UNIVERSITY OF GOTHENBURG Department of Earth Sciences Geovetarcentrum/Earth Science Centre Gammastrålningsmätningar i Änggårdsbergen, södra Göteborg Mätning av kalium, uran och toriumhalter i Änggårdsbergen Sofia Larsson ISSN 1400-3821 B694 Bachelor of Science thesis Göteborg 2012 Mailing address Address Telephone Telefax Geovetarcentrum Geovetarcentrum Geovetarcentrum 031-786 19 56 031-786 19 86 Göteborg University S 405 30 Göteborg Guldhedsgatan 5A S-405 30 Göteborg SWEDEN
Gammastrålningsmätningar i Änggårdsbergen, södra Göteborg- Mätning av kalium, uran och toriumhalter. Sofia Larsson, Göteborgs Universitet, Institutionen för Geovetenskaper Sammanfattning Änggårdsbergen i södra Göteborg består av en granittyp kallad RA-granit på grund av sin förhöjda radioaktiva strålning. I området förekommer även grusvittring av berggrunden och i denna rapport utreds hur strålningsfördelningen/strålningshalterna ser ut genom att skapa en strålningskarta över området samt att undersöka om de har något samband med vittringen. För att genomföra undersökningen användes en gammastrålningsspektrometer, av typen RS- 230 BGO Super-Spec, som registrerar gammastrålning från kalium, uran och torium med hjälp av en NaI-kristall. De resulterande kartorna framställdes sedan med hjälp av ArcMap 10. Resultatet visar att området har normala kaliumhalter medan uran och toriumhalterna är rejält förhöjda. Dock fann vi inget samband mellan den förhöjda strålningen och vittringsgraden av berget och slutsatsen blir därför att den radioaktiva strålningen inte påverkar vittringen av berget. Nyckelord: Änggårdsbergen, RA-granit, radioaktivstrålning, grusvittring, RS-230 BGO Super-Spec, ArcMap10. Abstract Änggårdsbergen in Southern Gothenburg consists of a sort of granite called RA-granite because of its increased radioactive radiation. In the area there is some gravel weathering and the purpose of this rapport is to study the distribution of the radiation by creating a radiation map over the area and investigate if there is any connection between the weathering and the radiation. To perform this study a gamma ray spectrometer, model RS-230 BGO Super-Spec, was used. It records the gamma rays from potassium, uranium and thorium with a NaI-crystal. The resulting maps were produced using ArcMap10. The result shows that the area has normal potassium concentrations but increased concentrations of uranium and thorium. However, we found no connection between the increased radiation and the weathering of the rock and therefore the conclusion must be that the radiation has not affected the degree of weathering. Keywords: Änggårdsbergen, RA-granite, radioactive radiation, gravel weathering, RS-230 BGO Super-Spec, ArcMap10. 1
Innehåll 1. Inledning... 3 1.1 Områdesbeskrivning... 3 1.2 Strålning... 4 1.3 Gammastrålningsspektrometer... 5 1.4 ArcMap10... 5 2. Metod... 6 2.1 Gammastrålningsspektrometern... 6 2.2 Datahantering... 7 3. Resultat... 7 3.1 Kalium... 9 3.2 Uran... 10 3.3 Torium... 11 3.4 Diagram över utförda mätningar... 12 4. Diskussion... 13 4.1 Kalium... 13 4.2 Uran... 13 4.3 Torium... 13 4.4 Diagram över utförda mätningar... 13 5. Felkällor... 13 5. Slutsats... 14 6. Tackord... 14 7. Referenser... 14 2
1. Inledning Syftet med det här arbetet var att, i samarbete med Sveriges Geologiska Undersökning, SGU, skapa en strålningskarta över Änggårdsbergen genom mätningar med en gammastrålningsspektrometer och presentera resultatet med hjälp av ArcGIS. De radioaktiva ämnen som mättes var uran, torium och kalium. Mätningarna användes sedan för att se fördelningen av strålningshalterna samt för att se om strålningen har något samband med vittringsgraden av berget. 1.1 Områdesbeskrivning Änggårdsbergen ligger i södra Göteborg och sträcker sig från Sahlgrenska Universitetssjukhuset till Fässberg (Figur 1). Området, som till stor del är klassat som naturreservat, är ca 220 hektar stort och där finns bland annat Göteborgs Botaniska trädgård och Högsbo pegmatitbrott. Figur 1. Kartan visar Änggårdsbergens utsträckning (skogsområdet). Den gula markeringen visar den del av området som omfattas av kartorna i resultatet. De vita punkterna visar alla mätpunkter och den röda markeringen markerar vart grusvittring förekommer. Siffrorna står för mätpunktsnummer. (Google Maps, 2012) Bergarten i området är en gnejsig granit som kallas Kärra-graniten eller RA-graniten, där RA står för radioaktiv (Lindström, Lundqvist, & Lundqvist, 1991). Radioaktiviteten beror på det höga innehållet av uran och torium. RA-graniten sträcker sig från Lindome genom Änggårdsbergen vidare mot Kungälv i nordsydling riktning (Sundevall, 2002). Graniten är lokaliserad väster om den så kallade mylonitzonen, ett område med mycket stark deformation, och tillhör det västra gnejssegmentet (Lindström et. al, 1991). I det västra gnejssegmentet, också kallat västra segmentet, förekommer bergarter med en ålder mellan 0,9 och 1,6 miljarder år (Bergström, Eliasson, Göransson, Hellström, & Hosseln, 2006). RA-graniten är ca 1300 miljoner år och är rödaktig på grund av att den innehåller 3
mycket kalifältspat både i matrixet men också som ögon på vissa ställen. Den är övervägande medelkornig men det förekommer även grovkornigare partier (Antal, Carlsäter, Claeson, Jonsson, & Sukotjo, 2005). Karaktäristiskt för RA-graniten är också att den grusvittrar i vissa områden (Sundevall, 2002). Graniten har intruderats rikligt av pegmatitgångar i varierande storlekar, allt från några millimeter till, som vid Högsbo pegmatitbrott, flera meter breda. Gångarna ligger generellt i nord-sydlig riktning genom hela området. 1.2 Strålning Strålning förekommer överallt i naturen och det finns alltid en viss bakgrundsstrålning. Det finns olika källor till denna radioaktiva strålning; kosmisk strålning, kosmogeniska radionukleider och ursprungliga radionukleider. Det är de ursprungliga radionukleiderna som är de intressanta i denna undersökning. (Durrance, 1986) Ursprungliga radionukleider är de som var närvarande redan då jorden bildades för 4,6 miljarder år sedan. De ämnen med lång halveringstid är de som finns kvar idag, men även uran och torium som har relativt kort halveringstid förekommer och det beror på att de har moderisotoper med lång livstid vilket gör att 238 U och 232 Th fortfarande bildas (Durrance, 1986). Att ett grundämne är radioaktivt innebär att det spontant sönderfaller till ett annat ämne. Det är vid sönderfallet den radioaktiva strålningen avges. Det finns tre olika sorters strålning; alfastrålning, då en heliumatom (dvs. 2 neutroner och 2 protoner) avges, betastrålning, där elektroner avges samt gammastrålning som skickar ut fotoner. Kalium är det vanligast förekommande radioaktiva ämnet i berggrunden. 40 K isotopen, som är radioaktiv, utgör 0,012 % av allt kalium och finns både i berggrunden och i organiskt material (Durrance, 1986). Isotopen har en halveringstid på 12500 miljoner år (Sundevall, 2002). Uran och torium förekommer i betydligt lägre halter än kalium och mäts generellt i promillehalt medan kaliumhalter anges i procent. Torium har i sin tur oftast en halt tre gånger den för uran. Tabell 1 visar normala halter av kalium, uran och torium i svensk granitberggrund (Sundevall, 2002). Tabell 1. Normala halter av K, U och Th för graniter i Sverige (Sundevall, 2002). 4
1.3 Gammastrålningsspektrometer Gammastrålningsspektrometer är ett sorts instrument som används för att mäta halten radioaktiv strålning från berggrunden. I spektrometern finns en mottagare och en analysator. Analysatorn består av en NaI-kristall som reagerar på gammastrålning. Då kristallen träffas av en foton bildas en ljusblixt med en viss energi beroende på vilket ämne det är som skickat ut fotonen. Denna energi registreras som en puls om dess värde ligger inom något av de energiintervall som är intressanta för undersökningen, och alltså inställt på instrumentet (Sträng, 1997). Energifönstren, som energiintervallen kallas, finns för att man inte ska missa de partiklar med något avvikande energimängd från standardvärdet och få ett så tillförlitligt resultat som möjligt (Milsom, 2003). Spektrometern mäter i en cirkel som är ca 2 meter i diameter och mätgeometrin nedåt i berget kan ses i Figur 2. Som bilden visar kommer 60 procent av strålningen från det mörkare gråmarkerade området som är skålformat. Dock är det inte all strålning inom ett område som fångas upp av spektrometern då partiklarna kan ha olika riktning och därför inte träffar spektrometerns kristall. De kan också absorberas av exempelvis vatten eller störas av vegetation innan de når spektrometern. (Mussett & Aftab Kahn, 2000) Figur 2. Spektrometerns avläsningsgeometri nedåt i berget. (Mussett & Aftab Kahn, 2000) 1.4 ArcMap10 ArcMap10 är ett datorprogram vars användningsområden är många. I detta fall används ArcMap10 för att presentera mätdata i form av kartor (Heywood, Cornelius, & Carver, 2011). Med hjälp av verktyget IDW, Inverse Distance Weighted, interpoleras värden i kartan (Childs, 2004). 5
2. Metod I detta arbete mättes gammastrålning från tre radioaktiva grundämnen och dessa var kalium, uran och torium. Positionen för mätpunkterna angavs med hjälp av en GPS och fördes efter bearbetning in i programmet ArcMap10. 2.1 Gammastrålningsspektrometern För att utföra mätningarna användes en gammastrålningsspektrometer av modell RS-230 BGO Super-Spec. Tre så kallade energifönster användes som spektrometern skulle registrera. Dessa var 1,66 1,86 MeV för 214 Bi, 2,42 2,82 för 208 Tl samt 1,36 1,56 MeV för 40 K. Spektrometern kalibrerades före varje ny mätpunkt och placerades sedan på en häll. Kriterierna som hällen måste uppfylla är att vara relativt platt och fri från vegetation samt att det måste vara torrt ute då vatten är en bra strålningsavskärmare. Mättiden som användes var 120 sekunder per mätning. Det gjordes som standard tre mätningar per häll om de inte uppvisade några märkliga värden, exempelvis väldigt höga värden eller stor variation vid samma häll, då gjordes upp till sex mätningar i samma område. Då 40 K sönderfaller avges en foton med energi på 1,46 MeV och 40 Ar bildas. Det är detta sönderfall som registreras av spektrometern (Milsom, 2003). När det gäller uran är det sönderfallskedjan för isotopen 238 U som är intressant. Det är inte själva uranet som mäts utan man använder 214 Bi (vismut) som ingår i sönderfallskedjan (Figur 3) och alltså är direkt kopplat till halten av uran. När 214 Bi sönderfaller till 214 Po (polonium) sändes en partikel med en laddning på 1,76MeV ut (Milsom, 2003) och registreras av instrumentet. 232 Th är den radioaktiva isotopen för torium och då den sönderfaller i sitt första steg bildas bara en mycket svag energipartikel (0,06MeV). Istället är det sönderfallet av 208 Tl (tallium) till 208 Pb (bly) med en energi på 2,62 MeV som registreras av kristallen i spektrometern (Milsom, 2003). 6
Figur 3. Sönderfallskedjor för 232 Th och 238 U. De röda cirklarna visar sönderfallssteget som registreras av spektrometern i denna undersökning (World Nuclear Association, 2011) 2.2 Datahantering Då mätningarna genomförts bearbetades all data från gammastrålningsspektrometern, och mätpunkter från GPSen på ett så sätt att den blev kompatibel med ArcMap10. För varje uppmätt häll räknades ett medelvärde från mätningarna ut. I ArcMap10 skapades sedan en strålningskarta för var och ett av de uppmätta ämnena. Det gjordes genom att värdena från de olika mätpunkterna interpolerades med hjälp av verktyget IDW. Diagram med värdena för de undersökta hällarna framställdes i excel för att se om ämnenas variationer har något samband. 3. Resultat Mätpunkterna, med ett medelvärde för varje punkt, presenteras i Tabell 2. Värden för uran och torium inom normalhalten är markerade samt de hällar som låg inom det område där grusvittring förekommer. 7
Tabell 2. Alla mätpunkter med ett medelvärde från mätningarna. De blåmarkerade värdena ligger inom normalvärdet för U och Th. De rödmarkerade punkterna är de som togs inom det grusvittrade området. Mätpunkt nr. K (%) U ( ) Th ( ) 1 5,37 15,40 78,60 2 4,70 11,00 61,90 3 4,50 12,50 46,75 4 5,00 5,20 55,60 5 4,63 9,87 55,03 6 4,15 8,20 50,80 7 4,97 9,40 50,80 8 5,27 16,60 78,33 9 5,90 11,30 57,70 10 3,23 19,47 68,80 11 4,77 11,73 59,83 12 5,10 18,40 76,20 13 5,37 12,67 81,87 14 5,20 13,60 72,30 15 5,30 10,45 66,20 16 5,25 11,70 69,80 17 4,90 9,80 71,70 18 4,65 10,55 65,70 19 4,90 10,40 70,95 20 4,70 12,45 63,15 21 5,00 11,20 65,80 22 4,50 13,70 70,20 23 4,80 11,15 68,15 24 4,90 10,30 60,80 25 4,60 9,10 65,15 26 4,60 12,45 66,85 27 4,83 7,80 28,90 28 4,97 14,75 53,25 29 5,03 9,73 66,30 30 5,27 5,60 44,20 31 5,20 10,30 57,85 32 5,00 9,90 53,45 33 5,30 14,23 73,73 34 5,13 12,53 69,23 35 5,25 11,85 68,55 36 5,10 11,35 73,73 37 5,10 14,20 70,60 38 5,55 9,75 72,30 39 4,80 11,60 63,40 40 5,20 14,93 70,30 41 5,37 11,57 71,20 42 5,47 0,60 15,87 43 5,57 15,10 82,07 44 5,23 13,87 77,70 45 5,23 16,53 83,93 46 4,63 8,13 55,67 47 4,83 18,97 87,47 48 4,77 20,23 82,20 8
3.1 Kalium Resultatet av mätningarna gällande kalium kan ses i figur 4. Halterna för kalium presenteras i procent och varierar i området från 3.24 till 5.89 % vilket är normala värden för kalium i en svensk granitberggrund (Tabell 1). Värdena för kalium är normala genom hela området och det är inga drastiska variationer någonstans. Hällarna inom det grusvittrade området har värden mellan 4,5 och 5,2 %. Figur 4. Strålningskarta för kalium i området där halterna presenteras i procentform. De numrerade punkterna representerar position där mätningar gjordes och de svarta punkterna visar vilka mätningar som skedde inom det grusvittrade området. 9
3.2 Uran Figur 5 visar variationen av uranstrålningen som är mellan 0,6 (extremt lågt) och drygt 20 ppm. Majoriteten av mätvärdena för uran uppvisar högre halter än normalvärdena då de flesta värden är över 10 ppm, (Tabell 2). De hällar som mättes inom det grusvittrade området visade halter från 9,1 till 14,93 ppm vilket är något förhöjda värden, förutom 9,1 som ligger inom normalintervallen. Dessa var dock inte några av de högsta halterna som uppmättes i Änggårdsbergen. De högsta värdena ligger utspridda med de allra högsta halterna i öster (punkt 47 och 48) och i söder (punkterna 43-45). Figur 5. Strålningskarta för 238 U i Änggårdsbergen. De numrerade punkterna visar vart mätningarna utfördes och de svarta punkterna markerar vilka mätningar som ligger inom det grusvittrade området. 10
3.3 Torium Toriummätningarna visar att hela området har en extremt hög toriumhalt (Figur 6). Normalvärdet för torium är 5-20 ppm och inom detta intervall hamnar endast en mätning. Majoriteten av värdena ligger mellan 50-80 ppm vilket är mycket höga värden. Toriumkartan visar på en genomgående hög strålningshalt i området och grusvittringsområdet skiljer sig inte nämnvärt från omgivningen. Halterna som uppmättes på de hällar inom grusvittringsområdet är mellan 60,8 och 70,3 ppm vilket är mycket höga halter men inte de högsta. De högsta halterna finns, precis som för uran, i östra (punkt 47 och 48) och i södra (punkt 43-45) delarna av Änggårdsbergen. Figur 6. Strålningskarta för 232 Th i Änggårdsbergen. De numrerade punkterna visar vart mätningar utförts och de svarta punkterna markerar vilka mätningar som gjordes inom det grusvittrade området. 11
3.4 Diagram över utförda mätningar Figur 7 visar halterna av kalium för varje mätt häll i Änggårdsbergen och i Figur 8 visas uranoch toriumhalterna. Uran och toriumkurvorna följer varandra väldigt bra och generellt är toriumhalten 5-6 gånger högre än uranhalten vilket är en stor skillnad, normalt brukar toriumhalten vara cirka 3 gånger högre än den för uran (Sundevall, 2002). Kaliumkurvan verkar också följa i stort sett samma mönster som kurvorna för de andra ämnena. Figur 7. Diagram för kaliumvariationerna i området. Uran och toriumvariationer i området Halt (ppm) 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 Hällnummer U Th Figur 8. Diagram över variationen av de uppmätta uran- och toriumhalterna. 12
4. Diskussion 4.1 Kalium Resultatet visar att kaliumvärdena i området är normala och med tanke på det är det inte troligt att kaliumhalten har någon påverkan på vittringsgraden av berget. Något som styrker denna teori är att halterna varken är extra höga eller varierande där grusvittringen förekommer. 4.2 Uran Uran uppvisar förhöjda halter i området, men de högsta värdena sammanfaller inte med grusvittringen. På grund av detta är det svårt att tro att det finns ett samband mellan uranhalten och vittringsgraden av berget. 4.3 Torium Toriumhalterna är extremt höga i hela området men med dessa mätresultat som grund är det svårt att se något samband mellan toriumstrålningen och grusvittringen. Inte heller de högsta värdena för torium sammanfaller med vittringsområdet och det är troligt att vittringen inte påverkas av halten radioaktiva ämnen närvarande. 4.4 Diagram över utförda mätningar Det Figur 7 och 8 visar är att det verkar finnas ett samband mellan strålningshalterna för de olika ämnena i området och detta antagande baseras på att kurvorna ser ut att följa varandra i de flesta fall. Orsaken är svårt att veta utifrån de mätningar som utförts i detta arbete, studier av och mer kunskaper inom till exempel mineralogi och petrologi skulle behövas för att komma fram till något bra svar. Förhållandet mellan uran och torium i Änggårdsbergen är nästan dubbelt så stort, upp till 1:6, som det generella förhållandet Sundevall (2002) anger på 1:3. Skälet till detta är också svårt att veta utan vidare undersökningar i området eller mer kunskap inom ämnet. 5. Felkällor Den enda mätning för torium, nr. 42, som visade ett normalt värde togs då det regnat mycket dagarna innan och kan vara felaktig på grund av avskärmande vatten i berggrunden. Även uranvärdet vid denna häll var extremt lågt och det är troligt att det var för mycket vatten i marken för att vara ultimat för gammastrålningsundersökningar. De låga värdena kan också bero på att det enligt tidigare karteringar ska finnas en metadiorit/metagabbro i detta område (Lantmäteriet, 2007). Dock karterades hällen som granit i fält och det är mest troligt att de avvikande värdena beror på vattenansamlingar i berget. Samma förhållande gällde från punkt 40-48 som togs efter att det regnat kraftigt och dessa värden kan alltså vara något missvisande även om det bara är punkt nr 42 som visar rejäla avvikelser. Värdena från dessa punkter bedömdes vara så pass bra att de ändå kunde användas för att framställa kartorna. 13
De områden på strålningskartorna som saknar mätpunkter är endast ett resultat av IDWanalysen som gjordes i ArcMap10 och är därför inte helt pålitliga. Områdena i närhet till mätpunkterna är de som är mest tillförlitliga. 5. Slutsats Det som kan ses från dessa mätningar är att det är förhöjda halter av uran och framförallt torium i området Änggårdsbergen. Dock kan man med hjälp av dessa mätningar inte se något samband mellan höga strålningshalter och stark grusvittringen av berget. Då inget av de tre mätta ämnena påvisar sina högsta värden där grusvittringen förekommer blir slutsatsen att vittringen måste bero på andra faktorer än stark radioaktiv strålning. 6. Tackord Ett stort tack till Sveriges Geologiska Undersökning (SGU) som gjorde detta examensarbete möjligt och som lånade ut instrumentet RS-230 BGO Super-Spec till oss. Tack till prof. Erik Sturkell från Göteborgs Universitet som handlett arbetet och prof. David Cornell som ställt upp som examinator. Jag vill sist men inte minst tacka min kollega Dario Partalo för ett bra samarbete ute i fält. 7. Referenser Antal, L. I., Carlsäter, M., Claeson, D., Jonsson, E., & Sukotjo, S. (2005). Östergötland, bergkvalitet. i H. Delin, Berggrundsgeologisk undersökning. Sammanfattning av pågående verksamhet 2004. (ss. 60 63). Sveriges Geologiska Undersökning. Bergström, U., Eliasson, T., Göransson, M., Hellström, F., & Hosseln, S. (2006). Östra Göteborg, bergkvalitet. i H. Helin, Berggrundsgeologisk undersökning. Sammanfattning av pågående verksamhet 2005. (ss. 63 67). Sveriges Geologiska Undersökning. Childs, C. (Juli September 2004). Interpolating Surfaces in ArcGIS Spatial Analyst. ArcUser, ss. 32 35. Durrance, E. M. (1986). Radioactivity in geology: principles and applications. Ellis Horwood Limited. Google Maps. (2012). Hämtat från http://maps.google.se/ den 10 05 2012 Heywood, I., Cornelius, S., & Carver, S. (2011). An introduction to Geographical Information Systems. Prentice Hall. Lantmäteriet. (2007). Topografiskt underlag: Ur vägkartan. Nya Ljungföretagen/ Tabergs tryckeri AB. Lindström, M., Lundqvist, J., & Lundqvist, T. (1991). Sveriges geologi från urtid till nutid. Lund: Studentlitteratur. Milsom, J. (2003). Field geophysics. Hoboken: Wiley. Mussett, A. E., & Aftab Kahn, M. (2000). Looking into the earth: An introduction to Geological Geophysics. Cambridge University Press. 14
Sträng, T. (1997). Geofysik med miljötillämpningar. Hämtat från http://www3.tsl.uu.se/thep/tengblad/fpdd/miljo/geofysik/gamma.html den 23 Maj 2012 Sundevall, S. E. (2002). Underlag till utvecklingsarbete rörande radonriskkartor, speciell del. Naturvårdsverket. World Nuclear Association. (Augusti 2011). Naturally Occurring Radioactive Materials (NORM). Hämtat från World Nuclear: http://www.world nuclear.org/info/inf30.html den 23 Maj 2012 15