GE703_Aula03_GamaespectrometriaB

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GE703 – Geofísica 
 
Módulo 3 
 
Gamaespectrometria 
 
Prof. Emilson Pereira Leite 
DGRN/IG/UNICAMP 
 
 
 
2011 
Objetivos principais 
• Mudanças nas concentrações dos radioelementos U, 
Th e K acompanham as mudanças mais significativas na 
litologia; 
• Variações nas concentrações desses elementos podem 
indicar a ocorrência de processos geológicos primários 
tais como a ação de soluções mineralizadas ou 
processos metamórficos; 
• Podem caracterizar também processos geológicos 
secundários, tais como alteração supergênica e 
lixiviação; 
• Podem ajudar na localização de rochas intrusivas 
relacionadas a alguns depósitos minerais. 
Captura K 
• É um terceiro tipo de transmutação nuclear. 
• Ocorre quando um elétron da camada orbital 
mais interna (K) entra no núcleo. 
• Como resultado, o número atômico decresce 
de uma unidade (forma-se um novo 
elemento). 
• Este processo ocorre no decaimento do 40K 
para o 40Ar. 
Espectro Eletromagnético 
Mostrar no quadro equações e premissas do decaimento radioativo. 
Meia Vida 
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Representação gráfica da 
série do 238U 
Representação gráfica da 
série do 232Th 
Medida da radiação gama 
• A contagem total de radiação é obtida pela 
medida de todos os raios gama dentro da 
janela energética de 0,41 - 2,81 MeV, 
estabelecida para a contagem total. 
• Porém, cada elemento possui uma janela 
onde as suas energias estão centradas 
– O potássio é monitorado pelos raios gama emitidos 
pelo 40K, com valor de pico energia de 1,46 MeV. 
– Os isótopos 238U e 232Th não emitem radiação gama, 
porém os isótopos 214Bi e 208Tl decorrentes do 
decaimento radioativo emitem raios gama com 
janelas de energias centradas em 1,76 e 2,61 MeV, 
respectivamente. 
Interação dos raios gama com a matéria 
Absorção fotoelétrica – o raio gama sofre interação com um 
átomo e é completamente absorvido. Em seu lugar é ejetado um 
fotoelétron de uma camada do átomo. É um processo característico 
de baixa energia. 
 
Espalhamento Compton – o raio gama incide em um elétron em 
repouso e deflete de um certo ângulo de sua direção original, 
transferindo parte de sua energia para o elétron. É um processo de 
média energia. 
 
Produção de par – só começa a ocorrer se a energia do raio gama 
for duas vezes a energia de repouso do elétron ( 1,02 MeV). Na 
interação, o raio gama é substituído por um par elétron-pósitron. É 
um processo predominante em altas energias. 
 
A radiação emitida por rochas é influenciada basicamente pelo 
espalhamento Compton, visto que as energias emitidas pelos 
elementos K, U e Th situam-se entre 0,41 MeV – 2,81 MeV. 
Interação dos raios gama com a matéria 
Interação dos raios gama com a matéria 
Interação dos raios gama com a matéria 
Gamaespectrômetros 
-256 ou 512 canais. 
-As contagens acumuladas em um 
intervalo de tempo (~2 minutos) 
são convertidas em concentrações 
usando um conjunto de constantes 
de calibração que são 
características de cada sensor 
gamespectrométrico. 
Calibração 
• Utiliza-se tanques de calibração transportáveis, 
constituídos por blocos de concreto (calibration 
pads) com resposta radiométrica conhecida 
para os elementos potássio (40K), urânio (238U), 
tório (232Th) e do background, com a finalidade 
de determinar as constantes de calibração do 
sistema detector. 
 
• De posse desses coeficientes, é possível 
transformar as contagens em concentrações. 
Fontes de raios gama 
(rocha sã vs. regolito) 
• 90% do raios gama emanam dos 
primeiros 30-45 cm de rocha ou solo; 
 
• A intensidade emitida da superfície está 
relacionada com a mineralogia e a 
geoquímica da rocha sã e da natureza do 
intemperismo. 
Fontes de raios gama 
(rocha sã vs. regolito) 
• K tem abundância média de 2,5% na 
crosta. 
 
• Ocorre principalmente como elemento 
primário nos minerais formadores de 
rocha, como K-feldspato e micas. 
Fontes de raios gama 
(rocha sã vs. regolito) 
• U e Th são relativamente raros com 
abundância média de 3 ppm e 12 ppm na 
crosta. 
 
• Traços de U e Th são encontrados em 
minerais formadores de rocha (ex: 
feldspatos), mas são mais comuns em minerais 
acessórios (ex: zircão, monazita, etc.). 
Fontes de raios gama 
(rocha sã vs. regolito) 
• A concentração de U e Th em rochas 
ígneas geralmente aumenta com a acidez 
da rocha (i.e. rochas com alto teor de 
sílica). 
 
• Durante intemperismo químico e físico, os 
radioelementos dentro das rochas são 
liberados, redistribuídos e incorporados 
no regolito. 
Fontes de raios gama 
(rocha sã vs. regolito) 
• As características dos materiais do 
regolito podem diferir bastante das rochas 
fontes, devido à reorganização textural e 
geoquímica dentro da zona intemperizada. 
 
• Por exemplo, pode ocorrer depleção de K 
devido a lixiviação desse elemento, e 
elevados teores de U e Th associados com 
minerais de argila e/ou óxidos de ferro na 
parte superior da zona intemperizada. 
Rochas magmáticas 
Rochas SiO2 % % K U ppm Th ppm Th/U 
Ácidas 60 a 75 3,34 3,5 18,0 5,1 
Intermediárias 52 a 60 2,31 1,8 7,0 4,0 
Básicas 40 a 52 0,83 0,5 3,0 6,0 
Ultrabásicas <40 0,03 0,00 0,005 1,7 
Dados provenientes de amostras de rochas da Bacia do Paraná. 
Rochas sedimentares 
Rochas % K U ppm Th ppm Th/U 
Folhelho, argila 2,7 4,0 11,0 2,8 
Arenito 1,2 3,0 10,0 3,3 
Calcário 0,3 1,4 1,8 1,3 
Arcósio 5,0 
Grauvaca 7,0 
Rochas metamórficas 
Rochas % K U ppm Th ppm Th/U 
Gnaisse 2,0 1,6 8,0 5,0 
Anfibolito 0,7 1,0 4,0 4,0 
Mármores 0,4 1,1 1,8 1,6 
Efeitos ambientais 
• Densa cobertura vegetal blinda a radiação; 
• Mudanças de temperatura e pressão podem 
mudar a densidade do ar em até 30% e reduzir a 
propagação da radiação gama; 
• Camadas de inversões de temperatura podem 
aprisionar o gás radônio, implicando que os vôos 
só podem ser iniciados após a mistura deste gás 
na atmosfera. Por quê? Veja o slide seguinte  
• Aumento de 10 % na umidade do solo implica em 
decréscimo equivalente no fluxo de radiação a 
partir da superfície. 
O gás radônio 
• O radônio está presente nas séries do U e do Th. 
 
• É o único elemento radioativo gasoso. 
 
• Portanto ele se move livremente pelos poros, 
juntas e falhas dos materiais terrestres, tanto 
como gás quanto dissolvido em água. 
 
• Assim, eventualmente ele pode escapar do 
material e penetrar na atmosfera. 
 
 
O gás radônio 
• Em condições normais ele se espalha 
uniformemente pela atmosfera, formando uma 
“radiação de fundo”. 
 
• Em condições de inversão de temperatura, ele 
pode ficar aprisionado próximo da superfície 
terrestre. 
 
• Como ele decai para o 214Bi na série do 238U, a 
contagem de 214Bi ficará superestimada nessas 
condições. 
Aplicações (exemplos) 
Contagem Total (CT) K (%) Gradiente da CT 
eU (pmm) eTh (ppm) 
Mapa Ternário 
Exploração mineral 
Mapeamento Geológico 
Sul do Cráton São Francisco 
Mapeamento Geológico 
Mapeamento Geológico 
Mapeamento Geológico 
O’Brien et al. (1986) e Van Berke et al. (1986, 1987) 
Levantamento aerogeofísico de alta resolução feito pelo 
Serviço Geológico do Canadá em 1994 delineou um grande 
sistema hidrotermal na área do Lago Lou, nordeste do Canadá 
(Shives et al., 1997). 
Análise conjunta 
de perfis e mapas 
 
Exemplo do 
depósito “Casino” 
de Cu-Au-Mo 
pórfiro no Canadá. 
Motivo : a interpolação dos dados faz com que haja 
suavização dos perfis ao longo das linhas devoo. 
Para avaliar a correlação com a topografia, sobremos os mapas 
gamaespectrométricos a modelos digitais de elevação (MDEs) 
Distribuição de alguns dados 
aerogeofísicos disponibilizados 
pela CPRM no Brasil (Série 1000). 
Outras áreas cobertas podem ser vistas no site: 
http://www.cprm.gov.br/aero/aero.htm 
Normalmente a CPRM 
disponibiliza esses dados 
gratuitamente para fins de 
pesquisa acadêmica.