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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Universit degli studi di genova

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


Universit degli studi di genova

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


Universit degli studi di genova

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.


Universit degli studi di genova

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).


Universit degli studi di genova

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


Universit degli studi di genova

Materiali e metodi

Profili di spettrometria gamma in sotterraneo


Universit degli studi di genova

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.


Universit degli studi di genova

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.


Universit degli studi di genova

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).


Universit degli studi di genova

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


Universit degli studi di genova

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.


Universit degli studi di genova

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.