Les techniques magnétiques, électromagnétiques, gravimétriques et sismiques mesurent les propriétés physiques de la Terre. Les variations des caractéristiques magnétiques, de la conductivité ou de l'intensité nous renseignent sur la profondeur, l'emplacement et la forme des roches ou des gisements de minerais fondés sur des modèles interprétatifs. La profondeur des sources est parfois considérable - les techniques d'électromagnétisme détectent des sources se trouvant à des centaines de mètres; la portée des techniques de magnétisme est de quelques dizaines de kilomètres et celle des techniques gravimétriques et sismiques, de quelques centaines de kilomètres. Toutefois, établir un lien entre les données obtenues et la géologie de surface (ou la géologie à faible profondeur) est parfois difficile, surtout dans les cas où les anomalies sont associées à des sources souterraines non exposées en surface. D'autres renseignements géoscientifiques, comme des renseignements sur les propriétés locales des roches, sont requis pour établir les modèles servant à l'interprétation - sans ces modèles, il pourrait être impossible de procéder à une analyse sûre.

La spectrométrie gamma (SGA) permet de mesurer directement une source à la surface de la Terre, sans pénétration à de grandes profondeurs. Le fait qu'elle recueille des données en surface nous permet d'établir des liens sûrs entre les contrastes mesurés pour les radioéléments et la cartographie de la géologie du substratum rocheux ou des formations en surface et les altérations associées aux gisements de minerai. Toutes les roches et tous les matériaux qui en proviennent sont radioactifs et contiennent des quantités détectables d'éléments radioactifs. Le spectromètre gamma est conçu de manière à détecter le rayonnement gamma émis par ces éléments radioactifs et permet de classer avec précision les rayonnements détectés selon l'énergie qu'ils dégagent. C'est cette fonction de classification qui distingue le spectromètre des autres instruments qui servent seulement à mesurer la radioactivité totale.

Que faut-il savoir concernant les éléments K, U et Th?

Le potassium (K), l'uranium (U) et le thorium (Th) sont les trois éléments radioactifs les plus abondants dans la nature. Le K est un des principaux éléments constitutifs des roches et est le principal élément d'altération dans la plupart des gisements de minerai. L'uranium et le thorium sont présents en quantités à l'état de trace; ce sont des éléments mobiles et immobiles respectivement. Comme la concentration de ces éléments varie selon le type de roche, nous pouvons utiliser un spectromètre gamma pour cartographier les roches. Lorsque la signature «normale» d'un radioélément est interrompue par un corps minéralisé, les anomalies radioélémentaires correspondantes fournissent des indices directs utilisés en prospection.

Les méthodes aériennes permettent d'effectuer un balayage profitable et systématique de vastes étendues. La spectrométrie au sol permet d'obtenir une résolution plus grande lors de la détection des sources radioélémentaires. En établissant une relation entre les variations radioélémentaires mesurées au moyen d'un spectromètre au sol étalonné adéquatement et les variations lithogéochimiques s'y rapportant et fondées sur un groupe témoin d'échantillons, il est possible de réduire considérablement les coûts.

Les levés au sol n'ont pas nécessairement à être accompagnés de levés aériens. Ils peuvent facilement être effectués par une personne (levé de reconnaissance) ou de façon plus officielle en utilisant une série de lignes de quadrillage. L'information géochimique ainsi obtenue constitue une autre banque d'information substantielle qui améliore considérablement la cartographie du substratum rocheux et des formations en surface, ainsi que le guidage de minerai.

Le premier ensemble de données saisies se présente sous la forme d'un spectre d'énergie gamma multicanaux. Le graphique ci-contre représente un spectre type d'énergie de rayonnement illustrant le taux de comptage relatif à chaque intensité de rayonnement, de 0 à 3 MeV. L'intervalle de 0 à 0,4 MeV en abscisse est négligé et représente les coups associés à l'effet de diffusion Compton. En cartographie géologique, les sommets K⁴⁰ (potassium), Bi²¹⁴ (uranium) et Tl²⁰⁸ (thorium) du graphique présentent de l'intérêt. Pendant le levé aérien, le spectre continu des coups est enregistré une fois par seconde et représenté sous la forme d'un histogramme à 256 canaux. Au cours du traitement des données réalisé après le vol, les coups révélant la présence des radioéléments qui nous intéressent (K⁴⁰, Bi²¹⁴, Tl²⁰⁸) sont additionnés. La somme tient compte des coups enregistrés pour une grande plage d'énergie («fenêtre» ou «zone d'intérêt») et centrés sur chaque sommet:

Les taux de comptage additionnés sont alors convertis en concentrations équivalentes au sol de potassium, d'uranium et de thorium à l'aide d'un ensemble de constantes d'étalonnage propres à chaque spectromètre.

Notez l'emploi du terme «équivalent» pour les concentrations d'uranium et de thorium. Ces concentrations (en poids) sont déterminées indirectement d'après leurs produits de filiation (Bi²¹⁴ & Tl²⁰⁸ respectivement) qui sont supposés être à l'équilibre avec l'isotope parent. La concentration de potassium est déterminée directement d'après K⁴⁰.

Les coups enregistrés sont assujettis à un phénomène de diffusion Compton plus ou moins intense qui a pour effet d'augmenter le nombre de coups enregistrés dans chacune des trois régions (sommets) d'intérêt. Un étalonnage adéquat du spectromètre peut éliminer cette diffusion en déterminant six constantes appelées «rapports d'enlèvement». Le diagramme ci-contre illustre la relation entre les rapports d'enlèvement et les taux de comptage mesurés. Les spectromètres au sol et aéroportés peuvent être étalonnés en effectuant une série de mesures des taux de comptage sur des blocs d'étalonnage en béton qui renferment des concentrations connues et peu élevées d'éléments radioactifs (Grasty et al, 1991).

Les instruments aéroportés et les instruments au sol sont étalonnés à l'aide d'étalons internationaux mis au point par la CGC afin d'obtenir des estimations uniformes et précises de K, d'éU et de éTh. Quatre blocs d'étalonnage sont requis pour l'étalonnage adéquat du spectromètre, dont trois contiennent des concentrations connues de potassium (K⁴⁰), d'uranium (Bi²¹⁴) et de thorium (Tl²⁰⁸). Un quatrième bloc, constitué du même béton que celui utilisé pour les autres blocs mais exempt d'autres matières sert de témoin ou de «contrôle».

Les mêmes blocs sont utilisés pour étalonner les spectromètres de poche et les plus gros systèmes installés à bord d'aéronefs à voilure fixe ou d'hélicoptères.

Cette procédure d'étalonnage permet de déterminer:

• les 6 rapports d'enlèvement du spectromètre
• la sensibilité du spectromètre (taux de comptage par unité de concentration de potassium, d'uranium ou de thorium) exprimée en coups par seconde/ppm ou en coups par seconde/%.

Ces valeurs ne s'appliquent qu'aux petites sources se trouvant dans le sol et peuvent être utilisées pour convertir les coups mesurés au niveau du sol en concentrations équivalentes au sol de potassium, d'uranium et de thorium.

Spectromètres gamma aéroportés

• la variation des rapports d'enlèvement en fonction de la hauteur (les rapports d'enlèvement déterminés à l'aide des blocs d'étalonnage ne sont applicables qu'au niveau du sol)
• la variation du taux de comptage en fonction de la hauteur (facteurs d'atténuation)
• la sensibilité du spectromètre (pour une émission infinie) à la hauteur de vol prévue pour le levé (la sensibilité déterminée à l'aide du bloc d'étalonnage ne s'applique qu'à de petites sources au niveau du sol)

Ces facteurs d'étalonnage sont déterminés en établissant un lien entre les taux de comptage mesurés lors d'une série de vols (à différentes hauteurs) sur une bande d'essai et les concentrations équivalentes au sol de potassium, d'uranium et de thorium qui sont déterminées d'après des mesures prises au niveau du sol au moyen d'un spectromètre de poche. Les sensibilités calculées ne s'appliquent qu'à certaines hauteurs de vol «prévues» pour le levé, habituellement 120 m. (Charbonneau & Darnley, 1970).

	Journée d'étalonnage courante à l'aéroport à l'aide des blocs d'étalonnage portatifs de la Section. On voit l'aéronef Skyvan de la Section (remisé en 1996) à l'arrière-plan. Un compteur à scintillations et le spectromètre Exploranium GR-256 enregistrent des données sur le bloc d'étalonnage du potassium (peint en rouge). Un autre spectromètre est également en train d'enregistrer des données sur le bloc «témoin» (peint en blanc) à droite. Une distance de 5 mètres sépare les blocs afin d'éliminer les coups provenant du bloc adjacent. Oui, juste au cas où vous vous seriez posé la question, le processus d'étalonnage se déroule beaucoup plus rapidement si plusieurs personnes prennent part au processus de comptage... ;)
	Étalonnage d'un spectromètre portatif sur le bloc d'étalonnage du potassium (peint en rouge) à l'intérieur d'un hangar d'aviation. Le bloc d'étalonnage de l'uranium (peint en bleu) et le bloc témoin (peint en blanc) se trouvent sur la gauche.
	Étalonnage d'un spectromètre aéroporté (installé à bord de l'hélicoptère). Le bloc d'étalonnage d'uranium (peint en bleu) a été déposé directement sous les capteurs montés à bord de l'hélicoptère (boîte grise à rayures rouges). Le système informatisé monté sur châssis se trouve derrière la boîte de capteurs.
	Comparez le système héliporté compact (ci-dessus) au spectromètre gamma aéroporté basé sur Nova de la CGC utilisé dans le Skyvan (à gauche). Le système héliporté utilise 8 cristaux de NaI (32 L), comparativement au système du Skyvan qui en utilise 12+2 (50 L) (à droite). Le système héliporté est donc nécessairement moins sensible que le système monté à bord du Skyvan, mais compense en partie ce manque de sensibilité en survolant le sol à des hauteurs de vol moins élevées que le Skyvan.

Voici un aperçu simplifié du traitement des mesures brutes de spectrométrie gamma en vue d'obtenir des concentrations équivalentes au sol de potassium, d'uranium et de thorium. Pour de plus amples renseignements, consulter le rapport technique n^o 323 de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), Grasty et al, 1991.

Vous pouvez également essayer le calculateur gamma (JavaScript requise, mais Java non requis). Le calculateur vous permet de connaître les résultats obtenus pour certaines données d'échantillonnage: vous pouvez en outre modifier les constantes d'étalonnage ou les valeurs des données pour voir les effets de ces modifications sur les concentrations équivalentes au sol.

Après trois comptages cumulatifs effectués pour trois parties du spectre qui présentent de l'intérêt dans le cas qui nous occupe (K⁴⁰, Bi²¹⁴ et Tl²⁰⁸), les données sont traitées comme suit:

• soustraire les coups attribuables au rayonnement naturel
  Les coups attribuables au rayonnement naturel peuvent être déterminés à l'aide des capteurs orientés vers le haut ou en survolant des masses d'eau. Les coups attribuables au rayonnement naturel sont alors soustraits des comptages cumulés.

• calculer les rapports d'enlèvement à la hauteur de vol
  Les rapports d'enlèvement calculés à l'aide des blocs d'étalonnage ne s'appliquent qu'au niveau du sol; les rapports d'enlèvement équivalents mesurés à la hauteur de vol sont déterminés d'après les rapports d'enlèvement mesurés au niveau du sol à l'aide des facteurs déterminés d'après la bande d'essai.

• appliquer les corrections des rapports d'enlèvement
  On élimine les effets de la diffusion Compton en appliquant les corrections des rapports d'enlèvement calculés à la hauteur observée.

• régler le taux de comptage pour tenir compte de l'atténuation due à la hauteur
  À l'aide des facteurs d'atténuation des taux de comptage (déterminés d'après la bande d'essai), le taux de comptage à la hauteur de vol observée est converti en taux de comptage équivalent à la hauteur de vol observée prévue.

• calculer la concentration équivalente au sol
  Les taux de comptage finaux corrigés pour tenir compte du rayonnement naturel, dépouillés et ajustés en fonction de la hauteur sont convertis en concentration équivalente au sol de potassium (K, %), d'uranium (éU, ppm) et de thorium (éTh, ppm) en divisant par la sensibilité (mesurée en coups par seconde/ppm ou en coups par seconde/%).

• calculer les rapports et l'exposition
  Les rapports de diagnostic (éU/éTh, éU/K et éTh/K) et le taux d'exposition sont calculés d'après les concentrations de K, de éU et de éTh.

L'affichage complet de toutes ces données nécessite au moins 7 cartes de courbes de niveau ou d'images (une pour chaque variable mesurée ou dérivée). Plusieurs techniques sont employées pour mettre en corrélation ces variables:

	the la carte des trois radioéléments (K, éU, éTh) est un produit spécial qui donne un aperçu unique de l'ensemble de données de composition.
	l'affichage multivariable des profils superposés au moyen d'une application comme SurView est un outil essentiel pour l'analyse des anomalies.

Les données de spectrométrie gamma sont arrondies en leur ajoutant les données totales recueillies sur le terrain à l'aide d'un magnétomètre, les données totales d'ondes TBF et les données en quadrature (s'il y a lieu).

• Matériaux de surface
  • substratum rocheux
  • formation en surface

• Exploration minière
  • uranium
  • éléments granophiles (Sn, W, etc.)
  • éléments rares (Be, Zr, Y, etc.)
  • roches carbonatées (éléments des terres rares, P, Nb, etc.)
  • métaux précieux (Au, Ag etc.)
  • métaux communs (Cu, Zn etc.)

• Surveillance des rayonnements dans le milieu
  • risques possibles associés au radon
  • accidents nucléaires
  • évacuation des déchets radioactifs
  • couverture de neige, humidité du sol

Mythe 1:

La SGA est un outil qui ne sert que pour l'uranium: «Je ne suis pas à la recherche d'uranium, alors pourquoi un levé radiométrique m'intéresserait-il?»

Les faits: Au Canada et partout dans le monde, les techniques aériennes et au sol de spectrométrie gamma sont appliquées avec succès dans les domaines suivants: prospection de métaux communs, de métaux précieux, de métaux stratégiques et de minerais industriels cartographie du substratum rocheux et cartographie géologique des formations en surface problèmes environnementaux (équivalence neige-eau, radon, réacteurs nucléaires/accidents nucléaires)

La SGA permet une «profondeur de pénétration» continue, le nombre de coups diminuant avec l'augmentation de la profondeur (comme dans le cas des levés électromagnétiques, des levés magnétiques, des levés gravimétriques, etc.).

Les faits: La SGA effectue des mesures seulement jusqu'à une profondeur de 30 centimètres (ou moins) dans la terre. Il n'y a donc aucune «pénétration» réelle.

Les morts-terrains constituent un obstacle de taille: «Dans notre projet, on a souvent affaire à des morts-terrains d'épaisseur variable et parfois grande qui couvrent le substratum rocheux, alors les levés de spectrométrie gamma ne sont pas utiles»

Les faits: Cela n'est vrai que si la composition en radioéléments des morts-terrains ne présente aucun lien avec la roche sous-jacente. Nous savons par expérience que ce phénomène est rare au Canada, même dans les zones fortement englacées. Dans la grande majorité des cas, les morts-terrains sont déviés localement, modifiant ainsi la géochimie du substratum, y compris celle des trois radioéléments K, éU et éTh. Dans les régions du monde où les conditions atmosphériques tropicales modifient la composition chimique des sources se trouvant dans le substratum, l'interprétation est plus complexe et requiert de l'information sur la manière dont les radioéléments ont été modifiés. Même dans ces cas graves, les données de spectrométrie gamma fournissent des renseignements importants sur les processus géomorphologiques et sur les propriétés des sols et des régolites qui nous aident à perfectionner les modèles géochimiques employés dans l'exploration minière.

• La SGA est une technique de télédétection géophysique qui permet de recueillir des renseignements sur la distribution du K, de l'U et du Th pouvant être interprétés directement en géologie de surface.

• La SGA est une technique de surface seulement - pour l'interprétation, il faut connaître la nature des matériaux de surface et leur relation avec le substratum rocheux.

• Même si la SGA mesure un phénomène physique, on peut parler de «géochimie aérienne» aux fins de l'exploration géologique et de la prospection.

• Contrairement à un objectif d'appareil-photo, le spectromètre gamma ne dispose pas de «cadrage fixe» - une source radioactive ponctuelle de haute activité peut être détectée même si elle se trouve à l'extérieur du cadrage visuel nominal.

• Le flux de rayons gamma diminue suivant une tendance exponentielle à mesure que l'on s'éloigne de la source.

• Une mesure SGA unique donne la concentration superficielle moyenne pour une surface de plusieurs mètres carrés renfermant en proportions variables des roches du substratum, des morts-terrains, de\ l'humidité et de la végétation.

• Généralement, les concentrations dans le substratum rocheux sont supérieures aux valeurs obtenues par la SGA - les concentrations dans les sédiments glaciaires ne sont que légèrement supérieures aux valeurs de la SGA. Les valeurs des rapports SGA (éU/éTh, éU/K et éTh/K) tendent à approximer les valeurs des rapports au niveau du sol. Les modèles de rapports peuvent accentuer les variations subtiles dans les concentrations élémentaires à cause des changements lithologiques ou des processus d'altération associés à la minéralisation. Les anomalies observées dans les rapports varient beaucoup - il faut interpréter de façon prudente les modèles de rapports, car des anomalies graves peuvent survenir dans les rapports si les taux de comptage sont faibles au dénominateur.

• L'utilité de la SGA en cartographie géologique et en exploration minérale varie lorsque l'on peut déterminer:
  • dans quelle mesure la distribution des radioéléments est influencée par les différences dans le substratum rocheux et dans quelle mesure cette distribution est modifiée par la minéralisation

  • dans quelle mesure la teneur en radioéléments du substratum rocheux se reflète dans les matériaux de surface pouvant être associés spatialement aux sources du substratum rocheux

• Enfin, il est important de noter que les levés aériens et les levés au sol réalisés au moyen de spectromètres étalonnés adéquatement permettent d'obtenir des données géochimiques quantitatives. La spectrométrie gamma, conjuguée à l'action des capteurs magnétiques et électromagnétiques dans un système numérique de pointe constitue un outil d'exploration et de cartographie puissant à l'usage de l'utilisateur final, du prospecteur privé utilisant des sorties analogiques, des sociétés et des cartographes régionaux utilisant le SIG.