Radiometrisk undersökning av K, U, och Th-halter i berggrunden kring Änggårdsbergen, Göteborg Gammastrålning i RA-Granit

Transkript

1

2 UNIVERSITY OF GOTHENBURG Department of Earth Sciences Geovetarcentrum/Earth Science Centre Radiometrisk undersökning av K, U, och Th-halter i berggrunden kring Änggårdsbergen, Göteborg Gammastrålning i RA-Granit Dario Partalo ISSN B695 Bachelor of Science thesis Göteborg 2012 Mailing address Address Telephone Telefax Geovetarcentrum Geovetarcentrum Geovetarcentrum Göteborg University S Göteborg Guldhedsgatan 5A S Göteborg SWEDEN

3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. ABSTRACT INTRODUKTION BAKGRUND OMRÅDESBESKRIVNING BERGGRUNDSGEOLOGI RADIOMETRI NATURLIGT SÖNDERFALL Gammastrålning Radioaktivitet i berggrunden TIDIGARE UNDERSÖKNINGAR METOD OCH MATERIAL ENHETSFÖRKLARING GAMMA SPEKTROMETRI UTFÖRANDE MÄTTID SVÅRIGHETER MED SPEKTROSKOPI Geometriska fel Jämvikt och ojämvikt Bakgrundsstrålning Regnfall och vattenhalt GIS GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS RESULTAT DISKUSSION SLUTSATS FELKÄLLOR TACK LITTERATURFÖRTECKNING

4 Radiometrisk undersökning av K, U och Th-halter i berggrunden kring Änggårdsbergen, Göteborg: Gammastrålning i RA-Granit Dario Partalo, Göteborgs Universitet, Institutionen för Geovetenskaper; Box 460, SE Göteborg 1. Abstract På uppdrag av SGU (Sveriges Geologiska Undersökning) i samarbete med Göteborgs universitet, har radiometriska mätningar utförts i Änggårdsbergen, Göteborg. Änggårdsbergen är ett naturreservat som ligger delvis i Göteborgs stad och delvis inom Mölndal kommun. Området är till största del uppbyggt av en speciell typ av granit, så kallad RA-granit eftersom den innehåller höga halter gammastrålning. Graniten har en tendens att falla sönder till grus, även kallad vittringsgrus. Målet med denna studie är att, genom radioaktiva mätningar, konstruera en strålningskarta över de vanligast förekommande radioaktiva isotoperna ( 40 K), uran ( 238 U) och torium ( 232 Th) i berggrunden. Vidare kommer arbetet även undersöka huruvida det finns en möjlig koppling mellan vittring av RA-granit och höga halter av gammastrålning. Detta har utförts med hjälp av en gammaspektrometer som är ett handhållet instrument för marknära mätningar. Resultaten har presenterats flera strålningskartor med hjälp av ett GIS-program och tolkats utifrån dessa samt tabeller från tidigare undersökningar. Mätningarna visar höga halter strålning i hela området och lokalt förekommer även väldigt höga halter som skulle klassas som högriskområden. Dock mättes inte de högsta halterna i områden med omfattande grusvittring och antas därför inte ha en koppling till vittringen. Nyckelord: Änggårdsbergen, RA-granit, Gammastrålning, Gammaspektrometer, Strålningskarta, Grusvittring At the request of SGU (Sveriges Geologiska Undersökning) and in collaboration with Göteborgs universitet, GVC, a radiometric survey has been carried out at Änggårdsbergen, Gothenburg. Änggårdsbergen is a nature reserve which lies partly in the city of Gothenburg and partly in Mölndal municipality. The area is mostly made up of a special type of granite, known as "RA-granite" because it contains high levels of gamma radiation. This granite has a tendency to disintegrate into gravel, so-called weathered gravel. The purpose of this thesis was in part to carry out radioactivity measurements and measure levels of potassium ( 40 K), uranium ( 238 U) and thorium ( 232 Th) which are the most common radioactive isotopes in the bedrock. This will be visualized with a radiation map and an investigation will be carried out to see if the weathering of the granite may be related to elevated levels of gamma radiation. This has been done using a gamma spectrometer which is a handheld instrument for ground surveys. The results have been presented through several radiation maps using a GIS program and interpreted on the basis of these and tables from previous studies. The measurements show high levels of radiation throughout the area and some local parts show very high levels that would be classified as high risk areas. However, the highest measured concentrations were not in areas with extensive gravel weathering and are therefore not expected to have a connection with the weathering. Keyword: Änggårdsbergen, RA-granite, Gamma radiation, Gamma spectrometer, Radiation map, Gravel weathering 2

5 2. Introduktion Änggårdsbergens naturreservat, som ligger beläget på gränsen mellan Göteborgs stad och Mölndals kommun, är ett geologiskt intressant område där en speciell variant av granit tränger sig igenom och representerar det mesta av området. Bergarten brukar kallas för Kärra granit eller RA-granit och skiljer sig från vanlig granit genom att innehålla förhöjda halter av gammastrålning. På uppdrag av SGU (Sveriges Geologiska Undersökning), via Göteborgs Universitet GVC, har området Änggårdsbergen undersöks och de förhöjda radioaktiva halterna uppmäts med fokus på kalium, uran och torium som är de tre vanligaste radioaktiva isotoperna i berggrunden. Det är framförallt U och Th som når ovanligt höga värden eftersom de brukar ansamlas i kiselrika magmor. En karaktäristisk egenskap hos RA-graniten är att den ofta sönderfaller till en grusvittrad form, något som kan påträffas runt vissa områden på Änggårdsbergen. Syftet med denna undersökning är att konstruera strålningskartor utifrån mätningar för att få bättre kännedom över gammastrålningen i området. Kartorna ska användas för att se ifall områden med grusvittring kan ha påverkats av väldigt höga radioaktiva halter som möjligtvis förhöjer vittringsgraden. För att utföra detta har gammaspektroskopi tillämpats och mätningar med en handhållen gammaspektrometer har utförts. Ett antal lämpliga hällar har undersökts över ett område som omfattar det mesta av Änggårdsbergen förutom de allra östra och sydöstra delarna. I detta arbete beskrivs även området Änggårdsbergen samt nödvändig bakgrundsteori för gammaspektroskopi och radioaktivt sönderfall i allmänhet. Resultaten har bearbetats med hjälp av Excel och ArcMap 10 (GIS-system) och slutsatsen presenteras som en slutgiltig karta från en IDW interpolation. 3. Bakgrund 3.1. Områdesbeskrivning Änggårdsbergen är ett stort skogsområde med omfattande topografi som ligger precis vid gränsen mellan Göteborgs stad och Mölndals kommun. Det betraktas i största del som ett naturreservat. Området har en area på cirka 220 ha och kännetecknas av en höjdplatå som genomskärs av flera dalgångar som tillsammans utformar fem större höjdryggar. Efter den senaste istiden låg området helt under havsnivån. När havet drog sig tillbaka började en riklig skog att växa på hällarna medan sand och leravlagringar avsattes nere i dalgångarna. Idag är Änggårdsbergen ett skyddat område som tas om hand genom ett samarbete mellan Mölndals kommun och Botaniska trädgården. Det är en populär plats för friluftsälskare, fågelskådare och för de som har ett intresse för varierande och spännande växtlighet (Naturförvaltningen, Park- och, 2007) 3

6 Figur 1 Karta över Göteborg (Google Maps, 2012) Figur 2 Närbild över Änggårdsbergens naturreservat. Grön gräns är kommungränsen. Skala finns längst ner i vänstra hörnet vid närmare zoom (Google Maps, 2012) 4

7 3.2. Berggrundsgeologi Det som är mer intressant från ett geologiskt perspektiv, är den något speciella granit som skär igenom området. Bergarten är en granitisk, ibland ögonförande, gnejs (gnejsgranit) som kan hittas i två större stråk. Det ena stråket går genom Tagene i söder ändå upp mot Kungälv i norr. Det andra stråket sträcker sig från Lindome genom Kållered, upp igenom Änggårdsbergen och fortsätter norrut genom Tuve och Kungälv (se figur 9). Graniten är karaktäristiskt röd till gråröd, medelkornig och brukar även kallas för RA-granit eftersom den innehåller förhöjda halter av gammastrålning. Det är bland annat kalium men framförallt uran och torium som når höga, ibland mycket höga värden. Mineralet flusspat finns i mindre mängder och kan ibland läcka ut till grundvattnet vilket orsakar förhöjda fluorhalter. RAgraniten har även den speciella egenskapen att sönderfalla till vittringsgrus, något som har skett på vissa delar av Änggårdsbergen (Sundevall, 2001). Gruset ligger i ett U-format stråk runt det centrala och nordliga området av Änggårdsbergen, nära de två största sjöarna Finnsmossen och Axlemossen. De mörka mineralen utgörs av biotit, blågrönt hornblende och ibland även pyroxen. (Lantmäteriverket, 2007) Förutom graniten kan man även finna pegmatit i form av pegmatitgångar. Pegmatiteten har vanligtvis även högre halter uran, torium och andra REE ämnen än graniten. Begränsade områden på Änggårdsbergen har även klassificerats som högriskområden för marknära radon. En karta som visar dessa riskområden har framställts av SGU (Stadsbyggnadskontoret, 2008) Figur 3 Grusvittrad RA-Granit vid Svensby. (Sundevall, 2001) 5

8 Figur 4 Grusvittrad RA-granit i Änggårdsbergen. Bilden är tagen i närheten av häll 22 (Partalo, 2012) Figur 5 Grusvittrad RA-granit i Änggårdsbergen. Bilden är tagen i närheten av häll 24 (Partalo, 2012) 6

9 Figur 6 Grusvittrad RA-granit i Änggårdsbergen. Bilden är tagen i närheten av häll 25 (Partalo, 2012) Figur 7 Grusvittrad RA-granit i Änggårdsbergen. Bilden är tagen i närheten av häll 25 (Partalo, 2012) 7

10 Figur 8 Berggrundskarta Änggården (Lantmäteriverket, 2007). Områden där omfattande grusvittring finns och har påträffats är markerade med ett gult G. Mörk-orange färg visar utsträckning för RA-granit. Ljusblå färg är ett stråk med metadiorit/metagabbro. Figur 9 Berggrundskarta. Inringade mörk-orange områden visar RA-granitens utbredning (Lantmäteriverket, 2007) 8

11 3.3. Radiometri Radiometriska undersökningar är en mindre omfattande gren inom geofysiken som under historien utvecklats genom ett ökat krav på nya källor av kärnbränsle. Radiometrimätningar kan utföras både med flyg eller direkt på marken (Ringrose-Voase, McKenzie, Grundy, & Webster, 2008). Man mäter främst halter av uran ( 238 U), kalium ( 40 K) och torium ( 232 Th) då de är av störst intresse inom geologiska undersökningar, då de är vanligast i berggrunden och mest radioaktiva. De vanligaste typerna av instrument mäter den gammastrålning som emitteras för att kunna bestämma grundämnet samt upptäcka radioaktivitet i omgivningen (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Metoden är huvudsakligen utvecklad för uranprospektering och geologisk kartering, men det blev snabbt klart att det kan tillämpas inom flera olika områden. Några av dem är andra typer av prospektering eller spårning av radioaktiva spårämnen i grundvatten samt kontroller av marknära radon inom den offentliga hälsosektorn (Musett & Khan, 2000). När det gäller prospektering har radiometri visat sig vara en utmärkt metod för att hitta ytnära urankällor men även indirekt andra icke-radioaktiva ämnen så som titan och zirkon som är associerade med radioaktiva avsättningar (Ward, 1981). Denna typ av uranprospektering är dock väldigt begränsad och kan endast användas vid de översta 0,25 0,4 m från ytan. Metoden kommer dock att minska eller försvinna helt inom de kommande åren på grund av att de flesta tillgängliga källor har redan hittats eller kommer att hittas inom kort (Milson & Eriksen, 2011). Detta tyder på att radiometri i framtiden kommer att fortsätta användas främst i samband med geologisk kartering. Bestämningar av uran, radium, torium och kalium i berggrunden och jordarterna har i Sverige i stor skala utförts i samband med uranprospektering och vid regionala undersökningar av bergarternas innehåll av radioaktiva grundämnen (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Karteringen kan utnyttjas för att indirekt lokalisera vissa malmtyper som t.ex. koppar, zink, bly, tenn och volfram som ofta associeras med förhöjda uran/torium bergarter. Det är även fullt möjligt att använda radiometri till att urskilja vissa bergarter genom deras karaktäristiska radioaktivitet (Ward, 1981) (Milson & Eriksen, 2011). Detta gäller endast felsiska magmatiska bergarter, zoner med kalium metasomatism, sandstenar, karbonater och evaporiter, d.v.s. bergarter med höga koncentrationer av kalium, uran och torium. De flesta vanliga magmatiska och sedimentära bergarter duger alltså inte för detta ändamål. Ibland kan även radioaktiva fosforiter upptäckas där radiometriska undersökningar kan hjälpa till att urskilja olika typer genom deras uraninnehåll (Komov, Lukashev, & Koplus, 1994). 9

12 3.4. Naturligt sönderfall Ämnen ute i naturen kan förekomma i två olika tillstånd; som stabila eller som isotoper. Till skillnad från stabila ämnen har isotoper ett ojämnt antal neutroner och protoner. De flesta isotoper är stabila och oförändliga, men flera av dem är i ett ostabilt tillstånd. Eftersom ämnen i naturen strävar efter att vara i ett stabilt tillstånd, kommer de ostabila isotoperna, någon gång under sin livslängd, att spontant börja sönderfalla och börja bilda nya ämnen. När detta sker blir ämnet radioaktivt. Radioaktivt sönderfall kan definieras som den spontana förändring eller upplösning av en instabil atomkärna då den förändrar sig själv genom att förlora energi (Esam, 2003). Den gör detta genom frisättning av antingen partikelstrålning, elektromagnetisk strålning eller ibland både och. Denna händelse är helt slumpmässig och kan inte förutsägas, men genom att tillämpa statistiska principer till ett stort antal av en viss radionuklid, kan en "genomsnittlig" sönderfallstid hittas och vi har då den så kallade halveringstiden (λ) för ämnet (Trefil, 2003). Det finns tre typer av sönderfall; alfa, beta och gamma. Skillnaden mellan dem är typen av partikel som emitteras under sönderfallet. Alfastrålning sker när atomkärnan ger ifrån sig en alfapartikel (en helium kärna) och är den vanligaste typen av sönderfall. Betastrålning definieras som emittering av en elektron eller positron samt en neutrino. Processen omvandlar protoner till neutroner och vice versa. Varje ämnes radioaktiva sönderfall är väldigt specifikt (Boston University, 2000). I geologiska undersökningar intresserar man sig för den strålning som härrör från isotoper som förekommer naturligt i berggrunden. Tre isotoper är helt dominerande: 1. Kalium Uran Torium-232 Ett schema över dessa ämnens sönderfallskedja presenteras i tabell 1 nedan. 10

13 Tabell 1 Schema över den naturliga sönderfallskedjan för U 238, Th 232, K 40 (Milson & Eriksen, 2011) 11

14 Gammastrålning Gammastrålning är inte en typ av radioaktivt sönderfall (såsom alfa och beta). Snarare är det en mekanism genom vilken överskottsenergi avges från vissa radionuklider, d.v.s. mycket energirik elektromagnetisk strålning från atomens kärna (Argonne National Laboratory, EVS, 2005). Dessa gammavågor brukar bäst betraktas som en ström av fotoner vars energi oftast mäts i ev (elektronvolt). Gammavågor har en frekvens som är större än Hz och energier som ligger mellan 0,1 MeV 3 MeV. Den mängd energi strålningen har beror helt på vilken isotop den härstammar ifrån (Reynolds, 1997). Eftersom fotonerna saknar massa och är elektriskt neutrala, så penetrerar och färdas dem längre sträckor än både alfa och betastrålning. Gammastrålning kan färdas 300 m upp i luften vilket gör flygmätningar möjliga. På marken hindras den genom ett lager av jord eller vatten. När man utför marknära mätningar så är det bra att veta att 90 % av strålningen kommer ifrån de översta cm och endast 10 % från 50 cm och nedåt (Milson & Eriksen, 2011). En bild av de olika strålningarnas penetrationsförmåga presenteras i figur 10 nedan. Figur 10 Jämförelse av de olika strålningstypernas penetrationsförmåga genom olika material (Sundevall, 2001) Radioaktivitet i berggrunden Gammastrålning är ett effektivt verktyg för att upptäcka ostabila atomkärnor. Det genomsnittliga antalet sönderfall för en viss tid är direkt proportionell mot antalet atomer av det ostabila ämnet. Hastigheten av massförlust för ett radioaktivt material bestäms därför av en exponentiell lag som betecknas som halveringstiden (λ) (Milson & Eriksen, 2011). Halveringstiden är den tid det tar för hälften av atomerna i ett prov att förfalla. Den är alltid densamma för en given isotop och det beror inte på hur många atomer som finns eller hur länge de har funnits (Trefil, 2003). Ämnen med kort halveringstid finns i naturen för att dem föds i en sönderfallskedja från långlivade isotoper. Sådana isotoper brukar även kallas för ursprungliga. De huvudsakliga ursprungliga isotoperna är 238 U, 235 U, 232 Th och 40 K. Det finns även andra ämnen som 48 Ca, 50 V och 58 Ni men dem är mycket ovanliga eller svagt radioaktiva (Milson & Eriksen, 2011) Isotopernas förekomst är starkt mineralogiskt betingad, vilket innebär att de förekommer företrädesvis i vissa mineral eller som utfällningar mellan mineralkorn eller på sprickytor 12

15 (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Uran och torium är mycket ovanliga i jordskorpan som helhet med ett genomsnitt på 3 och 12 ppm respektive men brukar ansamlas i magmor med hög kiselhalt. De brukar ha samma koncentration i magman eftersom de är kemiskt similära under reducerande förhållanden i smältor (Musett & Khan, 2000) Höga K, U och Th-värden associeras alltså med felsiska bergarter som granit, ryolit och pegmatit. Det här reflekteras i en generell trend med ökande K, U och Th från mafiska till felsiska bergarter. Kalium utgör ca 2,3 % av jordskorpan och är alltså mycket vanligare. När det gäller felsiska bergarter så brukar U och Th ansamlas inom accessoriska mineral så som apatite, monazite, sphene och zirkon. Kalium hittas oftare i alkalifältspat, muskovit, alunit och sylvit (Lagacherie, McBratney, & Voltz, 2007) Tabell 2 visar de vanliga halterna för kalium, uran och torium i svenska graniter och används som referens i resultatdelen. Tabell 2 Normalhalter för K, U och Th i svensk berggrund (Sundevall, 2001) 3.5. Tidigare undersökningar Änggårdsbergen har aldrig undersökts i en större skala och någon konkret sammanfattning för K, U och Th-halter finns inte. Flygburna gammastrålningsmätningarna har utförts med fokus på marknära radon över området. Sommaren 2001 gjordes en markuppföljning till dessa mätningar av Sven Erik Sundevall. I samband med en berggrundsgeologisk kartläggning av kartbladet Göteborg SV, har Leif Kero genomfört gammaspektrometermätningar sommaren 1997 och Även Thomas Eliasson har utfört mätningar 1998, då i samband med framtagande av en bergkvalitetskarta över Göteborgs kommun och Mölndal. Över 160 punkter har observerats och undersökts inom kommunerna, varav 4 av dem mättes inom Änggårdsbergen (Sundevall, 2001). En kort sammanfattning på deras resultat presenteras i tabell 3 nedan. Tabell 3 Uppmätta värden efter gammaspektroskopimätningar sommaren 2001 (Sundevall, 2001) 13

16 4. Metod och material 4.1. Enhetsförklaring En snabb överblick över några viktiga begrepp och enheter: Aktivitet = Antalet atomkärnor som sönderfaller per tidsenhet. Aktivitet anges i SI-enheten becquerel (Bq). 1 Bq = ett sönderfall per sekund. Bq/kg används för aktivitetskoncentrationen i fast material (t.ex. radium i berg- och jordarter). Ett sätt att ange halter är viktsprocent, eller ppm (parts per million). Omvandling från procent eller ppm till Bq/kg görs enligt följande: 1 % K är ekvivalent med 313 Bq/kg 1 ppm U är ekvivalent med Bq/kg 1 ppm Th är ekvivalent med 4.06 Bq/kg (Sundevall, 2001) 4.2. Gamma Spektrometri Den vanligaste och effektivaste metoden att mäta gammastrålning är med en gammaspektrometer. Vid flygmätningar sätter man fast instrumentet på flygplanet medan markundersökningar använder sig utav en mindre, handhållen variant som är mycket enkel att använda. I denna undersökning användes en spektrometer av typen RS 230 som kan ses i figur 11 nedan. Spektrometern detekterar och analyserar aktiviteten av gammastrålning utan behov av prover innan mätning (Hall & Glysson, 1991). Den kan räkna på enskilda fotoner och mäta den energi som emitteras. Instrumentet är alltså väldigt känsligt. Eftersom energin för varje foton av EM-strålning är proportionell mot dess frekvens kan instrumentet räkna om och omvandla energin för att ta reda på från vilket ämne det härstammar ifrån (Trefil, 2003) Gammaspektrometern består i huvudsak av en detektordel och en analysator del. När det gäller geologiska sammanhang brukar en talliumaktiverad natriumjodidkristall (NaI) användas som detektor. Handhållna instrument har en mycket mindre kristall än vid flygmätningar vilket är självklart smidigare och billigare men ger en sämre upplösning och känslighet, framförallt när det gäller de mer energirika delarna av spektrumet. Detektorns uppgift är att samla in fotoner och omvandla dessa till ljus. Analysatorn tar emot och analyserar signalerna från detektorn (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Figur 11 En handhållen spektrometer av typen RS

17 4.3. Utförande Mätningarna utfördes endast i bra väder då vatten över berggrunden ger missledande värden. Vattnet fungerar som ett naturligt skydd mot strålning och avskärmar en del av radioaktiviteten vilket gör att mätningarna blir lägre än de verkliga. Fältutrustningen bestod av en gammaspektrometer, GPS, karta över området, kompass, batterier och färgpennor. Innan fältmätningar bör man kolla att instrumentet och GPS:en fungerar som de ska med korrekta inställningar. Att ha med extra batterier är starkt rekommenderat då GPS:en och instrumentet slukar ström snabbt. För att en häll skall vara mätbar måste den uppfylla vissa krav. Mätobjektets geometri och dess läge i förhållande till detektorn är helt avgörande för mätresultatet. En idealhäll är relativt platt med en fri sökyta på 2m åt alla håll från instrumentet. Det här kallas även för 2πkonfigurationen och är den vanligaste när man mäter berghällar. För att erhålla tillräcklig precision bör hällens yta överstiga 5m 2 Det är även bra ifall det finns så lite vegetation som möjligt på hällen som kan störa resultatet (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Figur 12 2π-konfigurationen. Linjerna visar den volym som står för 50% respektive 90% av den detekterade strålningen (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982) Mätningarna utfördes med en mättid på 120 s. Instrumentet kalibrerades innan mätningen och detta gällde för alla hällar. För att erhålla goda resultat bör varje häll mätas 3-6 gånger för att sedan kunna få ut ett medelvärde. Varje mätpunkt noterades på kartan och koordinater togs med GPS:en för exakt positionering. De första 18 punkterna fick läggas in separat på en annan karta då GPS:en inte fungerade första dagen Mättid Kvaliteten på resultatet beror mycket på den mättid som används. Tiden bestäms efter de förhållanden och krav man har på mätningen. Det statistiska felvärdet är ungefär 100/ där n står för antalet mätningar instrumentet utför. Detta betyder att felvärdet är ca 30 % för endast 10 mätningar och runt 1 % för mätningar. En enda mätning tar bara några mikrosekunder att utföra (Milson & Eriksen, 2011) 4.5. Svårigheter med spektroskopi Trots att gammaspektrometri är en simpel metod, kan den vara frustrerande att utföra då det finns en rad kalibreringar och mätkrav som skall vara uppfyllda för en lyckad undersökning. Förutom ett rätt inställt instrument krävs det självklart kunnig personal för utförandet. Några av de vanligaste felkällorna och kalibreringar som bör tänkas på innan själva mätningen presenteras kortfattat nedan. Ett par av dessa beskrivs mer utförligt längre ner. 15

18 Kalibreringsfel Instrumentet måste alltid få en stund på sig att kalibrera och ställa in sig inför en mätning annars mäter den felaktigt. Noggrann kalibrering kan även utföras vid vissa stationer runt om i Sverige där det finns isolerade plattor med kända halter av bakgrund, uran, torium och kaliumstrålning. Det kan förekomma fel på plattorna i form av felaktiga halter eller ojämvikter. Kalibrering får inte heller ske i dåligt väder. Instrumentfel Det är viktigt att instrumentet alltid har samma inställningar efter att en mätning påbörjat och att inställningarna är korrekta. Det kan gälla mättiden, enheter eller andra display funktioner. Instrumentet är ömtåligt och det gäller att handskas försiktigt med det. Vid suspekta värden under en mätning kan kristallen antas vara defekt, oftast på grund av sprickskada. Mätfel Det här är en mer omfattande sektion som presenteras mer utförligt som underrubriker nedan Geometriska fel Vid mätning bör man oftast sträva efter samma förhållanden som man hade vid kalibreringen. Då det nästan är omöjligt att uppnå detta krav och antalet platta hällar är litet, kommer det nästan alltid finnas ett felvärde. Om man dock eftersträvar att placera instrumentet korrekt, kan dessa felmarginaler minskas drastiskt. Ett instrument som placeras t.ex. i en grop på hällen kommer resultera i ett ca 10 % högre värde. När man mäter i svårare geologiska förhållanden med mycket omkringliggande bergsväggar, måste man ta hänsyn till att instrumentet kan plocka upp strålningshalter från dessa hällar. Detta beror på att gammastrålningen transporteras långa sträckor i luften. Exempelvis medför strålning från en 10 meter hög bergvägg som ligger 30 meter från detektorn att de uppmätta halterna av uran, torium och kalium blir ca 10 % högre än vad de i verkligheten är (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982) Figur 13 Situationer där standardkalibrering inte gäller (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982) 16

19 Jämvikt och ojämvikt Ett radioaktivt system som är i jämvikt innebär att antalet atomer som sönderfaller från dotterisotopen är detsamma som för moderisotopen (Esam, 2003). Genom att mäta gammastrålningen i ett sönderfallssystem som befinner sig i jämvikt gör det möjligt att etablera antalet moderisotoper genom mätning av antalet dotterisotoper (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982). Ojämvikt i sönderfall kan ske mellan uran och dess dotterisotoper. Detta beror på att uran och flera av dess dotterisotoper lätt går i lösning och även vid normala förhållanden (ph 5-7) lakas bort med vatten. När man utför marknära mätningar kan man därför alltid utgå från att radioaktiv ojämvikt förekommer mellan uran och dess dotterisotoper, framförallt i jordarterna. Radioaktiv ojämvikt föreligger, dock sällan inom toriumserien eftersom torium är mycket mer svårlösligt än uran. Kalium är alltid i jämvikt med kaliumisotopen kalium -40 (Ward, 1981) Bakgrundsstrålning Bakgrundsstrålning utgörs främst av kosmisk strålning, egenstrålning från instrumentet samt strålning från luftburen radon. Det enklaste sättet att bestämma bakgrundsstrålningen är att mäta över en vattenyta som åtminstone är 1 m djup och 10 m bred. Avståndet till land måste överstiga 50 meter. Variationer i bakgrundsstrålning beror oftast på höjden över havet, longitud och latitud samt rådande väderförhållanden. Dess storlek motsvarar normalt ca 0,2 % K, 0,5 ppm U och 0,8 ppm Th respektive 60,2 Bq/kg K, 6,2 Bq/kg Ra -226 och 3.2 Bq/kg Th -23. Normalt överstiger inte bakgrundsstrålningen mer än 10 % av de totala mätningarna och brukar därför oftast inte tas hänsyn till (Milson & Eriksen, 2011) (Ward, 1981) Regnfall och vattenhalt Vatten är ett problematiskt moment då det har förmågan att skärma av en del av gammastrålningen. Det lägger sig som en hinna över hällarna och kan även tränga sig in i porerna som finns i berget. Om det sker kan vattnet även skölja bort en stor mängd av närvarande isotoper. Mängden vatten beror på porositeten av bergarten. Mätningar över blöta områden kommer alltså att ge lägre mätvärden från de verkliga. Det är därför mycket viktigt att utföra radiometrimätningar under endast soligt väder och torra förhållanden för att erhålla bästa möjliga resultat. Om det har regnat är det bäst att inte mäta på ett par dagar innan vattnet har torkat bort. Detta är en tumregel för mätningar inom Sverige då andra områden i världen kan ha högre torkningsgrad och där endast en dag eller bara några timmar efter regn räcker för att kunna utföra mätningar (Ward, 1981) (Mellander, Österlund, & Åkerblom, 1982) 4.6. GIS Geographic Information Systems Resultatet kommer att presenteras i form av flera strålningskartor över det undersökta området. För att kunna uppnå detta måste datan bearbetas med hjälp av en GIS-mjukvara, i detta fall ArcMap 10. Ett GIS-program kan ta emot, bearbeta, analysera data för att sedan framställa en slutgiltig produkt, ofta i form av en karta. Ett GIS program är även behövligt för att lägga in alla koordinater för mätpunkterna och georeferera de till en karta för bra överblick. Slutligen kommer en interpolation (IDW) utföras för att få ut en representativ output. Som klassificering användes natural breaks. 17

20 5. Resultat Nedan presenteras resultaten från undersökningen. Figur 14 visar en enkel områdeskarta med numrerade hällar. Figur 15 visar alla mätpunkter som var med i undersökningen samt interpolationens omfattning och område där grusvittring hittades. Strålningskartor för K, U och Th presenteras separat. Figur 14 Områdeskarta med mätpunkter och hällnummer (Google Maps, 2012) Legend Grusvittring IDW gräns Figur 15 Alla uppmätta hällar med siffor som markerar waypoint-nummer. Röd gräns omfattar interpolationens omfattning och grön gräns visar område där grusvittring hittades. 18

21 Tabell 4 Dokumentationsdata från Änggårdsbergen. Uppmätta strålningshalter presenteras som medelvärden av flera mätningar på samma häll. Alla mätningar utfördes på RA-granit. Häll K (%) U (ppm Th (ppm) Dose (μrh 1 ) N koord E koord 1 5,37 15,40 78,60 36, , , ,70 11,00 61,90 27, , , ,50 12,50 46,75 25, , , ,00 5,20 55,60 24, , , ,63 9,87 55,03 26, , , ,15 8,20 50,80 23, , , ,97 9,40 50,80 25, , , ,27 16,60 78,33 37, , , ,90 11,30 57,70 29, , , ,23 19,47 68,80 33, , , ,77 11,73 59,83 28, , , ,10 18,40 76,20 37, , , ,37 12,67 81,87 35, , , ,20 13,60 72,30 36, , , ,30 10,45 66,20 30, , , ,25 11,70 69,80 32, , , ,90 9,80 71,70 31, , , ,65 10,55 65,70 29, , , ,90 10,40 70,95 31, , , ,70 12,45 63,15 29, , , ,00 11,20 65,80 30, , , ,50 13,70 70,20 32, , , ,80 11,15 68,15 30, , , ,90 10,30 60,80 28, , , ,60 9,10 65,15 28, , , ,60 12,45 66,85 30, , , ,83 7,80 28,90 18, , , ,97 14,75 53,25 28, , , ,03 9,73 66,30 29, , , ,27 5,60 44,20 21, , , ,20 10,30 57,85 27, , , ,00 9,90 53,45 26, , , ,30 14,23 73,73 34, , , ,13 12,53 69,23 32, , , ,25 11,85 68,55 31, , , ,10 11,35 73,73 32, , , ,10 14,20 70,60 33, , , ,55 9,75 72,30 32, , , ,80 11,60 63,40 29, , , ,20 14,93 70,30 33, , , ,37 11,57 71,20 32, , , ,47 0,60 15,87 11, , , ,57 15,10 82,07 37, , , ,23 13,87 77,70 35, , , ,23 16,53 83,93 38, , , ,63 8,13 55,67 25, , ,1 47 4,83 18,97 87,47 40, , , ,77 20,23 82,20 39, , ,904 19

22 Figur 16, 17 och 18 visar de uppmätta gammahalterna över Änggårdsbergen. Kalium presenteras i % då halterna är mycket högre än U och Th. De högst uppmätta värden för kalium finns generellt i den sydvästra delen av området. Mer exakt uppmättes de högsta halterna i punkterna 1, 9, 38, 41, 42, och 43 där punkt 1 toppade med en halt på 5.9 % (Tabell 4). Det lägsta värdet på 3.23 % uppmättes i punkt 10. Halterna visar inga större variationer och ligger mellan 3-6 % i genomsnitt vilket är en normal kaliumnivå för svensk berggrund (se tabell 2 för referens). Det är värt att notera att kaliumhalterna är normalt lägre där uran och toriumhalterna är högre (se figur 16 och 17 för jämförelse). Figur 16 Uppmätta K-halter i % (Natural breaks) 20

23 Figur 17 representerar fördelningen av uransönderfall. Resultatet visar en relativt större variation i halter än kalium. De allra högst uppmätta halterna återfinns i punkterna 1, 8, 10, 12, 28, 43, 45, 47 och 48 där punkt 48 toppar med en halt på ppm vilket är högt över det normala värdet (se tabell 2) för svensk berggrund. Generellt ligger halterna runt ppm i området vilket är ändå relativt högt. Mätpunkt 46 som ligger i sydvästra delen av Änggården (se figur 17), uppvisar en extrem urananomali med värden så låga som 0,6 ppm vilket är under det normala. Figur 17 Uppmätta uranhalter i ppm (Natural breaks) 21

24 Figur 18 visar den uppmätta fördelningen av torium. Halterna är allmänt höga eller mycket höga och ligger genomsnittligt på 3-7 gånger så höga halter som uran. De högsta halterna uppmättes i punkterna 1, 8, 13, 43, 45, 47 och 48 där punkt 47 toppade med en halt på ppm. Två låga värden mättes i punkt 27 och 43 med halter på 28.9 och respektive. Det är värt att notera att toriumhalterna är höga där uranhalterna är höga. Figur 18 Uppmätta toriumhalter i ppm (Natural breaks) 22

25 Relation mellan U och Th ppm 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 U Th 0, Hällnummer Figur 29 Översikt för relationen mellan U och Th i mätpunkterna 7,00 Fördelning av Kalium 6,00 5,00 4,00 % 3,00 K 2,00 1,00 0, Hällnummer Figur 10 Fördelningen av kalium i mätpunkterna 23

26 6. Diskussion Gammaspektroskopi har visat sig vara en väldigt bra och enkelt metod att utföra marknära strålningsundersökningar. Tack vare ett händigt instrument kan man täcka stora områden relativt snabbt. Metoden är även tillräckligt bra för att kunna användas på egen hand eller vid behov av komplettering av flygundersökningar. De uppmätta kaliumhalterna visar en relativt jämn nivå och inga större variationer påträffas. Halterna varierar mellan 3-5% vilket enligt tabell 2 är en normal nivå för svensk berggrund. Uran och torium förekommer däremot i högre och mer varierande halter vilket är det som gör RA-graniten karaktäristisk. Halten av uran i berggrunden är i allmänhet låg. Vanliga halter är 3 8 gram per ton berg (1 ppm = 1 gram per ton) vilket motsvarar Bq/kg ppm gäller för graniter (Sundevall, 2001). Dock bör det poängteras att redan 16 gram uran per ton berg innebär att bergarten betraktas som olämplig som byggnadsmaterial. Normalt förekommer torium med tre gånger högre värden än uran men i Änggårdsbergen har värden upp till 7x högre uppmätts vilket är mycket över det normala. Enligt tabell 2 ligger normalhalter av uran runt 2-10 ppm och 5-20 ppm för torium. De genomsnittliga halterna i Änggårdsbergen hamnade kring ppm för uran samt ppm för torium vilket innebär högre uranhalter än det normala respektive mycket högre toriumhalter. Liknande halter har uppmätts i tidigare undersökningar. Tabell 3 visar strålningshalter med ett genomsnitt på ca 15 ppm för U och 70 ppm för Th. Vissa lokala mätningar visar mycket höga uranhalter, upp mot 30 ppm. Dessa lokala variationer påträffades även i denna undersökning, ofta i samband med närliggande pegmatitgångar. Pegmatiter har känt en hög anrikning på isotoper vilket instrumentet känner av ifall det är placerat för nära. Mätpunkt 42 (se tabell 4) medförde en mycket märklig anomali i form av en kraftig sänkning av uran och toriumhalterna som uppmättes till mycket lägre värden jämfört med resterande området. Kalium visade dock inga förändringar. Denna anomali är troligtvis orsakad av en annan bergart. När kartering utfördes på plats så antogs bergarten vara granit men en högt vittrad yta och mossa gjorde det svårt att avgöra exakt. Figur 8 visar ett stråk av metadiorit/metagabbro som sträcker sig i en smal slinga längst västra delen av området vilket kan vara den uppmätta bergarten. Punkt 42 ligger dock utanför kartan och ingen slutsats kan dras. När man kollar på relationen mellan uran och torium så kan man tydligt se att de följer varandra väl. Där uran har en topp har även torium det. Generellt kan man säga att halten torium ligger på tre till fem gånger mer än halten uran. Kalium åt andra sidan tycks inte visa någon relation till uran eller torium och är mer varierande till dessa. Snarare verkar det som att kaliumhalterna har toppar där uran och torium har dalar. Grusvittrad RA-granit påträffades i vissa områden, se resultat för referens. Mätningar i dessa områden visar förhöjda halter av gammastrålning jämfört med normalhalterna men lägre relativa halter med resten av Änggården. Uppmätta värden kring grusvittringen ligger som genomsnitt ppm U och ppm Th. Detta gör det svårt att fastställa ifall graniten har vittrat som en följd av strålningshalterna eller inte. Det verkar som om strålningen inte har påverkat vittringen men kompletterande mätningar bör utföras. Det som kan ha orsakat vittringen är oklart. Grusvittringen är ett fenomen som har överlevt från den senaste istiden och verkar ha avsatts innan glaciationen. Strålningen verkar inte påverka vittringen på egen hand utan det kan vara ett resultat av flera olika faktorer i samband med varandra. 24

27 7. Slutsats Genom mätningar har en strålningskarta utförts som visar de uppmätta strålningshalterna samt områden där vittringsgrus har påträffats. Eftersom områden med grusvittring inte visar några relativt förhöjda halter gammastrålning, antas strålningen inte påverka vittringen. Kompletterande undersökningar bör utföras. 8. Felkällor Tyvärr hann inte hela området undersökas som planerat då det var mycket regn under fältveckorna. Sista mätdagen utfördes dagen efter regn så de uppmätta halterna kan vara en aningen missledande då det fortfarande var en aningen blött på marken. Då största delen av Änggårdsbergen lyckades täckas, var det ganska svårt att hitta mätbara hällar då de flesta inte var tillräckligt platta eller tillräckligt synliga. Många hällar var täcka med mycket mossa och andra växter som kan ha påverkat resultaten. Stora delar av Änggården var täckta med så mycket barr och växtlighet att inga hällar syntes. Mätningar på vissa hällar kan ha påverkats av ibland närliggande pegmatitgångar. 9. Tack Ett stort tack till min handledare Erik Sturkell. Tack för all material, hjälp och tid som har varit väldigt värdefullt och uppskattat. Jag vill också tacka SGU som lånade ut sin gammaspektrometer till denna undersökning. Tack till David Cornell som har ställt upp som examinator och ett speciellt tack till min arbetskamrat Sofia Larsson som stått ut med mig och varit hjälpsam under hela arbetets gång. 25

28 Litteraturförteckning Argonne National Laboratory, EVS. ( ). Hämtat från Environmental Science Division: Boston University. (2000). Hämtat från Boston University Physics: Esam, H. M. (2003). Handbook on Radiation Probing, Gauging, Imaging and Analysis: Volume I Basics and Techniques. Kluwer Academic Publishers. Google Maps. ( ). Hämtat från Hall, J. R., & Glysson, D. (1991). Monitoring Water in the 1990's: Meeting New Challenges. American society for testing and materials. Komov, I. L., Lukashev, A. N., & Koplus, A. V. (1994). Geochemical Methods of Prospecting for Non-metallic Minerals. CRC Press; Expanded edition. Lagacherie, P., McBratney, A., & Voltz, M. (2007). Digital Soil Mapping, Volume 31: An Introductory Perspective. Elsevier Science. Lantmäteriverket. (2007). Topografiskt underlag: Ur vägkartan. Nya Ljungföretagen/ Tabergs tryckeri AB. Mellander, H., Österlund, S. E., & Åkerblom, G. (1982). GAMMASPEKTROMETRI - EN METOD ATT BESTÄMMA RADIUM OCH GAMMAINDEX I FÄLT. Malå: SVERIGES GEOLOGISKA AB. Milson, J., & Eriksen, A. (2011). Field geophysics. John Wiley & Sons Ltd. Musett, A. E., & Khan, A. M. (2000). Looking into the earth. Cambridge University Press. Naturförvaltningen, Park- och. (2007). Naturen i Göteborg. Hämtat från v/anggardsbergen.pdf/$file/anggardsbergen.pdf Partalo, D. ( ). Berggrundsgeologi i Änggårdsbergen. Göteborg, Sverige. Reynolds, M. J. (1997). Introduktion to applied and environmental geophysics. Wiley; 1 edition. Ringrose-Voase, A. J., McKenzie, N. J., Grundy, M. J., & Webster, R. (2008). Guidelines for Surveying Soil and Land Resources. CSIRO Publishing. Stadsbyggnadskontoret. (2008). Hämtat från Centrum för klimatpolitisk forskning (CSPR): den Sundevall, S.-E. (2001). Tillståndet i miljön. Hämtat från Naturvårdsverket: orter/halsa/radon_s.pdf Trefil, J. (2003). The Nature of Science: An A-Z Guide to the Laws and Principles Governing Our Universe. Houghton Mifflin Harcourt. Ward, S. H. (1981). Hämtat från University of Utah:

29 27