Dans la nature, toutes les roches et les sols sont radioactifs et renferment une variété d'éléments radioactifs dans des proportions diverses. Lorsque ces éléments se désintègrent naturellement, ils émettent divers types de rayonnement (alpha, bêta et gamma) à des niveaux d'énergie spécifiques. Seul le rayonnement des rayons gamma dégage suffisamment d'énergie pouvant servir à l'exécution de cartes géologiques ou de travaux d'exploration. Néanmoins, la spectrométrie gamma est une méthode efficace pour mesurer les concentrations des éléments radioactifs individuels (en particulier, K, U, Th), lesquels, en raison de leurs signatures radioactives caractéristiques, servent de base pour cartographier les roches et les sols.

Les rayons gamma sont émis lors de la désintégration spontanée des éléments radioactifs. Les trois éléments radioactifs les plus fréquents dans la nature sont le potassium, l'uranium et le thorium. Ils sont présents en concentrations variables dans la plupart des minéraux essentiels de la roche. Ainsi le potassium se rencontre principalement dans le feldspath, minéral que l'on trouve en abondance et un peu partout dans la croûte terrestre et qui constitue un élément dominant des roches granitiques. L'uranium et le thorium sont généralement présents en petites quantités (mesurées en parties par million (ppm)) dans un vaste éventail de minéraux. De fortes concentrations d'uranium peuvent constituer une cible d'intérêt économique pour les sociétés minières. De manière indirecte, ces trois éléments radioactifs peuvent révéler la présence de concentrations économiques d'un grand nombre d'autres métaux. Les concentrations de potassium, d'uranium et de thorium ont été cartographiées sur environ 40 % du territoire canadien à l'aide de détecteurs aéroportés dans le but de mesurer le spectre distinctif de leurs rayons gamma. Les cartes de radioactivité fournissent des données sur les propriétés minéralogiques et géochimiques fondamentales du substratum rocheux et des formations dépôts. Elles se sont révélées extrêmement utiles pour effectuer la cartographie géologique, l'exploration minérale et des études environnementales, mettant souvent en évidence des caractéristiques géologiques non relevées par d'autres techniques.

La spectrométrie gamma aérienne (SGA) permet de mesurer directement une source à la surface de la Terre sans pénétration à de grandes profondeurs. Cette possibilité de collecter des données en surface nous permet d'établir avec certitude la relation existant entre les contrastes mesurés pour les éléments radioactifs et la cartographie du substratum rocheux et des dépôts géologiques superficiels, ainsi que les altérations associées aux gîtes minéraux. Toutes les roches et les matériaux provenant de celles-ci sont radioactifs et contiennent des quantités décelables de divers éléments radioactifs. Le spectromètre gamma est conçu de manière à détecter le rayonnement gamma émis par ces éléments radioactifs et à permettre la classification exacte du rayonnement gamma détecté selon l'énergie dégagée. C'est cette capacité de classification qui différencie le spectromètre des autres instruments utilisé uniquement pour mesurer la radioactivité globale.

Les méthodes aériennes permettent d'effectuer des levés systématiques intéressants sur de vastes étendues. La spectrométrie au sol permet d'obtenir une résolution plus grande lors de la détection des sources de chaque élément radioactif. En établissant une relation entre les variations radioélémentaires mesurées au moyen d'un spectromètre au sol bien étalonné et les variations lithogéochimiques s'y rapportant, fondées sur un groupe d'échantillons témoin, on peut réduire considérablement les coûts de l'analyse.

Les levés au sol n'appellent pas nécessairement des levés aériens correspondants. Ils peuvent être exécutés par une seule personne sous forme d'un levé de reconnaissance. Ce levé pourrait être suivi d'un levé plus élaboré à l'aide d'une série de lignes de quadrillage si cela est justifié. Les données géochimiques ainsi récoltées fournissent une banque d'information supplémentaire substantielle, ce qui permet d'améliorer considérablement la cartographie du substratum rocheux et des dépôts superficiels, et de guider la recherche de minerai.

Les levés aériens sont effectués à une hauteur constante de 200 m, suivant des lignes de vol espacées de 200 à 5 000 m, dépendant de l'objectif de la prospection et des fonds alloués. La plupart des levés de reconnaissance ont généralement été exécutés avec des lignes de vol espacées de 5 000 m, alors qu'à l'échelle régionale, les lignes des levés étaient espacées de 1 000 m. Quant à la cartographie détaillée ou aux levés exécutés à l'échelle du gisement, les lignes de vol étaient espacées de 200 à 500 m.

La plupart des données sont collectées numériquement. Le traitement appliqué est le suivant :

• soustraction des bruits de fond cosmiques, de l'aéronef et du radon
• correction des éliminations des effets de la diffusion Compton
• correction de l'atténuation afin de supprimer les variations dues à la hauteur de vol à laquelle est effectué le levé
• conversion des taux de comptage en concentrations équivalentes au sol à l'aide des sensibilités

Pour chaque système d'acquisition utilisée, il faut déterminer avec soin les rapports d'élimination, les coefficients d'atténuation et les sensibilités. La bonne application de ces constantes au cours du traitement permettra d'obtenir des données sans joint entre les limites de chaque levé, indépendamment du système d'acquisition utilisé. Pour de plus amples renseignements, consulter la page Mise en pratique de la théorie dans Géophysique de rayonnement.

Les données de spectrométrie gamma sont généralement représentées à partir à partir des variables suivantes:

1. quatre variables mesurées :
   • potassium, K (%)
   • équivalent uranium, éU (ppm)
   • équivalent thorium, éTh (ppm)
   • taux d'absorption total dans l'air (nGy/h)

2. cinq produits dérivés :
   • éU/éTh
   • éU/K (ppm/%)
   • éTh/K (ppm/%)
   • carte ternaire des éléments radioactifs
   • taux d'absorption naturel dans l'air (nGy/h)

Notes :

1. Bien que la concentration en potassium soit mesurée directement, les concentrations d'uranium et de thorium au sol sont obtenues indirectement en mesurant les produits de filiation, ce qui explique l'utilisation du terme équivalent.

2. Le taux d'absorption total dans l'air est une mesure de la radioactivité globale et comprend toutes les énergies des rayons gamma émis, y compris celles provenant de sources anthropiques. Le taux d'absorption naturel dans l'air comprend uniquement les apports 'naturels' de 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 potassium est un des principaux éléments constitutifs de la plupart des roches et est un élément d'altération fréquent dans certains types de gîtes minéraux. Quant à l'uranium et au thorium, ils sont présents à l'état de trace, respectivement sous forme d'éléments mobiles et relativement immobiles. Puisque la concentration de ces divers éléments radioactifs varie selon les différents types de roche, on peut se servir des données fournies par le spectromètre gamma pour cartographier les roches. Lorsque la signature 'normale' des éléments radioactifs d'une roche hôte est interrompue par un corps minéralisé, les anomalies radioélémentaires offrent des guides directs d'exploration.

Souvent, selon la complexité de la géologie, de faibles variations de K, U et (ou) de Th peuvent ne pas être très apparentes. Par conséquent, pour interpréter comme il se doit les données obtenues par la spectrométrie gamma, il faut examiner toutes les variables mesurées et les produits associés qui en proviennent. Les cartes des rapports peuvent mettre en relief ou intensifier ces faibles variations dans les variables mesurées, ce qui est particulièrement important, notamment lorsque l'on est en présence d'altération de diverses intensités associée à un processus minéralisateur. Par exemple, l'altération du potassium (enrichissement) liée à certains types de gîtes minéraux peut se produire dans les roches hôtes en présence de taux de potassium normalement faibles ou modérés, donnant une signature en potassium élevé. Ce phénomène serait facile à reconnaître si l'altération en question s'effectuait en situation isolée. Toutefois, il se peut que des types normaux de roches à haute teneur en K se trouvent tout près des roches altérées. Dans ce cas, il se peut que le potassium associé au processus d'altération ne puisse être différencié des autres types de roches à forte teneur en K. Les cartes de rapport, en particulier le rapport eTh/K, peuvent être des indicateurs sensibles de l'altération du potassium associée à la minéralisation et peuvent être utilisées comme indicateur direct d'une minéralisation. Des exemples de ce phénomène ont été relevés dans les données SGA collectées au-dessus des gisements de porphyre, tels que celui de Casino dans le Territoire du Yukon. À l'échelle régionale, de faibles variations observées dans les variables mesurées, nettement intensifiées sur les cartes de rapport, sont indiquées sur les cartes eU, eTh et eU/eTh du Sud de la Nouvelle-Écosse. Au sein des roches granitiques hyperalumineuses du Sud de la Nouvelle-Écosse, les concentrations d'uranium augmentent généralement alors que les concentrations de thorium diminuent lorsque la différentiation magmatique s'accroît, ce qui produit des rapports eU/eTh anormalement élevés associés aux portions les plus évoluées de ces intrusions granitiques.

La carte ternaire des éléments radioactifs (trois éléments) constitue une méthode efficace pour présenter les variations de radioactivité globale et l'abondance relative des trois éléments radioactifs. Les sections de l'image de couleur identique présentent des rapports similaires de K, éU et éTh, et l'intensité de la couleur en question constitue une mesure de la radioactivité globale. La carte ternaire permet de mieux représenter la distribution des éléments radioactifs que les cartes à variable simple. En outre, il est souvent plus facile de travailler avec une carte ternaire, car elle donne un aperçu général de la distribution de la radioactivité. Cependant, elle ne peut remplacer les données quantitatives plus détaillées fournies par les sept autres cartes (radioactivité globale, K, éU, éTh, éU/éTh, éU/K et éTh/K). Pour de plus amples renseignements, voir:

Au Canada, la collecte aérienne de la plupart des données a été effectuée dans le cadre de programmes fédéraux-provinciaux de coopération conçus pour venir en appui à la cartographie géologique et aux travaux d'exploration des ressources minérales en cours ou futurs. Ce sont les raisons pour lesquelles les régions d'étude, telles que le Bouclier canadien, ont été choisies à l'origine en raison de leur fort potentiel minier. Les grandes agglomérations canadiennes se trouvent en grande partie dans un rayon de 200 km de la frontière canado-américaine, soit dans des régions à faible potentiel minier. Par conséquent, très peu de levés aériens ont été effectués dans les zones situées autour des grandes agglomérations.

Les données de spectrométrie gamma obtenues par levés aériens (SGA) utilisées pour créer ces images ont été acquises au cours de plusieurs centaines de levés aériens accomplis sur une période de 20 ans, soit environ de 1970 à 2001, et ce, à l'aide de divers aéronefs et instruments. Les aéronefs longeaient un réseau de lignes de vol parallèles généralement à une hauteur constante de 120 m. L'espacement entre les lignes inclut 200-500 m, 1000 m, 5000 m et quelques de 25000 m. En règle générale, l'aéronef vole à une vitesse d'environ 120 kt (190 km/h). La plupart des données ont été collectées par échantillonnage (comptage) à des intervalles d'une seconde (un certain nombre de données plus anciennes ont été échantillonnées à chaque 2,5 s), ce qui correspond à environ 60 m au sol.

Ces grilles à 250 m ont été préparées en utilisant des données de levés de la base de données de NATGAM. Les données de levés plus détaillées remplacent les données de levés régionales dans ces grilles.

Les lignes numériques et (ou) les données des quadrillages sont disponibles à la Section de la géophysique de rayonnement.

Pour obtenir d'autres informations sur le traitement des données et sur la mise en pratique des données théoriques de la spectrométrie gamma, veuillez visiter le site Web Géophysique de rayonnement.