Je leest:

Meten met minder monsters

Meten met minder monsters

Auteur: | 1 mei 2000

Als je de samenstelling van de zee- en rivierbodem wilt weten, moet je deze op vele plekken bemonsteren. Het is echter een geld- en tijdverslindende klus om duizenden monsters te nemen en te analyseren. Het in Groningen ontwikkelde instrument Medusa doet het veel sneller en goedkoper. Je sleept het achter een schip over de bodem, meet er de natuurlijke radioactiviteit van de bodem mee, en berekent daaruit de bodemsamenstelling. We streven naar korte meettijden van 10 seconden.

In juni 1996 glijdt het meetschip Mitra klotsend de haven van Scheveningen uit. De stevige zuidwestenwind zal naar verwachting in de loop van de dag nog verder aanwakkeren. Zo te zien geen rustige dag voor metingen op zee. Naast de bemanning van Rijkswaterstaat bevinden zich aan boord drie medewerkers van het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen, met hun apparatuur.

Multi-purpose. Rijkswaterstaat zet de 56 meter lange Mitra in voor chemische, fysische en biologische metingen en seismisch onderzoek, maar ook voor bijvoorbeeld oliebestrijding.Rijkswaterstaat/Directie Noorzee

De Mitra stoomt op naar een gebied tussen Scheveningen en Hoek van Holland. Een week later zal daar met de stort van baggerspecie uit de Nieuwe Waterweg worden begonnen. Rijkswaterstaat wil graag weten wat er gebeurt met gestorte baggerspecie. Bezinkt het, vervoert het water het langs de kust of stroomt het terug naar de haven? Met een drietal meetsessies moet het meetinstrument Medusa binnen enkele jaren klaarheid brengen. Drieëneenhalve dag later keert de Mitra terug met vermoeide maar tevreden gezichten. Een gebied van ruim 150 km2 is met zo’n 23.000 meetpunten nauwkeurig in kaart gebracht De aan boord geanalyseerde gegevens bewijzen dat de bodem voornamelijk uit schoon zand bestaat, behalve in de zuidoosthoek. Daar werd al tientallen jaren baggerspecie gestort.

Radioactieve vingerafdruk

Het kost doorgaans veel tijd om vele bodemmonsters te nemen, vooral als de samenstelling van de waterbodem sterk varieert. Bovendien is een tijdrovende en kostbare laboratoriumanalyse van alle monsters nodig. Aan het Groningse Kernfysisch Versneller Instituut hebben we daarom het meetinstrument Medusa (Multi-Element Detector system for Underwater Sediment Activity) ontwikkeld dat veel sneller werkt. Om een onderwatergebied radiometrisch te kunnen karteren, hebben we slechts tien tot twintig monsters nodig om de analysemethode te ijken en de variabiliteit van de sedimentsamenstelling te beoordelen. Daarna levert Medusa de resultaten direct on-line, zonder dat verdere monsters nodig zijn. Het Medusa-instrument kijkt als het ware naar de radioactieve vingerafdruk van sedimenten. Radioactieve elementen of radionucliden bevatten een kern met een onstabiel aantal protonen en neutronen. Als ze vervallen tot elementen met een stabiele kern, zenden ze straling uit in de vorm van gammastralen. Medusa meet welke gammastralen vrijkomen uit het bodemsediment. De mate van natuurlijke radioactiviteit hangt af van de mineralen die in slib, zand en grind voorkomen. Alle mineralen bevatten kleine hoeveelheden radioactieve isotopen. Erg radioactief zijn de mineralen niet; de gehalten zijn laag en de halveringstijden van de radionucliden – de tijd waarin ze voor de helft vervallen – zijn enorm groot: van de grootte-orde van de ouderdom van de Aarde. Sinds Henri Becquerel een eeuw geleden de radioactiviteit ontdekte, speelden deze zogenoemde radionucliden een zeer belangrijke rol in de geologie. Als geologen iets willen dateren, meten ze vaak het radioactieve verval van deze nucliden.

Mineralen

Sommige natuurlijke radioactieve nucliden zenden bij het verval gammastraling uit die relatief slecht door de bodem wordt geabsorbeerd. Hierdoor verraden de nucliden, waaronder de kaliumisotoop 40K en vervalproducten van thorium-232 en uraan-238, zich; de hoeveelheid straling vertelt ons wat hun concentratie is. Omdat we van ieder nuclide weten bij welke golflengten ze gammastraling uitzenden, kunnen we ze bovendien eenduidig identificeren. Niet alle mineralen bevatten evenveel kalium, thorium en uraan. Zelfs als je één en hetzelfde mineraal beschouwt, zoals kwarts, dan hangt de verhouding van de radioactieve isotopen af van de herkomst. Al die mineralen en varianten hebben daardoor als het ware een radioactieve of radiometrische vingerafdruk waaraan we ze herkennen. In de natuur komen tientallen mineralen naast elkaar voor. Een analyse van de bodem met radiometrie lijkt daarom een hopeloos moeilijk karwei. Gelukkig is Moeder Natuur mild. In elk sediment domineren slechts enkele mineralen. Zand bevat vooral kwarts, met daarnaast nog wat veldspaat en enkele zogenaamde zware mineralen (met een dichtheid groter dan 2,9 kg/liter). Dat maakt de radiometrische vingerafdruk uiterst specifiek, en de natuurlijke radioactiviteit een handig kenmerk dat snel en nauwkeurig de samenstelling van de bodem kan aangeven. Ook voor zand en slib, zoals in ons geval bij de stort van baggerspecie uit de Nieuwe Waterweg. De gammastraling die vrijkomt uit de bodem, herleiden we met passen en meten tot gammaspectra van de diverse nucliden. Die verklappen ons hoeveel nucliden in de bodem voorkomen. Om die gegevens te vertalen naar sedimentsamenstelling, moeten we wel de radiometrische eigenschappen van de belangrijkste sedimentcomponenten weten. Daartoe voeren we radiometrische en geologische analyses uit van een aantal monsters, waarbij we radiometrische vingerafdrukken vaststellen.

Korte meettijden

Meetschip. De lange sleepkabel geleidt de meetsignalen van Medusa naar de apparatuur aan boord van de Mitra.Otto Vork

Bij het ontwerp van het Medusa-systeem vormden korte meettijden en daarmee grote gevoeligheid een belangrijk doel. In tien seconden moet het systeem zoveel signalen verwerken dat het meetresultaat betrouwbaar is. Een relatief groot en gevoelig meetkristal neemt de gammastraling waar. Gammastraling is elektromagnetische straling, en bestaat dus net als zichtbaar licht uit fotonen. Elk gamma-foton dat het meetkristal treft, veroorzaakt daar een lichtflitsje. Een lichtdetector vertaalt dat naar de oorspronkelijke energie, ofwel de golflengte van het gamma-foton. De elektronica in de buis versterkt alle detector- en sensorsignalen en zet ze om in digitale informatie. Via een speciale kabel bereiken die de pc aan boord van het schip. Dit is tevens de sleepkabel, met een sterke mantel van gevlochten aramidevezel. Een waterdichte huls omsluit het systeem. Het geheel is opgenomen in een dertig meter lange, met circa honderd kilogram verzwaarde pvc-buis. Die voorkomt dat het systeem achter obstakels op de bodem blijft haken.

Nieuw diepterecord

Een ouder gammadetectorsysteem is EEL, in gebruik bij de British Geological Survey. EEL kwam niet alleen van pas bij het opsporen van zware mineralen, maar ook bij het leggen van glasvezelkabels in zee. Radioactieve straling maakt glasvezels troebel, wat leidt tot verzwakking van de signalen. Als de kabels langs een traject met minimale straling liggen, hebben ze een langere levensduur. Vanaf het Belgische onderzoeksschip Belgica brachten we met EEL het sediment in de Schelde tussen Antwerpen en de Nederlandse grens in kaart. Hoeveel van de afzonderlijke radioactieve isotopen in de bodem voorkomen, geeft het EEL-systeem echter niet aan. Daarvoor moet de detector minstens tien keer gevoeliger zijn. Met Medusa hebben we die extra gevoeligheid bereikt. Allereerst bevat Medusa een beter meetkristal, dat de gevoeligheid vijfmaal vergroot. Daarnaast verbeterden we de analysemethode. Dankzij een ander elektronica-ontwerp passen er bovendien meer sensoren in de behuizing, waaronder een waterdrukmeter en een microfoon, zodat we gelijktijdig meer informatie boven water halen. De microfoon maakt duidelijk of de behuizing goed de bodem raakt, en blijkt gaandeweg ook te helpen bij het vaststellen van de korrelgrootte van het sediment. Onlangs bereikte Medusa een nieuw diepterecord voor dit soort detectoren. De British Geological Survey voerde met onze detector metingen uit aan de oceaanbodem voor de kust van San Francisco op een diepte van 1600 meter. De kabellengte was daarbij zes kilometer. Het Medusa-detectorsysteem neemt gammaspectra op als functie van tijd en plaats. Satellietsignalen (Global Positioning Satellites) vertellen de apparatuur de precieze positie van het schip. In het laboratorium hebben we met de Medusa-detector standaardspectra van vele nucliden opgenomen. Daardoor weten we hoe gevoelig de detector is voor de straling van diverse nucliden en voor achtergrondstraling (met name kosmische straling).

Ruimtelijk beeld

Slibverspreiding. Medusa toonde aan hoe gestort slib zich verspreidde over de bodem van de Noordzee rond de dumpplaats Loswal-Noord-West.

We zijn inmiddels drie meetsessies verder. In 1999 konden we met de medewerkers van de havendienst van Rotterdam en Rijkswaterstaat de balans opmaken. We kwamen bijeen in het Scheveningse hotel Kijkduin, met uitzicht over de Noordzee. De oude stortplaats Loswal-Noord valt goed op in alle metingen. De rest van de zeebodem was in 1996 bijna schoon van slib. In de latere metingen herkennen we duidelijk de positie van de nieuwe stortplaats Loswal-Noord-West. Slib verspreidt zich langzaam vandaar over het gebied. De dikte van het sliblaagje buiten de stortplaats is slechts een paar millimeter. Met deze meetsessies hebben de onderzoekers voor het eerst een ruimtelijk beeld van de wijze waarop gestort slib zich verspreidt. De nieuwe meettechniek opent de weg naar een massabalans van de stortactiviteiten en het toetsen van modelberekeningen aan de werkelijkheid. De discussie gaat in Kijkduin niet over de vraag óf een deel van het gestorte materiaal terug naar de havenmond beweegt, maar hoeveel en waarheen? Bij de evaluatie van Loswal-Noord-West zijn we uitgegaan van de hoeveelheden gestort materiaal, verkregen uit de gegevens van Rijkswaterstaat, en van de verdeling in richting en grootte van het gestorte slib, zoals Medusa heeft gemeten. We krijgen zo een massabalans. Het betreft hier een eerste schatting; onze methode is nog niet volledig ontwikkeld en we moeten daarom nog enkele veronderstellingen maken. We weten in ieder geval waar de onzekerheden in de huidige methode liggen en gaan na hoe we die op termijn kunnen oplossen.

Geen overeenstemming

Analyse van de verspreiding. Uit de vele metingen volgt de transportfractie per vak, ten opzichte van de tot dan toe gestorte totale hoeveelheid havenslib. Een voorbeeld: in 1997, zestien maanden na het begin van de stort, bleek 15% van van de tot dan toe gestorte hoeveelheid slib in het oostelijke kwadrant terecht te zijn gekomen. Een aanzienlijk deel van het slib bleek zich ook in zuidelijke richting te hebben verplaatst. Eerdere modelberekeningen die tot de keuze van Loswal-Noord-West hebben geleid, lieten zien dat er géén slib in de richting van de Rotterdamse havenmond zou stromen. LWNW= Loswal-Noord-West; LWN = Loswal-Noord.

Uit onze evaluatie blijkt dat een aanzienlijk deel van het slib zich in zuidelijke richting heeft verplaatst. Die waarneming staat haaks op eerdere modelberekeningen die tot de keuze van Loswal-Noord-West hebben geleid. Die lieten namelijk zien dat er geen slib in de richting van de haven zou stromen. Het zou duurder zijn de monding van de Nieuwe Waterweg extra te baggeren dan het slib op deze verder weg gelegen locatie te dumpen. Tijdens de bijeenkomst in Kijkduin discussiëren we uitgebreid over de betekenis van deze resultaten voor de baggeroperaties en voor verbeteringen in de modelberekeningen. Het feit dat het slib zich in zuidelijke richting verplaatst is nog geen bewijs dat het ook in de Nieuwe Waterweg terechtkomt. Maar toch… We ontwikkelen onze methode nu voor toepassingen op het gebied van bijvoorbeeld integraal waterbeheer, landbouw, mineraalopsporing en mineraalverwerking. Als we de gevoeligheid verder verhogen, ontstaan nog meer mogelijkheden. We denken bijvoorbeeld aan detectoren die vanuit een klein of een radiografisch bestuurd vliegtuig gedetailleerde kaarten van het aardoppervlak maken. Met computersimulaties zoeken we naar de optimale vorm en grootte van de detector en naar een kwantitatieve beschrijving van de invloeden van absorptie en verstrooiing op het gammaspectrum. Zo willen we nog beter kunnen kijken en luisteren naar het zwakke signaal dat de natuurlijke radioactiviteit in het zand uitzendt.

Intermezzo

Bodem van Hollandsch Diep binnen dertig uur in kaart

Waar zit de activiteit?

Slibafzetting na afsluiting. Het Hollandsch Diep strekt zich over circa 20 km uit, van de Biesbosch tot de Haringvlietbrug. Het natuurlijke getijdenverschil van een tot anderhalve meter daalde bij de afsluiting van het Haringvliet in 1970 tot hooguit 25 cm. Er zette zich toen vooral in de diepe delen vande bovenloop slib af. Een bestaande dieptekaart toont de geulen (blauw), banken en oevers (geel/rood). Ter hoogte van de Moerdijkbrug valt het gebaggerde scheepvaartkanaal op.

Zandgehalte. Met Medusa maakten de onderzoekers een kaart van het zandgehalte. De later vastgestelde onnauwkeurigheid in de zandkaart bedraagt hooguit 15%. Die ontstaat niet alleen door de gebruikelijke meetfouten, maar ook doordat de bodemsamenstelling op kleine afstandschalen kan variëren.

In het Hollandsch Diep hebben we de verdeling van zand en slib vastgesteld met Medusa. In het oorspronkelijke plan moesten onderzoekers vierduizend monsters uit de bodem nemen, en die stuk voor stuk analyseren. Duizenden uren neemt zo’n klus in beslag. Met Medusa brachten we de bodem van het Hollandsch Diep binnen dertig uur radiometrisch in kaart. Een twintigtal bodemmonsters bewezen de kwaliteit van de metingen. Als we de analyse van de bodemmonsters en de radiometrische vingerafdrukkken vergelijken, dan blijkt dat onze radiometrische bepalingen precies aangeven of het bodemmateriaal juist fijne deeltjes kleiner dan acht micrometer bevat of een iets grover slib met deeltjes kleiner dan 63 micrometer. De vingerafdrukken van die fracties verschillen. Omdat al het sediment vermalen rots is, verwacht je dat de activiteitsconcentratie onafhankelijk is van de uiteindelijke korrelgrootte. Per kilogram materiaal blijft de activiteit immers hetzelfde. Zanden blijken echter minder actief dan de rotsen waaruit ze zijn ontstaan of dan klei, dat uit nog kleinere deeltjes bestaat. Voor een deel verwacht je dat dit verschil komt door het verschil in mineralogie. Zanden bestaan meestal uit kwarts; terwijl kleien kaliumhoudende mineralen kunnen bevatten. We vergelijken de gemeten activiteit van de drie natuurlijke radionucliden en cesium-137 met de mediane korrelgrootte in de bodemmonsters. Cesium-137 (halveringstijd 28 jaar) komt hoogstwaarschijnlijk vrij bij reguliere lozingen door kerncentrales langs de Rijn en de Maas. We vinden het vooral terug in monsters met kleine mediane korrelgrootte, terwijl bij monsters met grotere deeltjes de cesium-137-activiteit daalt naar een bijna constant niveau. Dit gedrag beschrijven we als de som van twee bijdragen: een intrinsieke activiteitsconcentratie die gelijkmatig over het volume van de korrel is verdeeld plus een activiteitsconcentratie die aan het oppervlak is geconcentreerd. We geven onze metingen weer als activiteit per massaeenheid. Die tweede bijdrage zorgt ervoor dat kleine deeltjes een relatief grote activiteit hebben. Vooral kalium-40 blijkt volumegebonden, terwijl cesium-137 voornamelijk aan het oppervlak voorkomt. Dat ondersteunt onze hypothese van de oppervlakte- en volumebijdragen. Het aantrekkelijke van deze beschrijving is dat we uit de activiteitsconcentratie een cumulatieve korrelgrootteverdeling kunnen afleiden. Normaal bepaal je deze verdeling door monsters te zeven. Nu achterhalen we deze verdeling zonder dat we de bodem verstoren. De oppervlakte/volume-verhouding geeft ook aan hoe gemakkelijk het sediment stoffen opneemt. Een verband met de potentiële verontreinigingsgraad van de grond ligt dan voor de hand.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.