by Arthur G. Darnley¹, Joseph S. Duval² et John M. Carson³

Cette communication est également disponible sous forme d'une affiche [PDF, 5.1 Mo, lecteur], qui a été présentée pour la première fois au 6th International Symposium on Environmental Geochemistry, qui s'est tenu à Edinburgh (Écosse) en septembre 2003.

Le IUGS/IAGC Working Group on Global Geochemical Baselines a été établi en 1996 pour mettre en oeuvre les recommandations publiées en 1995 [1]. La plupart des éléments ne peuvent être déterminés que par des méthodes d'échantillonnage direct de la surface, mais les éléments radioactifs se prêtent à la spectrométrie gamma aérienne (SGA), qui peut fournir des données en continu le long de transects pour tout type de terrain. Une méthode quantitative mise au point il y a 30 ans pour mesurer la répartition en surface d'isotopes émetteurs gamma permet d'exprimer les données en concentrations des éléments et en débits de dose.

Dans les années 1970, après l'embargo sur le pétrole décrété par l'OPEP en 1973, les gouvernements du Canada et des États Unis ont pris des mesures pour stimuler la prospection d'uranium. Le Programme de recherche préliminaire d'uranium au Canada et le National Uranium Resource Evaluation Program (NURE) aux États-Unis ont comporté des levés par SGA dont les caractéristiques techniques étaient semblables. Le programme américain a couvert presque tout le territoire des États-Unis, tandis que le programme canadien s'est terminé prématurément au bout de quatre ans. Depuis, d'autres levés par SGA effectués sur de petites régions du Canada au cours des années 1980 et 1990 ont rehaussé la couverture du territoire canadien à environ 35 %. Les données obtenues dans les deux pays ont été publiées dans divers formats et à différentes échelles. Ce document présente une compilation uniformisée des données canadiennes et américaines qui vise à faciliter les comparaisons interrégionales à l'échelle du continent. Les cartes montrent des variations considérables des abondances en surface du potassium, du thorium et de l'uranium, ainsi que de leurs abondances relatives. Une carte du débit de dose montre les variations géographiques du rayonnement naturel émis par ces éléments. Les données ont d'importantes conséquences sur les plans géologique et environnemental, ainsi que pour les politiques publiques. Par exemple, le bassin d'Athabasca, situé en Saskatchewan (Canada), renferme les plus grands gisements d'uranium connus au monde, mais il présente une très faible radioactivité de surface. Bien qu'elle ne couvre pas l'ensemble du Canada, cette représentation de la répartition de radioélément sur 60 % du territoire nord-américain illustre l'importance des méthodes de mesure normalisées et constitue un ajout notable aux bases mondiales de données géochimiques de référence.

La technique de spectrométrie gamma aérienne quantitative, mise au point de 1967 à 1970, est décrite dans plusieurs publications [2,3]. Elle mesure les concentrations moyennes en surface du potassium, de l'équivalent uranium (éU) et de l'équivalent thorium (éTh). Le préfixe « équivalent » indique que l'on mesure la radiation gamma émise par les produits de filiation de l'U et du Th; ces mesures sont exactes à condition que la série de désintégration radioactive soit à l'équilibre. Chaque mesure aérienne, ou point de donnée, couvre une superficie de plusieurs milliers de mètres carrés jusqu'à une profondeur d'environ 30 cm, et on suppose normalement que la série de désintégration est en équilibre sur une telle superficie. À une altitude nominale de 125 mètres au-dessus du sol, les mesures ont couvert une bande continue d'une largeur d'environ 250 mètres, et chaque kilomètre de vol comptait habituellement environ 18 points de données chevauchants. La carte de l'Amérique du Nord est fondée sur environ 100 millions points de données. L'espacement des lignes de vol détermine le pourcentage du secteur de levé qui est couvert : l'espacement des lignes de vol dans les levés nord-américains a varié de 25 km (couverture de 1 % de la surface) à 1 km, soit une couverture de 25 %, dans quelques régions, mais la majorité du territoire a été couvert par des lignes de vol espacées de 5 km. Pour convertir les taux de comptage mesurés en concentrations d'éléments, une série de corrections a été appliquée selon des procédures standard avant l'étalonnage à l'aide de blocs d'étalonnage [3]. Des données de levés pour plusieurs centaines de secteurs ont ainsi été traitées aux États-Unis et au Canada pour produire des compilations nationales [3,4,6]. Des ajustements mineurs ont été apportés au besoin pour optimiser la correspondance et réduire au minimum les anomalies liées aux limites. Pour la compilation à l'échelle du continent, les valeurs de K, d'éU et d'éTh ont été calculées sur une grille composée de cellules de 2 x 2 km [5]. Cette grille de concentrations d'éléments a permis de calculer, à l'aide d'une équation standard, la grille de la dose d'énergie de rayons gamma absorbée dans l'air à un mètre au-dessus du sol, en unités de nanograys par heure [3]

Les cartes présentées plus bas sont des exemples de ce qui peut être produit à partir des données numériques compilées. Ces données peuvent être entrées dans un SIG pour compléter divers types de recherches (notamment des études en sciences de la terre, en pédologie, en environnement et en santé) à une vaste gamme d'échelles. Sur la carte ternaire, la couleur indique les concentrations relatives de K (magenta), d'éU (cyan) et d'éTh (jaune), tandis que l'intensité de la couleur montre les variations du rayonnement total (un ton pâle correspond à une faible radioactivité) [7,8]. La carte ternaire fait ressortir des distinctions subtiles dans les concentrations relatives des radioéléments et caractérise ainsi les formations individuelles ou regroupées. Les contrastes de couleurs de la carte montrent que plusieurs des provinces géologiques du continent présentent des signatures de radioéléments particulières.

Dans le contexte des bases mondiales de données géochimiques de référence, les données très détaillées sur le plan spatial peuvent être utilisées de diverses façons, soit pour effectuer des corrélations avec d'autres paramètres ou pour obtenir des statistiques de base. À titre d'exemple de cette dernière utilisation, le tableau 1 présente la moyenne et l'écart type de toutes les données canadiennes et pour un certain nombre d'États américains : le plus fort taux d'exposition moyen est observé au Colorado, et le plus faible, en Alaska, ces taux différant par un facteur de trois. Les grands écarts types sont attribuables à la géologie diversifiée de chaque région, laquelle donne une distribution de fréquence à plusieurs modes.

Une autre approche consiste à répartir les données sur la grille du réseau terrestre mondial (Global Terrestrial Network : GTN), laquelle est superposée sur toutes les cartes. La grille GTN a été établie pour donner suite aux recommandations de la référence [1] afin de planifier la collecte de données de référence à l'échelle mondiale. Chaque cellule de la grille GTN couvre une superficie de 25 600 km². Un certain nombre de cellules du Canada ont été choisies dans différentes provinces géologiques, c'est-à-dire des provinces d'âges géologiques différents. Le tableau 2 présente deux séries de valeurs moyennes pour les principaux paramètres. La moyenne figurant dans la première colonne est calculée à partir de tous les points de données dans chaque cellule, lesquels couvrent de nombreux lacs, étangs et tourbières dans le nord du pays. La deuxième colonne présente une « moyenne corrigée » qui a été calculée après avoir éliminé les données couvrant une bonne superficie d'eau de surface [6]. Cette correction accroît les valeurs moyennes d'environ 10 % en moyenne, ce qui correspond plus exactement aux concentrations en surface des radioéléments dans les terres nordiques. Ces concentrations moyennes en surface peuvent être considérées comme des valeurs de référence pour les cellules GTN et sont comparables aux concentrations des éléments non radioactifs déterminées par échantillonnage classique de la surface.

Figure 1: Diagrammes en « boîtes et moustaches » montrant la variabilité des données pour certaines cellules GTN du Canada image agrandie [GIF, 21.7 ko, 586 X 897, avis]

Les cartes montrent clairement que les données sont très variables dans chaque cellule; comme complément aux valeurs moyennes, il est utile de présenter des diagrammes en « boîtes et moustaches » pour représenter l'étendue des valeurs. Ainsi, la figure 1 correspond aux données du tableau 2 pour le Canada. Il est à remarquer que le bassin d'Athabasca, qui présente la moyenne et la médiane les plus basses, contient les gisements d'uranium connus les plus vastes et les plus riches au monde. (Le débit de dose varie par un facteur de cinq entre le bassin d'Athabasca et la province de Churchill, située dans le Bouclier). Comme les gisements d'Athabasca sont âgés d'environ 1 400 millions d'années, le fait qu'ils n'émettent pas de radioactivité en surface semble présenter une certaine importance en ce qui concerne la sécurité de l'enfouissement en profondeur des déchets nucléaires.

	Potassium, K (%) image plus grande [GIF, 526.2 ko, 1482 X 1319, avis]
	équivalent d'Uranium, éU (ppm) image plus grande [GIF, 493.3 ko, 1453 X 1315, avis]
	équivalent de Thorium, éTh (ppm) image plus grande [GIF, 528.3 ko, 1467 X 1320, avis]
	Taux d'exposition naturel (nGy/h) image plus grande [GIF, 532.3 ko, 1468 X 1372, avis]
	Ternaire: éU = cyan K=magenta éTh=jaune image plus grande [JPEG, 1.7 Mo, 1714 X 1714, avis]

[1] Darnley, A.G., Björklund, A.J., Bølviken, B., Gustavsson, N., Koval, P.V., Plant, J.A., Steenfelt, A., Tauchid, M. and Xie Xuejing, with contributions by Garrett, R.G. and Hall, G.E.M. 1995: A global geochemical database for environmental and resource management: recommendations for international geochemical mapping. Science Report 19, UNESCO Publishing, Paris. 122pp.

[2] Darnley, A.G., 1991: The development of airborne gamma-ray spectrometry: case study in technological innovation and acceptance. Journal of Nuclear Geophysics, 5, p. 377-402

[3] Grasty, R.L., Carson, J.M., Charbonneau, B.W., and Holman.P.B., 1984: Natural background radiation in Canada. Geological Survey of Canada Bulletin 360 , 39pp.

[4] Duval ,J.S. and Riggle, F.E. 1999: Profiles of gamma-ray and magnetic data from aerial surveys over the conterminous United States: US Geological survey Digital Data Series DDS-31, release 2, 3 CD-ROM.

[5] Duval, J.S., Carson, J.M., Holman, P.B., and Darnley, A.G., 2003: Aerial gamma-ray survey coverage of the United States and Canada. Proceedings of IAEA Technical Committee Meeting, Golden, CO

[6] Darnley, A.G., Carson, J.M., Garrett, R.G., Grant J. A. and Holman P. B. 2003: Commentary on airborne gamma ray spectrometry data from the Canadian portion of the North American compilation. Proceedings of IAEA Technical Committee Meeting, Golden, CO

[7] Duval, J.S., 1983. Composite colour images of aerial gamma ray spectrometric data . Geophysics, 48, p. 722-735.

[8] Broome, J., Carson, J.M., Grant, J.A and Ford, K.L. 1988: A modified ternary radioelement mapping technique and its application to the south coast of Newfoundland. Internal report, Airborne Geophysics Section, Geological Survey of Canada, 13pp.