toryum elementinin jeofizik yöntemlerle aranması barış koru

Toryum element N N İ İJeof z k Yöntemlerle İ İ

AranmasI

Barış KORUMaden Mühendisi

2008

Toryum :

Periyodik tabloda aktinit serisinin ikinci üyesi olan toryum, yer kabuğunun %0,0007'lik kısmını oluşturmaktadır.

Toryum, uranyum gibi doğada serbest halde bulunmayıp 60 civarında mineralin yapısı içinde yer almaktadır.

Bunlardan sadece monazit [(Ce,La,Nd,Th,Y)PO4] ve torit [(Th,U) SiO4] toryum üretiminde kullanılmaktadır. Bu mineraller de genellikle nadir toprak elementleri (NTE) ile birlikte bulunmaktadır.

Torit : [(Th,U)SiO4]

Monazit : [(Ce,La,Y,Th)PO4]

Toryum :

Yüksek sıcaklıklarda magnezyumun direncini artırmak amacıyla alaşımlarda,

Elektronik cihazlarda ve aydınlatmada tungsten filamanların kaplanmasında,

Yüksek ısıya dayanıklı potaların yapımında,

Yüksek kaliteli kamera merceklerinde,

Nükleer teknolojide kullanılmaktadır.

Toryum tek başına nükleer yakıt olarak kullanılamaz. Fertil bir izotop olan Th-232'nin bir öntron yutarak fisyon yapabilen bir izotop olan U-233'e dönüştürülmesi gerekir.

Th232 düşük enerjili nötronlarla tepkimesi sonucu bir dizi reaksiyon zinciri ile birlikte U233'e dönüşür:

Bu fisil maddeye üretkenlik döngüsü şöyledir :

Toryumlu yakıt denemeleri 1960 yıllarının ortalarında başlamış olmasına rağmen güç reaktörlerinde kullanılmasına 1976 yılında başlanmıştır.

Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya, İngiltere ve ABD'de araştırma/geliştirme çalışmaları bulunmaktadır.

Günümüzde geliştirilmekte olan yenilikçi nükleer fisyon teknolojilerinde de toryum önemli bir yere sahiptir.

Bu yeni teknolojiler;

Kanada tarafından geliştirilen Yeni Nesil CANDU Reaktörü (CANDU-X)

Rusya tarafından geliştirilen Gaz Türbinli Modüler Helyum Reaktörü (GT-MHR)

Japonya-Rusya ve ABD tarafından geliştirilen FUJI Eriyik Tuz Reaktörü (FUJI Molten Salt Reactor)

Güney Afrika tarafından geliştirilen Çakıl Yataklı Modüler Reaktör (PBMR)

Rusya, İsrail ve ABD tarafından geliştirilen Radkowsky Toryum Yakıtlı Reaktör (RTFR)

Avrupa ülkeleri tarafından geliştirilen Enerji Yükseltici (Energy Amplifier)

Dünya Toryum Rezervleri :

Türkiye de Toryum Ve Uranyum Rezervi :

Jeofizik Yöntemler:

Maden aramalarında kullanılan başlıca jeofizik yöntemler şunlardır:

1. Gravimetrik yöntem

2. Manyetik yöntem

3. Elektrik yöntemler

a) Özdirenç

b) IP

- frekans ortamı IP

- zaman ortamı IP

- spektral IP

c) SP

d) Misse la masse

4. Elektromanyetik(EM) yöntemler

a) Frekans ortamı EM

aa) Tilt-açısı ölçümü

ab) Çok alçak frekans (VLF)

ac) Afmag

ad) Faz ve amplitüd ölçüm sistemleri

b) Zaman ortamı EM

c) Yapay kaynaklı manyetotelürik (CSAMT)

d) Yer radarı (GPR)

5. Radiometrik yöntem

6. Sismik yöntem

7. Termik yöntemler

8. Kuyu Jeofiziği yöntemleri

Toryumun Aranabildi i ğJeofizik Yöntemler

1 – Radyoaktivite Logları Yöntemi

2 - Radyoaktif Prospeksiyon Yöntemi

1 – Radyoaktivite Logları Yöntemi

A - Gamma Ray Logu Yöntemi (GR) B - Tabii Radyoaktivite Logu Yöntemi (NGT)

Log Tanımı:

Açılan sondaj kuyularında, katmanların fiziksel özelliklerinin derinliğin fonksiyonu olarak kaydedilmesi ile elde eğrilere log denir. Diğer bir deyişle log, sondaj sırasında geçilen birimlerin tüm özelliklerini bize eğriler halinde yansıtır.

Kuyu loglarından rezistivite, kodüktivite, self potansiyel, radyoaktivite, eğim, akustik, hız gibi fiziksel değerler elde edilir.

A – Gamma Ray Logu Yöntemi (GR)

Gamma Ray Logu tabakanın doğal radyoaktivitesini ölçer.

Gamma Ray Logu , Gamma ışını ölçer yani Radyometre yardımıyla ölçülür (Şekil-1) .

Radyoaktif elementler Uranyum (U), Toryum (Th) ve Potasyum (K) genellikle şeyl ve killer içinde konsantre olduğu için sedimanter kayaçlardaki şeyl miktarını yansıtır.

GR logunun birimi ton başına mikrogram radyum eşdeğeri veya saniyede ışınım sayısı (API) olarak alınır.

Radyometre yani Gamma Işını Ölçer :

Şekil-1

Tabaka içindeki radyoaktif elementler (Th, K, U) atom çekirdeklerinden devamlı olarak radyoaktif alfa beta ve gamma ışınları yayarlar.

Bu ışınlar çarpışma sonucu enerji kaybederler ve GR Logu ile enerji seviyesi 0.04-3.2 MeV olan gamma ışınları özel dedektörler tarafından sayılabilirler.

GR logu API birimine göre kalibre edilir. GR logunun en önemli özelliklerinden biri muhafaza

borusu arkasından da alınabilmesidir. Böylece kuyu tamamlama ve üretim çalışmalarında korelasyon amacı ile kullanılabilir.

SP logunun alınamadığı boş ve petrol bazlı çamur kullanılan kuyularda alınabilir.

GR Logunun Kullanıldığı Yerler :

• Toryum ve Uranyum gibi radyoaktif minerallerin bulunmasında,

• SP logunun kullanılmadığı yerlerde şeyl tabakalarının belirlenmesinde,

• Tabaka içindeki şeyli yansıttığı için şeyl miktarının kantitatif olarak hesaplanmasında,

• Yanal litofasiyes değişimlerinin saptanmasında,

• Kömür tabakası gibi radyoaktif olmayan minerallerin yayılımının tespitinde,

• Açık kuyularda alınan loglarda derinlik korelasyonunda,

• Uzun süre üretim yapan eski kuyularda formasyon suyunun büyük oranlarda geçtiği zondaki radyasyon seviyesinin belirlenmesinde.

Doğal radyoaktiviteyi oluşturan Th, U, ve K şeyller içinde yoğunlaşmıştır ve şeyllerin rengi koyulaştıkça radyoaktiviteleri de artar. Şeyllerin radyoaktivitesinde gözlenen bu değişimden dolayı GR logunda SP’de olduğu gibi düzgün şeyl hattı olmaz.

Temiz rezervuar kayaçlar düşük radyoaktivite gösterir ancak kendi içindeki kireçtaşlarının radyoaktivitesi dolomitlerden, dolomitlerin radyoaktivitesi de kumtaşlarından daha azdır.

GR logunun kayaç

derinliğine göre

yapısı :

B – Tabii Rodyoaktivite Logu Yöntemi (NGT)

GR logunda olduğu gibi NGT logu da tabakanın doğal radyoaktivitesini ölçer. Ancak ondan farklı olarak üç radyoaktif elementin (Th, U, K) doğal olarak yaydıkları gamma ışınlarının enerjilerini ölçerek kayaç içindeki yüzdelerini belirler.

Doğadaki gamma ışınlarının büyük bir kısmı üç radyoaktif izotopun başka izotoplara dönüşmesi esnasında oluşur.

Potasyum, Argon 40’a dönüştüğünde 1.46 MeV gamma ışını yayar, Toryum ve Uranyum ise dengeli bir izotop oluşturana kadar ara aşamalarda birçok izotop oluşturur.

Bu oluşumlar sırasında ortama yayılan gamma ışınları tabakanın doğal radyoaktivitesini oluşturur ve bunlar dedektöre ulaşana kadar sürekli enerji kaybederler.

Logun birimi ise saniyede ışınım sayısı olarak alınır.

NGT Logunun Kullanıldığı Yerler :

• Toryum, Uranyum (Uranyum madenlerinde), potasyum ve organik hidrokarbon potansiyelinin belirlenmesinde,

• Radyoaktif minerallerin bulunmasında ve yorumlanmasında,

• Kuyular arasında korelasyon yapılmasında,

• Diğer loglardan killerle ilgili elde edilen verilere tamamlayıcı bilgi sağlanmasında,

• Kil tiplerinin ayırt edilmesinde, kil hacminin bulunmasında,

• Diğer radyoaktif mineralleri belirliyerek, karmaşık litolojilerde gerçek litolojinin bulunmasında,

• Stilolit, çatlak ve uyumsuzlukların belirlenmesinde,

• Fasiyes ve çökelim ortamlarının belirlenmesinde.

Ölçümü Etkileyen Faktörler :

NGT okumaları yalnızca üç radyoaktif mineral konsantrasyonuna bağlı değildir. Bunun yanı sıra kuyu şartları da (kuyu çapı ve çamur ağırlığı) log okumalarını etkiler. Bunun için düzeltme tabloları kullanılarak gerekli düzeltmeler yapılır.

2 – Radyoaktif Prospeksiyon Yöntemi

Radyoaktif minerallerin aranmasında en önemli özellik bu minerallerin radyoaktivite yaymalarıdır.

Bu radyoaktif yayınımları oluşturan parçacıklar Alfa,Beta ve Gamma parçacıklarıdır.

Bu parçacıklardan Alfa ve Beta parçacıklarının yayınım güçleri çok zayıftır fakat Gamma parçacıkları kütlesiz olduğundan yayınımı geniştir.

Bu yayınımları ölçen alete spektrometre denir ve bu spektrometreler daha çok 0.0- 3.0 MeV arası Gamma ışınlarını ölçerler.

Toryumun doğal izotopu Th232 dir.Gamma ışını yayan Tı208 izotopunun belirgin pik yaptığı enerji seviyesi 2.62 MeV dir. Spektrometrelerin algılayıcıları Tı208 orjinli gamma ışınlarını algılamak için 2.42-2.82 MeV enerji aralığındadır.

Gamma Işını Spektrometresi farklı tipteki kaynaklardan gelen radyasyonu ayırmak ve her bir tipteki radyasyonu ayrı ayrı ölçmek için kullanılır.

Spektrometrik saha araştırmaları ile karakteristik radyometrik özelliklere sahip olan kayaç birimleri tasfir edilerek jeolojik haritalama yapılır. Ayrıca Gamma Işını Spektrometresi ya kendileri radyoaktif yada radyoaktif minerallerle ilişkili olan mineral depozitlerinin belirlenmesinde kullanılır.

Çok büyük sahalarda toryum aramaları söz konusu olduğunda havadan etüd kaçınılmazdır.

Havadan belirlenen potansiyel alanlar ayrıyetten yer gözlemleriyle daha detaylı etüd edilir.

Havadan etüdde sintilometre (toplam sayım) ve gamma ışını spektrometrelerinden yararlanılır.

Gamma Işını Spektrometresi uçağa monte edilerek havadan yapılan prospeksiyondan elde edilen verilerle klasik izobar haritaları çizilir.

Ayrıca yapılan düzeltmelerden sonra, ölçümlerin hangi radyoaktif mineral tenörlerine eşdeğer olduğunu belirlemek olanaklıdır.

Uçuşlarda en ideal yükseklik 150m dir. Bu yüksekliklerde anomali değerleri optimum düzeyde elde edilerek verilere işlenir.

Bu yöntem Türkiye de de kullanılmıştır ve

radyoaktif maden aramalarının büyük bir bölümü bu yöntemle bulunmuştur.

Türkiye’de radyoaktif maden aramaları için havadan prospeksiyon için yıl ve uçuş alanı :

Havada kuıllanılacak bir gama ışını spektrometresinin yüklenmesi :

Do al Potansiyel (SP) Yöntem ğ

Bu yöntem, yapay akımlar kullanılmadan yerin doğal potansiyelinden yararlanarak, herhangi iki nokta arasındaki gerilim farkının ölçülmesi esasına dayanmaktadır.

Yere elektrik enerjisi vermeden kullanılan tek yöntemdir.

SP yer içerisindeki doğal elektrik akımlarının doğal alanını ölçer.

Doğal Potansiyel yönteminin uygulama alanlarını şu şekilde sıralayabiliriz ;

o Metalik maden yataklarının aranmasında

o Fay ve kırık hatlarının belirlenmesinde

o Yer altı boşluklarının saptanmasında

o Baraj rezervuarındaki sızıntılarının tespit edilmesinde

o Jeotermal kaynakların araştırılmasında

o Depremlerin önceden belirlenmesi çalışmalarında

Kolaylıkları : Ölçü almak oldukça kolay ve hızlıdır.

Ekonomik bir yöntemdir.

Zorlukları : Yer ile intrüzif temas gerektirmektedir.

Polarize olmayan elektrotların kullanılması.

Doğal yer akımlarına ve kültürel yapılara duyarlı olması.

Doğal Potansiyele neden olan olaylar şunlardır;

1) Elektrokinetik Gerilim (Akma Gerilimi) :

ρ özdirencine ve η viskozitesine sahip bir çözelti kapiler veya geçirimli bir ortamdan basınç zoruyla geçirilirse bu ortam üzerindeki gerilim ‘’akma gerilimidir”.

2) Difüzyon (Sıvı Dokanağı) Gerilimi :

Farklı konsantrasyonlardaki çözeltilerde yer alan anyon (-) ve katyonların (+) hareketlerinden dolayı meydana gelen gerilimdir.

3) Nernst Gerilimi : Farklı konsantrasyonlu çözeltiler arasında meydana gelen gerilimdir. Örneğin petrol ve su arayüzeylerinde, nehirlerle denizlerin karıştığı dokanalarda ölçülen gerilim bu tür bir gerilimdir.

4) Elektrokimyasal Gerilim (Mineralizasyon Gerilimi) :

Sülfürlü metalik cevherleşme sahalarında ölçülen doğal gerilimdir. İletken cevher kapanlarında tuz miktarına, sıcaklığa ve ıslaklık koşullarına bağlı olarak oluşur. Genelde maden arama jeofiziğinde ölçülmesi istenen bir doğal potansiyel gerilimdir. Örnek; pirit, kalkopirit, galenit, sfelorit ve grafit gibi.Genelde birkaç yüz milivolta varan SP anomalileri ölçülür.

SP Geriliminin Oluşumuna Neden Olan Diğer Etkenler :

Mineralizasyon gerilimlerinin dışında olan ve kaynağı bazı doğal ve yapay yer altı olaylarına dayanan SP gerilimleri vardır Bunlar vardır. Bunlar;

● Tellürik akımlar● Yapay akım kaçakları ve güç hatları● Yer altındaki boru hatları● Topoğrafya

Bir SP ölçümü çalışmasında kullanılan aletler şunlardır;

1-Bir adet multimetre (voltmetre)

2-En az iki adet polarize olmayan fincan elektrod

3-Yeterli uzunlukta dışı yalıtkan kablo

4-Keser

SP’de Ölçü Teknikleri :

1) Kaydırma Ölçü Tekniği (Gradyent Dizilim) :

2) Baza İndirgeme Ölçü Tekniği (Toplam Alan Dizilim Açma) :

3) Diğer Ölçü Teknikleri

Doğal Potansiyelde Sonuçları Değerlendirme Ve Yorum :

Diğer yöntemlerde olduğu gibi SP yönteminde de elde edilen anomaliler şekli basit cisimlere yaklaşım yapılarak değerlendirilir ve yorumlanır :

1) Küre veya Elektriksel Dipol

2) Uzun Çubuk Şeklinde Cevher

SP Anomalileri SP çalışmalarından elde edilecek anomaliler (negatif

merkezler) genellikle bazı maden yataklarının yerini göstermekle cevherin bulunmasında iyi bir fikir verir. Ayrıca bu anomaliler cevherin şekli hakkında iyi bilgiler sağlar.

Toryumun SP ile Aranmama Sebepleri ;

I. Elektrokinetik gerilim (Akma gerilimi) ve difüzyon (sıvı dokanağı) gerilimi oluşturmaması; toryumun sıvı olmaması ve anyon katyon gibi iyon değişimleri göstermemesi.

II. Nernst Gerilimi oluşturmaması;toryumun konsantrasyon yapmaması.

III. Elektro kimyasal gerilim yaratmaması; yani SP yöntemi aslında sülfürlü minerallerin aranmasında kullanılır.

Kaynaklar :1. http://www.ahmetercan.net/index.php?mod=HaberDetay

&ID=1212&haber=1

2. http://www.taek.gov.tr/bilgi/yakit/toryum/toryum_bilgi.html

3. http://www.jmo.org.tr/resimler/ekler/952ce98517ac529_ek.pdf?dergi=JEOLOJİ%20MÜHENDİSLİĞİ%20DERGİSİ

4. http://jeofizik.ankara.edu.tr/download/notlar/JFM462/maden_arama_jeofizi%C4%9Fi_1.pdf

5. http://yunus.hacettepe.edu.tr/~kdirik/Yeralti_jeolojisi.pdf

6. http://gsc.nrcan.gc.ca/mindep/method/geophysics/index_e.php

7. http://www.ugurevirgen.com/onurdongel/JEM207_Ders08.pdf

8. http://www.jeofizikkulubu.com/sp.html

9. 1.Ulusal Nükleer Yakıt Teknolojisi Sempozyumu, 3-5 Eylül 1997, ÇNAEM, İstanbul; sempozyum metni.