures, par exemple, dans
un milieu réducteur (v.g. pyriteux). Les solutions à ces problèmes relèvent de la
thermodynamique classique.
Le radon
est un produit de désintégration du radium
lui-même un
produit de l'uranium
. Le radon est un gaz qui émet des particules dont la
demi-vie est de 3 825 jours. Une partie infime du radon provient aussi des
réactions
(actinon) et
(thoron). Le radon qui est un gaz inerte
se désintègre en un élément solide et en particules  . Lorsque l'isotope-parent
radioactif
et une particule  , l'isotope du radon recule (principe de
conservation de la quantité de mouvement) d'une distance d'environ 3*10 -6cm. Si
le grain du minéral dans lequel il se situe est petit (<10 -5cm de diamètre) ou si la
réaction se produit en bordure du grain ou d'une fracture, alors l'isotope de radon
peut s'échapper du réseau cristallin, c'est-à-dire émaner du minéral. Le coefficient
d'émanation du minéral ou de la roche se définit comme le rapport de la quantité de
radon qui s'échappe sur la quantité de radon produit par le
durant une période
de temps t ; ce rapport dépend de l'espèce minéralogique dans laquelle il se trouve,
de la grosseur des grains, de la présence des fluides qui remplissent les pores de la
roche et absorbent une partie du radon qui s'échappe. En conséquence, la
concentration de radon dans un fluide (v.g. air, eau) dépend beaucoup plus du
coefficient d'émanation de l'espèce minéralogique que de la concentration en
.
Lorsque la géologie d'une région est relativement uniforme, la concentration
de radon n'est guère valable latéralement ou en profondeur. Il existe cependant une
relation indéniable entre la concentration de radon et le contenu en terres rares et
minéraux lourds contenus dans les sols ou les roches, de sorte que des mesures
d'émanations de radon indiquent les changements de formations géologiques
lorsque de tels changements sont accompagnés de variations du contenu en terres
rares ou en minéraux lourds. Les mesures des émanations de
sont utilisées en
prospection de l'uranium et pour localiser 1) les contacts géologiques recouverts de
mort-terrain, 2) des lentilles d'argiles qui diminuent substantiellement la diffusion
de
au profit d'une concentration périphérique, 3) des failles, des fissures, des
zones de cisaillement, des veines d'uranium, des structures anticlinales etc. . Les
accumulations ou suspensions temporaires de radon dans l'eau et les huiles
permettent d'utiliser occasionnellement cette méthode dans la prospection
hydrogéologique et pétrolifère.
A.- Appareils de mesure utilisés en prospection radioactive
Les rayons  ,  et  sont détectés grâce à leur capacité d'ionisation du
milieu matériel qu'ils pénètrent, i.e. qu'ils entrent en collision avec les atomes d'un
tel milieu et délogent les électrons de leurs orbites, laissant ainsi les atomes dans
un état excité ou ionisé. En prospection géophysique, on n détecte généralement
que les rayons  car les particules  et  n'ont pas un pouvoir de pénétration
comparable aux rayons  . Par contre, les rayons  ont un désavantage de posséder
un pouvoir d'ionisation beaucoup plus faible que les rayons  et  . Il faut donc
avoir recours à un détecteur très sensible si on veut détecter les rayons  par
ionisation d'un gaz par exemple. Nous résumerons brièvement le principe des
appareils de détection des rayons  communément employés en prospection
radioactive.
1.- Le compteur Geiger-Müller
Cet instrument consiste en un tube de verre contenant un gaz raréfié avec une
cathode cylindrique autour d'un fil anodique. On applique une différence de
potentiel élevée aux deux électrodes. Lorsque le rayon  traverse le gaz, il produit
des ions qui sont accélérés par la différence de potentiel produisant d'autres ions et
ainsi de suite (réaction en chaîne). Le courant quasi-instantané qui circulé dans le
tube est amplifié et enregistré sur un galvanomètre par exemple ou à l'aide d'une
paire d'écouteurs. Les compteurs Geiger-Müller ne sont pas efficaces pour détecter
les rayons  . Seulement 1 % des rayons qui pénètrent dans le tube produisent une
décharge. De plus, les compteurs ont le désavantage d'être très sensibles aux
rayons cosmiques qui créent ainsi un bruit de fond considérable.
L'intensité est représentée par le nombre de coups par unité de temps. On peut soit
mesurer le temps nécessaire pour que le nombre de coups atteigne une valeur
donnée, soit mesurer le nombre de coups durant une période de temps fixée à
l'avance.
2.- Le scintillomètre
Le scintillomètre est de beaucoup plus efficace que le compteur GeigerMüller pour la détection des rayons  . Son principe d'opération est basé sur le fait
que certains cristaux tels que le platino-cyanure de barium, la sphalérite, la
scheelite, l'anthracène, le para-therphenyl, l'iodure de sodium ... scintillent lorsque
les rayons  sont absorbés. Les étincelles de lumière (photons légers) des cristaux
fluorescents sont transformées en impulsions électriques par une photocathode
dans une cellule photoélecrique multiplicatrice. Ces courants électriques sont donc
amplifiés puis enregistrés.
Le scintillomètre est beaucoup plus avantageux que le compteur Geiger-Müller
parce qu'il est sensible à environ 95 % des rayons  et conséquemment de
beaucoup plus rapide quant à son utilisation sur le terrain.
3.- Les spectromètres à rayons 
Les spectromètres à rayons  permettent de donner une analyse précise et rapide de
la concentration en uranium, thorium et potassium dans les roches ou les sols. La
discrimination énergétique des rayons  provenant de ces isotopes permet de
distinguer entre
et
.
Les spectromètres à rayons  fonctionnent sur le même principe que le
scintillomètre à l'exception qu'ils utilisent les caractéristiques relatives à l'intensité
ou l'énergie spécifique des rayons  des isotopes radioactifs.
Soit le niveau d'énergie à 1.46 M.é.v. pour
1.76 M.é.V. pour
, celui à 1.76 M.é.v. pour
produit de désintégration de
celui à
et celui à 2.62 M.é.V. pour
produit de désintégration du
Comme le
ne possède pas de pics d'énergie plus élevés que 1;46 M.é.V.
(millions d'électrons-volts), que la série
n'en a pas de plus grands que 2.42
M.é.V. tandis que le
montre un pic dominant (le dernier) à 2.62 M.é.V., il est
alors possible de faire une distinction de ces isotopes en mesurant la hauteur de
leurs niveaux énergétiques respectifs. Au lieu d'enregistrer le nombre total
d'impulsions électriques comme on le fait avec le scintillomètre, ces impulsions
sont envoyées dans un détecteur d'intensité d'énergie qui laisse passer toutes celles
dont l'amplitude est plus grande qu'un seuil arbitrairement fixé dans le cas d'un
spectromètre à rayons  de type intégral ou celles dont l'énergie se situe entre deux
limites d'amplitude dans le cas d'un spectromètre à rayons  de type différentiel.
Les spectromètres à rayons  de type différentiel couramment employés de nos
jours ont deux seuils de détection, soit 1.65 M.é.V. et 2.50 M.é.V., mais il existe
des spectromètres à plusieurs canaux ou à larges bandes ; ces deux types de
spectromètres enregistrent sur trois canaux distincts le nombre d'impulsions émises
par les rayons  de
pendant une période de temps fixée et
généralement choisie entre 1s et 5 m. On utilise souvent un quatrième canal pour
enregistrer le nombre total d'impulsions entre le seuil inférieur et le seuil supérieur.
Une calculatrice électronique incorporée à un spectromètre permet de corriger pour
l'effet de diffusion (effet Compton) et de séparer les spectres complexes
(superposition de niveaux d'énergie très voisins).
4.- L'émanomètre de radon
L'émanomètre de radon est un instrument portatif constitué de deux parties :
1) un appareilage qui concentre le
2) un scintillomètre dont les parois sont constituées d'un cristal phosphorescent
(couche de ZnS activée avec de l'argent) et de la cellule photoélectrique
multiplicatrice.
Le radon
se désintègre en un isotope solide, le polonium
en émettant une
particule  . Chaque particule réagit avec ZnS pour former une étincelle lumineuse
(photon) qui est convertie en impulsions électriques grâce à la cellule
photoélectrique multiplicatrice. Le nombre de coups enregistrés par un compteur
est proportionnel à la concentration de
(analyse quantitative).
B.- Mesures de radioactivité sur le terrain
Depuis les années 1940 environ, on a effectué sur le terrain un grand nombre de
relevés radioactifs. Le relevés radiométriques sur le terrain sont les relevés
géophysiques les plus faciles à exécuter. Dans des relevés de reconnaissance,
l'opérateur prend des lectures à intervalles plus ou moins réguliers le long de lignes
sélectionnées à l'avance. Lorsque l'opérateur observe une radioactivité anormale
dans une région donnée, il effectue un relevé détaillé en prenant des mesures
suivant un réseau préalablement établi et où les intervalles de distance peuvent être
aussi rapprochés que 5 m.
Lorsque le relevé est terminé, on prépare une carte de contours représentant les
zones d'iso-intensité de l'activité radioactive totale ou d'un isotope en particulier
(v.g.
ces lignes de contours sont appelées isorads. Les centres de radioactivité
anormale sont mis en évidence et l'on peut faire une interprétation qualitative ou
semi-quantitative de la région étudiée en tenant compte de la géologie dan la
littérature de modèles qui permettront d'arriver à une interprétation entièrement
quantitative comme dans les méthodes gravimétriques, magnétiques, électriques ou
électromagnétiques.
1.- Spectromètres à rayons  (radioactivité provoquée)
Le spectromètre à dispersion de longueur d'onde des rayons  (SDLR) : Les rayons
 sont décelés et sélectionnés d'après leurs longueurs d'onde (raies) ; par contre, le
spectromètres à dispersion d'énergie des rayons  (SDER) classifient les rayons 
émis d'après leur niveau d'énergie.
Dans le SDER, les détecteurs classiques (chambre d'ionisation, compteur GeigerMüller, compteur proportionnel, scintillomètre) sont remplacés par un seul cristal
semi-conducteur. Les rayons  émis par le milieu matériel arrivent au détecteur et
ionisent les atomes de silice ou de germanium, produisant un trou et un électron.
La charge électronique Q qui est linéairement proportionnelle à l'énergie E des
rayons est intégrée en un courant I qui est préamplié puis amplifié linéairement et
enfin transformé en voltage V. Ce voltage V est ensuite analysé en éV au moyen
d'un analyseur à canaux multiples qui est en quelque sorte une calculatrice
électronique qui compte le nombre d'impulsions dans chaque bande d'énergie et
présente un spectre d'énergie complet des rayons  émis.
Les spectres d'énergie discriminés par l'analyseur à canaux multiples sont calibrés
en fonction de la concentration des éléments choisis pour analyse quantitative.
2.- Le carottage radioactif naturel
Cette technique utilise la radioactivité naturelle des roches. L'appareillage consiste
en un détecteur de rayons  et d'un pré-amplificateur qu sont maintenus dans un
trou de forage par un fil électrique entouré de matière isolante. Le détecteur peut
être une chambre d'ionisation contenant des gaz à haute pression, un compteur
Geiger-Müller, un scintillomètre ou un spectromètre à rayons  . La réponse du
détecteur est amplifiée par un post-amplificateur installé à la surface terrestre et
enregistrée de façon continue à mesure que le détecteur est abaissé ou remonté
dans le trou de forage.
Le carottage des rayons  est surtout un outil utile pour établir les corrélations
stratigraphiques d'une série de trous de forage et pour localiser les discordances
angulaires, les ailles et autres éléments structuraux dans les formations géologiques
; à ce point de vue, le carottage des rayons  est indispensable en prospection
pétrolifère.
3.- Le carottage par radioactivité provoquée
Il existe une grande variété possible de carottage de ce genre. Les trois types les
plus couramment utilisés sont :
a) le carottage par activation de neutrons,
b) le carottage du taux de résorption des neutrons thermiques
c) le carottage des rayons  par radioactivité provoquée.
Au lieu de détecteur la radioactivité naturelle des roches par carottage des rayons 
, on utilise une source de radioactivité artificielle (provoquée) qui active les noyaux
des atomes qui composent les roches.