Radium et géologie

L'uranium-238 est un radionucléide primordial avec une demi-vie de 4,47 milliards d'années. Il dirige une chaîne de désintégration (la « série de l'uranium » ou « série 4n+2 ») qui se termine au plomb-206 stable. Les étapes menant au radium et au radon sont :

²³⁸U → ²³⁴Th (alpha, 4,47 milliards d'années) → ²³⁴Pa (bêta, 24,1 jours) → ²³⁴U (bêta, 6,7 heures) → ²³⁰Th (alpha, 245 500 ans) → ²²⁶Ra (alpha, 75 400 ans) → ²²²Rn (alpha, 1600 ans) → continuant jusqu'au ²⁰⁶Pb stable

Le radium-226 est la « cinquième fille » du ²³⁸U, produit directement par la désintégration du ²³⁰Th. Cette position est critique : plusieurs nucléides intermédiaires (²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra) ont de longues demi-vies, permettant qu'ils soient physiquement séparés de l'uranium parent par des processus géologiques et migrent indépendamment. (En savoir plus sur les propriétés fondamentales du radon.)

La demi-vie de 1600 ans du ²²⁶Ra maintient un approvisionnement constant en ²²²Rn sur des échelles de temps humaines et géologiques. Là où le ²²⁶Ra se trouve dans le sol et la roche, le radon est continuellement généré.

Le radium (Ra, numéro atomique 88) est le membre le plus lourd du groupe 2 — les métaux alcalino-terreux (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Sa configuration électronique est [Rn] 7s², et il perd facilement ses deux électrons de valence pour former un cation Ra²⁺. L'état d'oxydation +2 est essentiellement le seul état que le radium adopte dans la nature.

La chimie du radium ressemble beaucoup à celle du baryum, c'est pourquoi Marie et Pierre Curie ont utilisé le baryum comme porteur pour concentrer le radium à partir de la pechblende. Parce que le radium est chimiquement similaire au calcium, le radium absorbé par le corps se dépose principalement dans les os, où il délivre une dose de radiation interne à long terme.

Le radium est un métal blanc argenté qui noircit à l'exposition à l'air, réagit avec l'eau et confère une couleur rouge carmin aux flammes. Il a une densité d'environ 5,5 g/cm³ et un poids atomique standard proche de 226.

Le radium possède 34 isotopes connus, tous radioactifs. Quatre existent naturellement en tant que membres des trois séries de désintégration primordiales :

Seul le ²²⁶Ra importe pour le radon intérieur. Sa demi-vie de 1600 ans assure une génération persistante de radon, et sa fille ²²²Rn vit assez longtemps (3,82 jours) pour migrer à travers le sol dans les bâtiments. En revanche, le ²²⁴Ra produit du thoron (²²⁰Rn, demi-vie de 55,6 s), qui se désintègre trop rapidement pour voyager loin.

Le radium est beaucoup trop rare pour former ses propres minéraux ; il se substitue plutôt dans les réseaux cristallins des minéraux de baryum, strontium et calcium. La substitution est régie par la charge ionique (tous sont 2+) et le rayon ionique. La tendance de taille est Ra²⁺ > Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺.

Parce que Ra²⁺ est le plus proche en taille de Ba²⁺, les minéraux de baryum — en particulier la barytine (BaSO₄) — sont les meilleurs hôtes. La barytine et le sulfate de radium (RaSO₄) sont isostructuraux, faisant de la barytine un porteur de radium presque idéal.

Différents minéraux ont des affinités variables pour le radium en fonction de la correspondance de taille entre Ra²⁺ et le cation hôte. La barytine (BaSO₄) est l'hôte presque parfait, tandis que les minéraux de carbonate de calcium montrent une faible affinité.

La mobilité du radium est contrôlée par la géochimie locale. Dans l'eau oxydante riche en sulfate, Ra²⁺ co-précipite avec la barytine sous forme de solution solide (Ra,Ba)SO₄, l'immobilisant. C'est le puits de radium le plus important.

Dans des conditions réductrices ou dans de l'eau appauvrie en sulfate, la barytine se dissout et le radium est libéré en solution. Le radium est plus mobile dans les aquifères réducteurs, l'eau à pH bas et les environnements à haute salinité où les cations concurrents (Ca²⁺, Ba²⁺, Na⁺) déplacent Ra²⁺ des sites d'adsorption.

Le recul alpha — l'éjection physique d'un atome ²²⁶Ra nouvellement formé lorsque son parent ²³⁰Th se désintègre — peut libérer le radium (et le radon) des surfaces minérales dans l'eau interstitielle, fournissant du radium dissous « frais » indépendamment de la dissolution en vrac.

À faible salinité, le radium s'adsorbe sur les argiles, les oxydes de fer et de manganèse et la matière organique, réduisant sa mobilité.

La moyenne mondiale de radium-226 dans le sol est d'environ 35 Bq/kg (UNSCEAR 2000), avec une plage rapportée de 1 à 900 Bq/kg. Les roches ignées comme le granite tendent à être plus élevées ; les carbonates et de nombreux grès plus faibles ; les schistes noirs et les roches phosphatées beaucoup plus élevés.

L'équilibre séculaire se produit lorsqu'un parent à très longue durée de vie (comme ²³⁸U) alimente une fille à plus courte durée de vie : étant donné suffisamment de temps dans un système fermé, l'activité de la fille augmente jusqu'à égaler celle du parent, et chaque membre de la chaîne se désintègre au même rythme.

Le déséquilibre survient lorsque des processus chimiques ou physiques séparent les membres de la chaîne. Dans la série ²³⁸U, ceci est courant car plusieurs intermédiaires ont de longues durées de vie et sont chimiquement mobiles :

L'uranium est soluble dans des conditions oxydantes et lessivé par les eaux souterraines, laissant ²³⁰Th et ²²⁶Ra derrière. Le radium peut être préférentiellement dissous, adsorbé ou co-précipité, le découplant de son parent et de sa fille. Le radon est un gaz et s'échappe.

Parce que ²³⁴U, ²³⁰Th et ²²⁶Ra ont des demi-vies de dizaines à centaines de milliers d'années, le déséquilibre peut persister pendant des millénaires. La chaîne ²³⁸U peut prendre un million d'années pour rétablir l'équilibre après une perturbation majeure.

Implication pratique : l'uranium mesuré dans la roche ne prédit pas de manière fiable le radium ou le radon — les deux peuvent être gravement désynchronisés. C'est une cause fondamentale de niveaux de radon imprévisibles.

Le potentiel radon est notoirement local. Environ 33 % de la population américaine vit dans des provinces géologiques où le radon intérieur moyen a le potentiel de dépasser 4 pCi/L (USGS). Les concentrations de radon dans les habitations varient de plus de deux ordres de grandeur.

Plusieurs facteurs indépendants s'accumulent, et chacun peut changer sur de courtes distances :

1. Teneur en uranium/radium du substratum rocheux — Différentes unités rocheuses portent des quantités d'uranium très différentes. Un granite riche en uranium peut côtoyer un grès pauvre en uranium. Les contacts géologiques, les plutons et les lits sédimentaires changent sur des mètres à des centaines de mètres.

2. Fractures et structure — Les failles, joints et zones de cisaillement canalisent le radon depuis la profondeur vers la surface. Une maison au-dessus d'une fracture peut avoir un radon beaucoup plus élevé qu'un voisin sur un sol non fracturé à proximité.

3. Minéralogie et déséquilibre du radium — Le radium peut être lessivé ou concentré dans des minéraux spécifiques (barytine, phosphates, argiles, oxydes Fe/Mn), donc le radium disponible en surface peut ne pas suivre l'uranium en vrac.

4. Perméabilité et humidité du sol — Le radon se déplace de moins d'un pouce dans un sol saturé d'eau mais peut se déplacer de plusieurs pieds à travers un matériau sec et perméable. La perméabilité peut changer brusquement.

5. Mouvement des eaux souterraines — Les chemins d'écoulement locaux, la profondeur de la nappe phréatique et les zones de recharge redistribuent le radon et le radium.

6. Couverture glaciaire et superficielle — Un till glaciaire épais peut masquer ou amplifier le signal de radon du substratum rocheux.

Parce que ces facteurs se combinent de manière multiplicative et que chacun varie à l'échelle du mètre au kilomètre, deux sites voisins peuvent avoir un potentiel radon très différent. C'est pourquoi les tests spécifiques au site, et pas seulement une carte régionale, sont essentiels.