Ipari alkalmazás

A radiológiai vizsgálatok használhatóságát a szénhidrogén (CH) ipari kutatásokban évtizedek óta tanulmányozzák (pl.: Saunders et al. 1993, Paschoa 1997, Sikka and Shives 2001, Tedesco 2012), mivel több esetben is figyeltek meg a CH telepek felett felszíni radiogén anomáliát. Különösen a radon áll a kutatások fókuszában, hiszen nemesgáz jellege révén relatíve nagy mobilitással rendelkezik, nem reagál más elemekkel, továbbá alfa bomló, mely könnyen detektálhatóvá teszi. A radonmérések alapvetően a ²²²Rn izotópra (radon, T_1/2=3,8 nap) irányulnak miután a másik két természetes izotópnak ²¹⁹Rn (aktinon, T_1/2=4 s), ²²⁰Rn (toron, T_1/2=56 s) nagyon rövid felezési ideje. Ugyanakkor ma egyre elterjedtebb a toron mérése is miután a radon/toron arány többlet információt nyújthat (Cvetkovi´c et al. 2021, Beaubien et al. 2023).

A módszer elvi háttere

A jelenlegi tanulmányok alapján a talajgáz radonkoncentráció mérése potenciális szénhidrogén indikátor lehet. Ezen megállapítás azon alapul, hogy a CH akkumuláció ún. „geokémiai cellát” generál a CH telep és a felszínközeli rétegek között. Ez a cella geokémiai változásokat idéz elő a felszínalatti vizek áramlási útvonala mentén, és a benne oldott radionuklidok —elsősorban az U és Ra melyek igen redox szenzitív elemek — szelektíven megkötődnek vagy éppen oldatba mennek a redox frontok mentén. Ez az egyszerűsített jelenség adja az elvi lehetőségét a radiometriai módszerek alkalmazásának a felszíni CH kutatásban. A radon felszínig vezető transzportját négy fő folyamat befolyásolja:

1. a koncentráció különbségen alapuló diffúzió (Fick-törvény),
2. a környező közeg áramlása (advekció vagy filtráció),
3. a radon bomlása,
4. valamint a radon keletkezése a ²²⁶Ra izotópból.

A diffúzió lényegében csak levegőben működik jól, melyet jól illusztrál a diffúziós állandó értéke is, ami 0,1 cm2/s levegőben és nagyságrendileg 10–5 cm2/s vízben. Ennek köszönhetően a diffúzió elsősorban csak a felszínközeli, háromfázisú, telítetlen zónában lehet meghatározó. Azonban a diffúzió egy igen lassú folyamat, így a radon 3,8 napos felezési ideje miatt csak kis távolságokra (néhány 10 m) juthat általa a radon.

Az advekció a környező közeg mozgása, mely a telített zónában a felszínalatti vízáramlás „gyorsaságának” függvényében (ami magával ragadja a radont) egy hatékonyabb transzportfolyamat. Ugyanakkor itt a horizontális irányú áramlás sokszor több nagyságrenddel jelentősebb, mint a vertikális áramlás. A vertikális irányú transzporta létezik egy „alternatívája” ennek a folyamatnak, amikor geogáz mikrobuborékokban szállítódik a radon gáz. Ezzel a szállítási mechanizmussal a radon akár több 100 méteres távolságok megtételére is képes. Továbbá a radon szállításában, fontos szerepet játszik a CO₂, amit gyakran emlegetnek a radon szállítógázának is.

A radon 3,8 napos felezési ideje jelentős korlátozó tényező az anomália forrásának mélységét illetően. A felezési idő 10 szeresének eltelte után gyakorlatilag már nem detektálható a radon. A radon keletkezése „zavaró” hatásként jelentkezik a mért radon koncentrációban, hiszen nem a mélységi radon anomáliáról ad információt, hanem a környező kőzetek, valamint talaj rádium tartalmáról, így ezt mindig korrekcióba szükséges venni. A kutatási eredmények alapján a szénhidrogén telepek felett negatív-, míg a szénhidrogén telepek szélein pozitív anomália alakul ki (1. ábra). Ezen elv alapján kerül kapcsolatba a CH telep és a radon, mint potenciális indikátor. Ugyanakkor a különböző típusú csapda szerkezethez kötődő CH telepeket különböző anomális hatások jellemzik.

A tapasztalatok alapján több 1000 m mélységű CH telepek esetén is kimérhető radonanomália, ami az említett transzportfolyamatok nagyságrendjét figyelembe véve arra a következtetésre vezet, hogy a jelenség megértésében nem feltétlenül csak kizárólag a radontranszport tisztázása a kulcs. A közvetlen szülőelemek transzportját is figyelembe kell venni, hiszen bár a ²²²Rn a 238U bomlási sorához kapcsolódik, ezért lényeges, hogy legyen ²³⁸U akkumuláció redoxfront mentén, ahol a közeg oxidatív viszonyokból reduktívba megy át, de nem szabad elfelejteni, hogy reduktív közegben a ²²⁶Ra mobilis, ami a közvetlen szülő eleme a ²²²Rn-nak, mely jelentősen alakíthatja a fent említett klasszikus radontranszport folyamatokat. Sőt feltételezhető, hogy a radonkoncentráció mérése az anyaelem migrációjának egy fajta nyomjelzője. (Utóbbi esetén a ²²⁶Ra 1600 éves felezési ideje korlátozó tényező a geológiai időskálához viszonyítva). A radon és anyaelemek transzportja mellett természetesen a törés, és repedés rendszerek jelenléte, orientációja szintén erősen befolyásoló tényező, melynek jelenléte nélkülözhetetlen a mélységi radon detektáláshoz.

CH-telepek fölött kialakuló radiációs anomália geokémiai modellvázlata

Módszer kihívásai és előnyei

A felvázolt módszertan legnagyobb kihívása, hogy számos egyéb talajtani és geológiai tényező okozhat radon anomáliát a felszínen, így a radon nem csak a CH jelenlétére utalhat. Sőt ekvivalencia probléma is felmerülhet, ahol ugyanazt a radon anomáliát különböző hatótényezők eredményeként is magyarázhatjuk. A radon anomáliát befolyásoló mélységi jelenségek például vetők, impermeábilis rétegek, vagy magas urántartalmú kőzetek jelenléte. Az impermeábilis rétegek felett negatív anomália lesz megfigyelhető, azonban ahol ez a réteg kiékelődik, ott egy kumulált magasabb érték lesz megfigyelhető. Hasonló jelenséget okozhatnak a vetők, a vetősík felett egy negatív anomália várható, azonban a vető felszínre lépési pontjánál pozitív anomália lesz megfigyelhető. Azonban a CH indikáció kimutatásához minden egyéb zavaró tényezőt is figyelembe kell venni, és eliminálni kell a hatásukat. Így korrigálni szükséges:

1. A pillanatnyi környezeti hatásokat, melyek közül a pillanatnyi légnyomás, valamint talajnedvesség a legkritikusabb paraméterek. Változásaik akár több nagyságrend különbséget is előidézhetnek a radonkoncentrációban.
2. A környező talaj/kőzetek ²²⁶Ra tartalmát, mely lokális forrásként jelentkezik, és különösen fontos, hogy a felszínközeli radon forrásokat elkülönítsük a mélységi (ld. CH telep) radon forrásoktól.
3. Egyéb talaj-és kőzettípus függő paramétereket, mint például a permeabilitás hatását.

A módszertan előnye, hogy radon mérések eredményei összevethetők a szeizmikus analízisek eredményeivel is, de olyan területen is olcsón és gyorsan alkalmazható, ahol nem áll megfelelő mennyiségű vagy minőségű szénhidrogén-földtani információ rendelkezésre. Továbbá, hogy a fente említett korrekciók szinte minden esetben jól elvégezhetők. Természetesen fontos megjegyezni, hogy a talajgáz radonmérés ugyanúgy, mint bármilyen más felszínen végzett geokémiai vizsgálat a szénhidrogéntelep pontos lehatárolására önmagában nem alkalmas, de a mélyben található telepnek kiváló indikációja lehet.

Kutatási példák

Bár az alapkoncepció megalkotása már nagyobb múltra tekint vissza, jelenleg is innovatívan kutatott a terület. Cvetkovi´c et al. (2021) a Pannon-medence horvátországi részén (Croatian part of the Pannonian Basin-CPBS) végeztek radonméréseket és gamma spektrometriát ismert CH anomália körül, azzal a céllal, hogy igazolják a módszer hatékonyságát a törés rendszerek és a migrációs pályák azonosításában. Méréseik alátámasztották, hogy az ismert CH felhalmozódások feletti területeken általában magasabb a radonkoncentráció. A radon/toron arány maximuma jó egyezést mutatott az ismert olajtermelés pozíciójával, megerősítve, hogy ezen módszer segíthet elkülöníteni a lokális és mélységi radon „jeleket”.

A radon/toron aránya a vizsgált területen, ahol piros négyzet az olajtermelés pozícióját mutatja, továbbá a zöld sáv a folyón olajnyomos víz jelenlétére utal. A piros vonalak a főbb szerkezeti elemek (Cvetkovi´c et al. 2021).

Beaubien et al. (2023) talajgáz- és gázáramlási vizsgálatokat végeztek, hogy kapcsolatot keressenek a szénhidrogén akkumuláció, a szerkezeti diszkontinuitások és a felszíni geokémiai anomáliák között a Val d’Agri medence területén Olaszországban. Kutatásuk a radon mellett több gáz mérését is tartalmazta, mint például a CO₂, vagy CH₄. A radon esetében szintén mind a ²²²Rn mind ²²⁰Rn (toron) és ezek koncentrációinak arányát is mérték. A radon/toron arány ebben az esetben is hasznosnak bizonyult a különböző mélységi hatók értelmezésekor. Az alábbi ábra a kutatási terület komplex értelmezését szemlélteti a szerkezeti zónák, CH akkumuláció, és a különböző gázok dúsulási zónáinak feltüntetésével.

A Val d’Agri medence területének komplex értelmezése (Beaubien et al. 2023).

Fernández et al. (2015) három venezuelai olajmező esetében vizsgálta a talajgáz radon és toron aktivitáskoncentráció összefüggéseit a szénhidrogén akkumulációkkal és a hozzájuk kapcsolódó csapdaszerkezetekkel. A vizsgáltok során mind aktív, mind passzív radonmérési módszereket használtak. A háromból egy terület esetében nem sikerült egyértelműen kimutatni az antiklinálisokra jellemző radon anomáliát, ezt a rezervoár bonyolult szerkezeti felépítésével magyarázták a szerzők. A másik két esetben azonban sikerült egyértelmű térbeli korrelációt kimutatni a mélyben lévő akkumuláció és a felszínen mért anomáliák között, egy antiklinális csapda és egy vetőhöz kapcsolódó csapda esetében is.

A mért radon és toron aktivitás koncentráció értékek (Nodosaria 15, Jusepin - Monagas State olajmező), továbbá feltüntetve a mérési pontokat, a vetőket és az olajkutakat (Fernández et al., 2015).

Referenciák

1. Beaubien, S. E., Spagnolo, G. S., Ridolfi, R. M., Aldega, L., Antoncecchi, I., Bigi, S., ... & Carminati, E. (2023): Structural control of gas migration pathways in the hydrocarbon-rich Val d’Agri basin (Southern Apennines, Italy). Marine and Petroleum Geology, 154, 106339.
2. Cvetković, M., Kapuralić, J., Pejić, M., Kolenković Močilac, I., Rukavina, D., Smirčić, D., ... & Špelić, M. (2021): Soil gas measurements of radon, CO2 and hydrocarbon concentrations as indicators of subsurface hydrocarbon accumulation and hydrocarbon seepage. Sustainability, 13(7), 3840.
3. Fernández, D. P., Fusella, E., Avila, Y., Salas, J., Teixeira, D., Fernández, G., ... & Regalado, J. (2016). Soil gas radon and thoron measurements in some Venezuelan oilfields. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 307, 801-810.
4. Paschoa, A. S. (1997): Naturally occurring radioactive materials (NORM) and petroleum origin. Applied Radiation and Isotopes, 48(10-12), 1391-1396. Saunders, D. F., Burson, K. R., Branch, J. F., Thompson, C. K. (1993): Relation of thorium-normalized surface and aerial radiometric data to subsurface petroleum accumulations. Geophysics, 58(10), 1417-1427.
5. Sikka D. B., Shives R. B. K. (2001): Mechanisms to Explain the Formation of Geochemical Anomalies Over Oilfields. AAPG Hedberg Conference “Near-Surface Hydrocarbon Migration: Mechanisms and Seepage Rates” September 16-19, 2001, Vancouver, BC, Canda.
6. Tedesco, S. A. (2012): Surface geochemistry in petroleum exploration. Springer Science & Business Media.