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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA. Scuola di Dottorato in Scienze e Tecnologie per l’ingegneria Corso di Dottorato in Geofisica. XXIV Ciclo a.a. 2010/2011. Relazione sull’attività scientifica (3° anno). Dr. MASSIMO BOCHIOLO. Co-tutor: Dr. Massimo Verdoya. Premessa.

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA

Scuola di Dottorato in Scienze e Tecnologie per l’ingegneria

Corso di Dottorato in Geofisica

XXIV Ciclo

a.a. 2010/2011

Relazione sull’attività scientifica (3° anno)

Dr. MASSIMO BOCHIOLO

Co-tutor: Dr. Massimo Verdoya

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Premessa

Oggetto dell’attività scientifica

Studio della radioattività naturale delle rocce costituenti il substrato della Liguria centro-occidentale:

1) mappatura delle concentrazioni di K, U e Th.

2) Problemi metodologici:

applicabilità ed elaborazione dei dati di spettrometria gamma in superficie e in sotterraneo

3) Stima del potenziale radon esalativo degli ammassi rocciosi

Contributo allo studio dei fenomeni in grado di produrre variazioni del flusso di Rn negli ammassi rocciosi

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Materiali e metodi

Spettrometria gamma di superficie

Determinazione delle concentrazioni di K, U e Th applicando il metodo delle “tre finestre” agli spettri gamma acquisiti per mezzo di apparato portatile.

Il dispositivo utilizzato (GS-256, Geofyzica Brno) è costituito da uno scintillatore a NaI(Tl) collegato ad un analizzatore a 256 canali che permette di indagare lo spettro gamma compreso tra 0 e 3 MeV.

Dataset: Flysch del Monte Antola, Zona Sestri-Voltaggio, Gruppo di Voltri, Cristallino Savonese, Brianzonese Ligure e coperture tardo e post-orogene.

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Materiali e metodi

Radiometria in sotterraneo

Presenza di significative anomalie radiometriche in metarioliti e scisti porfirici (giacimento uranifero di Ponte Scalincio).

1) Misure in campo con spettrometro gamma portatile.

2) Misure di laboratorio mediante:

2.1 rivelatore a NaI(Tl) (LGSR Dip.Te.Ris.);

2.2 rivelatore HPGe (INMRI ENEA Casaccia).

3) Misure in campo di dose efficace con rateometro NaI.

4) Misure di concentrazione di radon in aria con:

4.1 tecniche passive (misure integrate);

4.2 strumentazione attiva (misure in continuo).

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Materiali e metodi

Indagini spettrometriche

In campo

- 46 determinazioni;

valori estremi (Bq kg-1):

2320 < 40K < 3062

243 < 238U < 3140

103 < 232Th < 196

Di laboratorio (NaI(Tl))

- 15 determinazioni;

valori estremi (Bq kg-1):

1141 < 40K < 1577

140 < 238U < 1651

55 < 232Th < 123

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Materiali e metodi

Profili di spettrometria gamma in sotterraneo

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Materiali e metodi

Concentrazione di radon

Misure integrate

- 3 periodi (inverno, primavera, estate)

Concentrazioni in Bq m-3

05/10 03/11 08/11

A 11780 5026 917

B 2481 1703 1508

C 579 642

T 1995 1536

Misure in continuo

- 2 periodi (primavera e estate)

Concentrazioni in Bq m-3

03/11 08/11

a 808 917

b 2295 1508

- Variabilità spazio-temporale.

- Discrepanza di risultati tra metodi passi-vo e attivo.

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Materiali e metodi

Emanometrie

E = count rate registrato

λRn = costante di decadimento del Rn

C = concentrazione di Rn

V = volume libero della camera

Φr = flusso di radon

S = superficie del campione

r è ottenuto per fitting lineare a t=0

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Materiali e metodi

- Er è compreso tra 0.002 e 0.012

mBq m-2 s-1 per Bq kg-1 di 226Ra.

- Ф varia da 1.25 a 10.93 mBq m-2 s-1.

Attività di 226Ra e flusso di radon sono correlate linearmente.

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Elaborazione e discussione dei risultati

Mappatura radioisotopica

- Influenza della petrogenesi

- Differenziazione magmatica:

rocce basiche → concentrazioni minime

rocce acide → concentrazioni massime

- Ambiente deposizionale e bacino di alimentazione:

nelle rocce organogene, ad eccezione dei diaspri, effetto di diluizione dell’ambiente deposizionale;

nelle rocce detritiche, correlazione con la ‘roccia madre’.

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Elaborazione e discussione dei risultati

Applicabilità della spettrometria g portatile in sotterraneo

- Deviazione dalla geometria di taratura.

- Le concentrazioni ottenute vanno considerate “apparenti”.

- Confronto tra determinazioni in campo e in laboratorio.

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Elaborazione e discussione dei risultati

Equilibrio secolare nella matrice rocciosa

- Possibili mobilizzazioni secondarie successive alla realizzazione delle gallerie.

- Interconfronto LGSR e INMRI ENEA Casaccia.

- Rapporti di attività tra i prodotti di decadimento delle serie di 238U e 232Th.

- Rapporti di attività generalmente unitari → equilibrio secolare verificato.

- Minima alterazione dell’attività del 226Ra.

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Elaborazione e discussione dei risultati

Valutazione dell’intensità di dose assorbita

- Esecuzione di 9 misure in campo con rateometro a NaI.

- Applicabilità della formula di Beck (Beck et al., 1972) mediante utilizzo delle concentrazioni ‘apparenti’ determinate con spettrometro portatile.

- Effetti geometrici → bilanciamento tra sovrastima dovuta alle concentrazioni ‘apparenti’ e sottostima nei fattori di conversione per deviazione tra geometria 2π e assialsimmetrica.

- Accordo tra valori sperimentali e calcolati.

- Il rapporto tra i fattori di conversione di K, Th e U per simmetria sferica (Mustonen, 1992) e geometria 2π (Beck et al., 1972) sono confron-tabili coi rapporti tra deter-minazioni γ in sot-terraneo e in laborato-rio.

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dC

S

=

Ф

-

λ

-

-

C

n

(

C

C

)

Rn

o

dt

V

Ф

=

A

E

r

r

r

λ

+

C

(

n

)

r

=

δ

E

Rn

r

2

A

r

Elaborazione e discussione dei risultati

  • Stima del flusso di radon di un ammasso roccioso
  • - Approccio combinato (spettrometro γ e misure integrate di Rn).
  • Modello semplificato per la valutazione del coefficiente di esalazione specifica e del flusso di radon dell’ammasso roccioso.
  • La variazione di concentrazione di radon in aria C per una cavità avente superficie S e volu-me V è data da

Dai risultati delle emanometrie è possibile ammettere che

Confronto tra regime termico interno ed esterno → flusso d’aria uscente;

Breve durata della misura integrata → C = cost., da cui (dC/dt) = 0.

Pertanto, Er diviene

in cui si è fatto ricorso alla concentrazione apparente di 238U (A’r) e al rapporto che esprime la sovrastima tra determinazioni in sotterraneo e in laboratorio (δ = 2.3 per 238U).

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Elaborazione e discussione dei risultati

Er viene determinato ipotizzando tempi di ricambio totale dell’aria di 48, 24 e 12 h (analogia con contesti geometrici simili).

- Er è compreso tra 0.02 e 0.25 mBq m-2 s-1 per Bq kg-1 di 226Ra.

- Фr varia da 11.9 a 186.1 mBq m-2 s-1.

Dal confronto coi risultati delle emano-metrie si ha:

- Er dell’ammasso roccioso è da 10 a 100 volte superiore;

- Ф dell’ammasso roccioso è quasi 20 vol-te più grande.

- Er ottenuto mediante metodologia combinata è un valore di upper bound (fratturazione, ru-gosità, acqua).

- Er da emanometrie è un valore di lower bound (campione intatto, regolare).

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Elaborazione e discussione dei risultati

  • Analisi delle misure in continuo di radon
  • Pattern identici per i rami A e B.
  • Periodicità giornaliera (minimi al mattino, massimi nel tardo pomeriggio).
  • - Influenza della differenza tra temperatura interna ed esterna (‘effetto camino’).
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Elaborazione e discussione dei risultati

Analisi delle misure in continuo di radon

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Elaborazione e discussione dei risultati

Analisi spettrale mediante Fast Fourier Transform

  • - Presenza di almeno tre periodicità (24, 12 e 8 h).
  • La concentrazione di Rn potrebbe essere influen-zata da variazioni dello stato tensionale dell’am-masso roccioso.
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Sviluppi e approfondimenti

I risultati delle indagini offrono lo spunto circa l’opportunità di valutare il ricorso a tecniche geofisiche combinate volte allo studio dello stato tensio-nale dell’ammasso roccioso.

Ulteriori studi potranno essere eseguiti per:

1) l’individuazione di eventuali fluttuazioni periodiche e aperiodiche tramite analisi spettrale di serie temporali sincrone di concentrazione di radon, potenziali spontanei e microgravimetriche.

2) Lo studio di correlazioni coi parametri ambientali per l’individuazione di periodicità (e sfasamenti) e lo sviluppo di modelli di circolazione e scambio d’aria.

3) L’analisi della oscillazioni di flusso di radon per effetto di variazione di stato tensionale dell’ammasso roccioso a causi di effetti attrattivi luni- solari.

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