UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA

1. 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

2. 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

3. 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.

4. 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).

5. 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

6. Materiali e metodi Profili di spettrometria gamma in sotterraneo

7. 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.

8. 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

9. 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.

10. 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’.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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).

15. 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).

16. 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’).

17. Elaborazione e discussione dei risultati Analisi delle misure in continuo di radon

18. 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.

19. 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.