Ядерная геофизика. 
Ядерная геофизика

Поле радиоактивных излучений представляет сумму двух слагаемых: — радиоактивного излучения горных пород и космической радиации. Ода слагаемых естественного происхождения. Однако, в связи с использованием радиационных технологий (энергетика, медицина, «мирный» атом при добыче полезных ископаемых, геология и экология) применяются методы с использованием искусственной, наведенной радиоактивностью. Поэтому в настоящей лекции мы обсудим теоретические аспекты как естественной радиоактивности, так и искусственной, обусловленной взаимодействием радиоактивных излучений с косной и живой материей, что позволяет использовать радиоактивность в оценке состояния окружающей среды и всего сущего в ней.

Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность.

Естественная радиоактивность — это физико-химический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону.

Процесс сопровождается:

изменением строения, состава и энергии ядер;

испусканием альфа (б) и бета (в) частиц, гамма (г) квантов и нейтронов; выделением радиогенного тепла;

ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы) газов, жидкостей и твердых тел.

Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергии которых на длине пути 10 см в воздухе и долей миллиметра в породе тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала.

Бета-излучение представляет собой поток электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. В результате они рассеиваются и поглощаются на пути, в 100 раз большей, чем альфа-частиц.

Гамма кванты представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f>1018 Гц). Хотя они также рассеиваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической нейтральности отличаются более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента U, U (уран), Th (торий) и К (калий). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К = 60%, U = 30%, Th = 10%.

Кроме концентрации радиоактивных элементов важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр (Е) излучения или интервал распределения энергии. По наиболее жесткому и проникающему излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определённым энергетическим спектром. Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ). Кстати, по отмеченным особенностям спектра определяется концентрация естественных радионуклидов в объектах геологической среды — воде, почве, горных породах.

Абсолютной единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель — Бк (1Бк =1 распаду в секунду). Единицей удельной радиоактивности служит беккерель на единицу массы или объёма. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесистемная единица — рентген (1Р = 2,58*10−4 Кл/кг). Количество энергии излучения, поглощённое единицей массы облучаемого тела, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в грэях (1 Гр = 1 Дж/кг) Эффективная эквивалентная доза учитывает способность излучения данного вида повреждать ткани организма (например, альфа-излучение считается в двадцать раз опаснее других видов излучения), а также разную чувствительность к облучению различных частей тела. Она измеряется в зивертах (Зв). Один зиверт соответствует поглощенной дозе 1 Дж/кг.

Мощность дозы, т. е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг) и микрорентгенах в час (мкР/ч). В настоящее время за единицу мощности принят, грей — -величина в 100 раз больше рентгена.

Количество атомов радиоактивного элемента, содержащегося в некотором образце горной породы, уменьшается со временем по экспоненциальному закону — закон радиоактивного распада, выражающемуся формулой.

N = N0e-лt, (1).

где: N0 — исходное количество атомов, а N — количество атомов, не распавшихся за время t. Постоянная распада л определяется для каждого радиоактивного изотопа методами ядерной физики. Для ядерно-геохронологических задая более удобна следующая запись уравнения (1).

t = 1/лln*N0/N (2).

Постоянная распада л связана с другой единицей Т½ — периодом полураспада соотношением:

Т½ = 0,693/л (3).

радиоактивность ископаемое геология порода Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 — 18 изотопов конечный продукт — радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементом. У них Т½ > 108лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т½ = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т½ = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

л1N1 = л2N2 = л3N3 =…лnNn (4).

Калий (К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Явление радиоактивного распада используется для определения абсолютного возраста Земли и отдельных стратиграфических подразделений земной коры. Для этого достаточно измерить количество материнского радиоактивного изотопа Nt и продукта его распада Nk. Численные значения л определяются особо (табл. 1).

Таблица 1 Численные значения констант, используемых в геохронологии.

В практике определения возраста минералов и пород часто вместо постоянно распада радиоактивного изотопа л используется период полураспада T½. Период полураспада радиоактивных элементов, как видно из таблицы 1, неодинаков.

В зависимости от того, по изотопам какого радиоактивного элемента и соответствующего ему продукта распада производится определение абсолютного возраста горной породы, в изотопной геохронологии различают следующие методы: уран-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, радиоуглеродный и др. Радиоуглеродный метод используется для определения возраста молодых (менее 5750 лет) горных пород, археологических находок и времени захоронения растительных остатков. В атмосфере имеется изотоп углерода 14С с периодом полураспада 5750 лет, который поглощается растениями. После их отмирания распад углерода продолжается, т. е. происходит уменьшение его содержания и увеличение содержания 14N. Зная время полураспада и измерив количество сохранившегося в растительных остатках 14C и образовавшегося 14N, можно узнать время захоронения растения. Например, по содержанию 14С в саркофаге одного из египетских фараонов определили время его захоронения — 2190 лет. Точность метода ±200 лет.

Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гаммаи нейтронным излучением — свойства, которые используются при ядрено-геофизических методах полевой геофизики и, особенно, при геофизических исследований скважин.

Итак, г — кванты — электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные б и в частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность г — квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, гамма — излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

В практике применения ядерно-физических методов с использованием гамма-квантов, наибольшее значение имеет Комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (Iг) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше Iг.

Нейтронное излучение возникает при ядерных реакциях. Нейтроны, как и гамма-кванты, являются электронейтральными частицами и обладают наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений. Нейтроны возникают при взаимодействии г-квантов с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.).

Нейтроны по энергетическому спектру (Е = 107 — 10−3 эВ) разделяются на группы: быстрые nб промежуточные nп медленные nм резонансные nр надтепловые nнт тепловые nт холодные nх.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами разделяются по времени два основных процесса:

• — замедление быстрых нейтронов (t < 10−2c);
• — диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n-г и др. типов. Происходит испускание и вновь образованных нейтронов и г — квантов (вторичное г излучение).

Характеристика радиационного поля Земли Поле ионизирующих излучений (поле естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту. Его проявление на поверхности Земли играет в экологии большую роль.

Суммарное радиационное поле Земли складывается из:

• — космического излучения;
• — радиоактивного распада элементов земной коры;
• — дегазации вследствие выхода на поверхность радиоактивных газов (радон Rn, торий Th).

В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3−6 мкР, с увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковые содержание не превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная радиоактивность обуславливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и тория). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория, калия, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10 000 раз концентрацию урана.

Наиболее радиоактивными породами являются граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты. Содержание урана и тория здесь достигает до 100 кларков и более. Повышенная радиоактивность проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Это связано с эманациями радона.

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. Радиационный фон в шахтах небольшой и преимущественно составляет 4−6 мкР/час. Это же относится к радиоактивности природных вод и газов. В большинстве случаев они не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Как отмечалось выше, источниками естественного радиационного появляются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах и воде.

Естественные источники радиоактивного излучения не оказывают существенного негативного воздействия на окружающую среду, но тем не менее, даже повышенный радиационный фон может рассматриваться как мутагенный фактор и не может игнорироваться.

Основная часть естественного радиационного фона (~40%) наблюдаемого на поверхности планеты и в приповерхностных слоях литосферы обязана своим происхождением радиоактивным газам 222Ra и 220Ra.

Поступление радионуклидов в организм человека может происходить вместе с воздухом, водой и пищей, а также за счёт излучения 222Ra, который выделяется из строительных материалов, водопроводной воды и бытового газа, поступает вместе с почвенным воздухом и накапливаться в плохо проветриваемых подвальных помещениях и в нижних этажах зданий.

Радиоактивные свойства горных пород нашли широкое применение в геологии и экологии. Как уже отмечалось, на основе взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с веществом горных пород производится их поэлементный анализ, а на основе естественной радиоактивности осуществляется поиск радиоактивных руд и проводится геолоическое картирование близповерхностных комплексов, изучаются обнажения коренных горных пород. В практике геологоразведки наибольшее распространение получили радиометрические методы: гамма-съёмка, основанная на измерении интенсивности естественной радиоактивности, и радоновая съёмка, основанная на измерении эманаций радона почвенной атмосферы.

Для измерения интенсивности гамма-излучения (мощности эквивалентной дозы — МЭД) используются сцинтилляционные радиометры типа СРП-68, СРП-88, СРП-9 Для определения процентного содержания естественных радионуклидов — урана-238, тория-232, калия-40 используются радиометры-спектрометры типа РКП-305М, РГП-301. Измерение эманаций радона (Бк/м3) используются радиометры-эманометры, например, РГА-500.

Радиометрические съёмки проводятся в воздушном и наземном вариантах (авто-гамма съёмки и пешеходные). Наибольше распространение получила пешеходная гамма-съёмка.

Радиометрические съёмки бывают самостоятельными и попутными, проводимыми совместно с маршрутами геологической съёмки.

При попутных съёмках гильза полевого радиометра располагается на высоте 5−10 см от поверхности, и оператор «прослушивает» радиоактивный фон через наушник в полосе нескольких метров от направления движения. Через каждые 5−50 м (шаг съёмки) или при аномальном повышении фона гильзу укладывают на землю, оставляя её неподвижной в течение 0,5 — 1 мин, и по стрелочному прибору снимают средний отсчёт интенсивности поля. При детальных работах ведут площадное изучение аномалий.

В результате наземной съёмки стоят графики и карты интенсивности? Iг = Iг — Iгост, где Iгост — остаточный фон. На них выделяют аномалии, на которых? Iг в 2 раза и более превышает среднеквадратическую ошибку в определении средней интенсивности поля. На выявленных аномалиях проводят гамма-спектрометрические наблюдения и отбор горных пород для радиометрических анализов.

Радиометрические анализы образцов горных пород служат для оценки содержания урана, радия, тория и других радиоактивных элементов. Чаще всего изучаются порошкообразные пробы из истолченных образцов пород.

Эманационная съёмка предназначена для изучения содержания газообразных продуктов распада радиоактивных элементов в подпочвенном воздухе или в воздухе, заполняющем скважины и горные выработки. Основной объект измерений — радон, отличающийся достаточно высоким (среди других газообразных продуктов распада радия) периодом полураспада — 3,82 дня, поэтому съёмка получила название радоновой. Эманационные съёмки также бывают маршрутными (по отдельным профилям) и площадными.

Методика полевой эманационной съёмки сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины 0,5 — 1 м и определения с помощью эманометра концентрации радона в нём. Для этого зонд забивают в почвенный слой ис помощью насоса в эманационную камеру закачивают подпочвенный воздух и сразу же измеряют концентрацию радона (Бк/м3 в нём.

Эманационная съёмка применяется для разведки радиоактивных руд, а также для выявления трещиноватых зон, тектонических нарушений, при изучении оползневых процессов, а также для оценки радиационного фона в подземных горных выработках.

В окружающей среде к естественному радиационному фону добавляется техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (созданных в процесс промышленной деятельности) радионуклидов, используемых в строительных материалах, а также от складируемых отходов атомного производства и т. п.

Об искусственном радиационном поле мы поговорим в специальной лекции, посвящённой техногенным физическим полям.

· Комплексная цель.

Получение слушателями системы знаний о радиоционном и тепловом полях Земли, методах (дистанционных, наземных (полевых) и скважинных) и средствах их изучения для возможной дальнейшей работы в полевых экспедициях, научных лабораториях, вычислительных центрах при проведении научно-исследовательских и производственных геологических работ, включая основные приемы качественной и количественной интерпретации полевых наблюдений и их геологическое истолкование.

Ядерная геофизика — раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения в земной коре естественных и искусственно созданных радиационных полей, изучаемых двумя основными группами методов: а) радиометрическими, основанными на измерении естественных б-, в-, г — излучений горных пород и обусловленных кларковыми или аномальными содержаниями в них радионуклидов, или концентрацией изотопов радона в почвенном воздухе, б) ядерно-физическими, предусматривающими поэлементный анализ горных пород путем изучения вызванной радиоактивности.

Поле ионизирующих излучений (естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту, и складывается из: 1) космического излучения, 2) радиоактивного распада элементов земной коры, 3) дегазации радиоактивных газов, выходящих на поверхность (радон Rn, торий Th). В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3−6 мкР. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом, радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковое содержание не превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная радиоактивность обусловливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и тория). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория, калий, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10 000 раз концентрацию урана.

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента уран (U), торий (Th) и калий (К). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К 60%, U 30%, Th 10%. Интенсивность естественногоизлучения (Jг) наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит при различных энергиях (рис).

Рис. 1 Спектр естественного гамма-излучения

Существуют аппаратурные решения, согласно которым энергию г — излучения можно разделить на спектры (выделить окна). Способ получил название гамма — спектрометрии.

Калий — его материнские породы — преимущественно силикаты магматических пород, полевые шпаты, слюды. Слюды и полевые шпаты преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран — его материнские породы — силикаты магматических пород. Высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого урания — иона ИО.

Торий — его материнские породы — силикаты магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах.

Следует отметить, чтоизлучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью: задерживаются обычным листом бумаги, — тонкой свинцовой пленкой.

Закон радиоактивного распада выражается формулой:

где.

dN — число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, — постоянная распада. связана с другой единицей Т½ — периодом полураспада соотношением:

Т½ =.

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 — 18 изотопов конечный продукт — радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементам. У них Т½ > 108лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т½ = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т½ = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

Калий (К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Искусственная (наведенная) радиоактивность преимущественно связана с гаммаи нейтронным излучением.

г-кванты — электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные би в-частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Фотоэффект — г-кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:

E = hн — E0.

где h = 6,62Дж*с, н — частота электромагнитных колебаний, E0 — энергия связи электрона в атоме. Процесс идет при Е< 0,5 МэВ. Сильная зависимость от Z.

Комптоновский эффект — гкванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывая многократные рассеяния. Процесс идет в основном при 0,2< Е< 3 МэВ, именно в области спектра первичного измерения.

Процесс образования электронно-позитронных пар сводится к возникновению последних из фотонов в поле ядер атомов и происходит при энергии Е> 1,02 МэВ.

Таким образом, при различных энергиях гкванты взаимодействуют преимущественно с различными мишенями: атомами, электронами, атомными ядрами (рис.2).

Рис. 2 Спектр многократно рассеянного гизлучения

Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (Jгг) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше Jгг. В частности, для моноэлементной среды справедлива формула:

ne — число электронов в единице объема, NA — число Авогадро, A — массовое число, Ж — порядковый номер, д — плотность.

Так как, условие устойчивости атомных ядер требует:

А = N + P = N + Ж = 2Ж.

N и P — число нейтронов и протонов в ядре, то из формул 75 и 76 получаем:

.

Единицами измерения радиоактивности являются:

• 1) Беккерель (Бк), 1Бк = 1 расп/с — системная единица,
• 2) Кюри (Ки) — внесистемная единица, где 1 Ки = 3,7*10Бк,
• 3) Удельная массовая активность Бк/кг — системная единица,
• 4) Удельная объемная активность Бк/м3 — системная единица,
• 5) Мощность экспозиционной дозы (А/кг) — системная единица,
• 6) Микрорентген в час (мкр/час) — внесистемная единица, Нейтронное излучение — возникает при фотоядерных реакциях путем взаимодействия б-частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.). Нейтроны, как и г-кванты, являются электронейтральными частицами и из всех видов излучений обладают наибольшей проникающей способностью. Разделяются по энергетическому спектру в диапазоне энергий Е = 107 — 10−3 эВ на: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые тепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами имеют место два основных, разделенных во времени, процесса: 1) замедление быстрых нейтронов (t 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n-г и др. типов (рис. 3).

Рис. 3 Диаграмма процессов замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов

Характеристика радиоактивных свойств горных пород Естественная г — активность пород Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. То есть, показания метода естественной г — активности пород определяются массовыми содержаниями естественно радиоактивных элементов (ЕРЭ).

Твердая фаза Породообразующие и акцессорные минералы главных типов магматических, метаморфических и осадочных пород по степени радиоактивности объединяются в 4 группы:

• 1) Слаборадиоактивные кварц, калиевые полевые шпаты, (салические минералы) плагиоклаз, нефелин
• 2) Нормальная и биотит, слабо повышенная амфиболы, активность (меланократовые пироксены минералы). Повышенно радио-апатит, эвдиалит, активные (акцессорные и флюорит, ильменит, рудные минералы) магнетит и др.
• 4) Высокорадиоактивные сфен, ортит, монацит, (более редкие акцессорные циркон, лопарит и др. минералы)

Естественная гамма-активность возрастает в ряду: рудные минералысиликаты — углистые минералы — карбонатные минералы — глинистые минералы.

Жидкая фаза Нефть и дисцилированная вода не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Газовая фаза Воздух и горючие природные газы (метан, пропан, бутан и др.) не радиоактивны. Это не относится к радиоактивным эманациям, которыми являются радон, торон и актинон и продукты их распада.

Радиоактивность магматических пород Радиоактивность, в основном, связана с присутствием акцессорных урани торий содержащих минералов; от части вызывается собственно урановыми и ториевыми и лишь в небольшой степени обычными породообразующими минералами. К и SiO2 так же как U и Th концентрируются в конечных продуктах магматической дифференциации, что приводит к повышению г — активности с их ростом.

Радиоактивность метаморфических пород Метаморфические породы в среднем имеют радиоактивность близкую к магматическим породам среднего, основного и ультраосновного составов (eU=2 — 10%). В амфиболитовой стадии eU увеличивается до 15 — 16%. Неодинаковая радиоактивность объясняется различием первоначального химического состава. Чем больше степень метаморфизма массивов, тем меньше средняя концентрация в них урана и тория. В частности, для гнейсов и кристаллических сланцев наблюдается уменьшение содержания урана и тория с ростом метаморфизма. Влияние метаморфизма на концентрацию урана и тория можно проследить от эпидот-амфиболитовой до гранулитовой стадий Радиоактивность осадочных пород Естественная радиоактивность (Jг) осадочных пород изменяется в широких пределах и связана с наличием в их составе урани торий содержащих минералов, а также адсорбированных радиоактивных элементов.

По степени радиоактивности их можно разделить на 3 группы:

Низкая радиоактивность: кварцевые пески, известняки, доломиты, каменная соль, ангидриты, гипсы, угли, нефтенасыщенные породы. Повышенная радиоактивность: глинистые разности, всех терригенных пород. Высокая радиоактивность: каменные соли, моницитовые и ортитовые пески, глубоководные и красные глины.

Содержание U, Th, К зависит от условий образования пород, в частности, наблюдается зависимость гактивности от глинистости Нейтронные свойства пород Среди горных пород по воздействию на них нейтронов можно выделить 3 крупные группы: 1) породы высокого водородосодержания, 2) резонансные замедлители, 3) тяжелые замедлители. Основную роль в формировании нейтронных свойств горных пород играют: 1) водород и породообразующие минералы различных классов; 2) содержание химически связанной воды. Показателями нейтронных свойств являются время жизни (ф) и длина замедления (Ls). Эти показатели между собой имеют линейную связь: чем больше ф тем больше Ls.

Твердая фаза Тенденция изменения длины замедления быстрых и времени жизни тепловых нейтронов у минералов групп различной литологической принадлежности приведена Жидкая фаза:

В воде и дегазированной нефти, ввиду высокого содержания в них водорода, происходит интенсивное замедление быстрых и диффузия тепловых нейтронов. При этом наличие солей, особенно хлорсодержащих, существенно изменяет время жизни тепловых нейтронов.

Газовая фаза Природные газы, являющиеся смесью углеводородов, являются сильными поглотителями нейтронов. Эти процессы усиливаются при высоких давлениях, так как повышается водородосодержание.

Кристаллические породы Кристаллические породы относятся к разряду слабых замедлителей и поэтому время жизни в них нейтронов достаточно велико. У магматических пород в ряду от кислых к ультраосновным и у метаморфических по мере роста метаморфизма имеет место слабо выраженная тенденция увеличения показателей Ls и ф, что связано с незначительным уменьшением пористости в этих направлениях Осадочные породы.

Cамым сильным замедлителем нейтронов в осадочных горных породах является водород и второстепенное значение имеют глинистые и совсем незначительное карбонатные и силикатные минералы. Для одноименных стадий в зависимости от вещественно-петрографического (литологического) состава тенденция изменения показателей ф и Ls для основных групп пород следующая Для пород одноименного состава тенденция изменения ф и Ls в зависимости от стадий преобразования (окаменения) этих пород определяется изменением показателей пористости и глинистости.

Наличие газа и нефти в поровом пространстве породы увеличивает время жизни нейтронов по сравнению с водоносным пластом (рис.).

Рис. 4 Среднее время жизни нейтронов в водои нефтегазонасыщенных пластах

Чистые кварцевые песчаники и доломиты характеризуются наибольшими значениями ф. Ангидриты, гипсы и глинистые породы имеют минимальные значения ф. Уменьшает ф бор, а также K, Mn, Na, Fe и другие элементы.

Взаимозависимости показателей ф и Ls для различных литологических разностей и при неодинаковом содержании хлора в поровой воде приведены на рис.

Рис. 5 Взаимозависимости показателей ф и Ls для различных литологических разностей (а) и при неодинаковом содержании хлора в поровой воде (б)

Аппаратура для ядерно-геофизических исследований В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера — Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы.

Рис. 6 Схемы чувствительных элементов (детекторов) для приборов, используемых при ядерно-геофизических наблюдениях: 1 — ионизационная камера; 2 — счетчик Гейгера — Мюллера; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — шинтилляционный счетчик; 5 — термолюминесцентный кристалл; СЦ— сцинтиллятор; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель

Приборы для ядерно-геофизических исследований кроме чувствительных элементов содержат усилители тока, индикаторы (для визуального отсчета), регистраторы (для автоматической записи) интенсивности либо естественного (Jг) гамма-излучения, либо концентрации эманации радона, либо искусственно вызванных излучений (Jгг). Для определения энергетического спектра излучений в приборах устанавливают дискриминаторы и амплитудные анализаторы. С их помощью выделяют импульсы, соответствующие определенному диапазону энергий ионизирующих излучений. Далее сигналы подаются в нормализаторы, которые создают импульсы определенной амплитуды и формы для их измерения или регистрации.

Для воздушной и автомобильной гаммасъемок используют различные аэрои авторадиометры, отличающиеся быстредействием, т. е. малой инерционностью. Они состоят из набора; сцинтилляционных счетчиков, а также блоков: усилительного и регистрирующего. Питание приборов осуществляется о бортовой сети самолета (вертолета) или аккумуляторов автомобиля.

Для наземной (пешеходной) гамма-съемки используют разного рода полевые радиометры. Конструктивно прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения, с помощью которого определяется цена деления шкалы радиометра.

Для определения концентрации радиоизотопа по его энергетическому спектру используют полевые гамма-спектрометры, а для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе — эманометры. Они состоят из сцинтилляционного счетчика альфа-частиц, а также насоса и набора зондов, с помощью которых ведется отбор в камеру подпочвенного воздуха с глубины до 1 м. Шкалу прибора градуируют I с помощью специальных эталонов, характеризующих концентрацию радона в подпочвенном воздухе (Сэ).

Радиометрические методы разведки (радиометрия) В радиометрии наибольшее применение нашли гамма-съемки, так как гамма-лучи из всех видов радиоактивных излучений обладают наибольшей проникающей способностью. Этими методами изучаются интенсивность естественного гамма-излучения, а чаще — его спектральный энергетический состав. Эффективность обнаружения радиоактивных руд с помощью гамма-съемки зависит не только от интенсивности гамма-излучения (Jу) разведываемых руд, но и от уровня нормального фона (JНф). Он обусловлен натуральным фоном радиоактивности перекрывающих рудное тело пород (JНфп) и остаточным фоном за счет космического излучения и «загрязненности» прибора (Jост).

К методам радиометрии относятся воздушная, автомобильная, пешеходная (поверхностная), глубинная (шпуровая) гамма-съемки, радиометрический анализ проб горных пород, эманационная съемка, а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации радиоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. В горных выработках изучают также жесткую компоненту космического излучения.

Аэрогамма-съемка является одним из наиболее быстрых и экономичных методов радиометрии, применяется обычно в комплексе с аэромагниторазведкой, а иногда и аэроэлектроразведкой. Методика аэрогамма-съемки сводится к непрерывной регистрации интенсивности естественного гамма-излучения (1у) разных энергий. Работы проводят либо по отдельным маршрутам, либо по системе параллельных маршрутов, равномерно покрывающих разведываемую площадь. Привязку маршрутов проводит штурман по ориентирам или радионавигационным приборам. В результате аэрогамма-спектрометрической съемки рассчитывают аномалии разных энергий, позволяющие выделить урановую, ториевую и калиевую составляющие радиоактивного поля. Наибольшими значениями энергии гамма-излучения отличаются элементы ториевого ряда, меньшими — уранового, еще меньшими — калиевого. Для повышения надежности выделения аномалий используют статистические приемы обработки с привлечением ЭВМ. Далее строят карты графиков, а иногда карты.

Автогамма-съемка представляет собой скоростную наземную гамма-съемку, выполняемую автоматически во время движения автомобиля с автогамма-спектрометром. Чувствительность автогамма-съемки значительно выше, чем у аэрогамма-съемки благодаря приближению станции к объекту исследования. С ее помощью проводят как детализацию аэрогамма-аномалий, так и их первичный поиск. Методика автогамма-съемки сводится к профильным и площадным наблюдениям на участках, доступных для автомашин высокой проходимости.

Результаты автогамма-съемки представляют в виде лент аналоговой регистрации. Выявленные аномальные участки закрепляют на местности, «привязывают» инструментальным способом и проверяют наземными гамма-спектрометрическими съемками. После первичной обработки материалов строят карты графиков и карты А1у. На них визуально (или с помощью ЭВМ) выявляют аномалии. Сравнивая их с геологическими картами и другой информацией, оценивают перспективность на радиоактивные элементы.

Пешеходная (поверхностная) гамма-съемка — один из основных поисковых и разведочных методов радиометрических исследований. Ее проводят с помощью полевых радиометров и спектрометров. Рекомендуется ежедневно проверять режим работы прибора с помощью малых контрольных ториевых или радиевых источников.

Радиометрические съемки бывают как самостоятельными, выполняемыми при площадных поисковых исследованиях масштаба 1:10 000 и крупнее (при расстояниях между профилями меньше 100 м), так и попутными, проводимыми совместно с маршрутными геологическими съемками в масштабах 1:25 000 — 1: 50 000. При попутных и поисковых работах гильзу выносного зонда полевого радиометра располагают на высоте 10−20 см от поверхности и оператор в движении «прослушивает» радиоактивный фон пород в полосе нескольких метров по направлению движения. Через каждые 5−50 м (шаг съемки) или при аномальном повышении фона гильзу с детектором опускают на землю на 0,5−1 мини снимают средний отсчет интенсивности поля.

Цель поисковых и попутных гамма-съемок — выявление рудных полей и месторождений. Аномальные участки обследуют детальными гамма-съемками в масштабах крупнее 1:10 000 (до 1: 1000) при густоте сети около 100×10 м (до 10×1 м).

В результате наземной гамма-съемки строят графики, карты графиков и карты интенсивности? Jг эквивалентные гамма-активности пород? Jг = Jу — Jнф (интегральной или спектральным). Обработка данных спектрометрической гамма-съемки сводится к вычислению концентраций © урана, тория и калия (К40) по Jг на разных энергиях. На рисунке приведен пример результатов спектрометрической гамма-съемки в Восточной Сибири, в результате которой удалось выявить в гранитах танталониобиевую минерализацию.

Рис. 7 Профили концентраций урана, тория и калия по данным гамма-спектрометрии над месторождением тантала: 1 — породы песчано-сланцевой толщи; 2 — ороговико-ванные породы; 3 — диабазовые порфириты; 4 — двуслюдяные мусковитовые граниты; 5 — порфировидные мусковитовые граниты; б— амазонит-альбитовые граниты

Глубинная (шпуровая) гамма-съемка является детализационным вариантом пешеходной гамма-съемки. Она выполняется в шпурах (бурках) глубиной до 1 м, а иногда в скважинах глубиной до 25 м с помощью специальных или полевых радиометров. Подобный гамма-экспресс-анализ (ГЭА) широко применяют при разведке и разработке месторождений радиоактивных руд, изучении их концентрации на обогатительных фабриках (в том числе на конвейерной ленте, в вагонетках и т. п.).

Спектрометрическая гамма-съемка применяется не только для поисков и разведки радиоактивных руд, но и для выявления других металлических и неметаллических полезныых ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с радиоактивными (бокситы, олово, бериллий). Наблюдается повышенное содержание тория; на месторождениях ниобия, тантала, вольфрама, молибдена. Присутствует уран. На некоторых полиметаллических месторождениях много калия-40.

Эманационная съемка основана на изучении концентрации альфа-частиц, содержащихся в эманациях, т. е. газообразных продуктах распада радиоактивных веществ, взятых из подпочвенного воздуха, или воздуха, заполняющего скважины, горные выработки, подвалы зданий. Наибольшим периодом полураспада из радиоактивных газов обладает радон (3,82 дня).

Эманационная съемка может быть маршрутной и площадной. Методика сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины до 0,5−1 м и определению с помощью эманометра концентрации радона в нем. Для этого зонд эманометра погружают в почвенный слой и с помощью насоса в камеру закачивают подпочвенный воздух и измеряют концентрацию радона. Масштабы работ изменяются от 1: 2000 до 1:10 000. В результате эманационной съемки строят графики и карты равных концентраций радона (Сэ) и на них выделяют аномалии — участки повышенного содержания радона. Над месторождениями радиоактивных руд аномалии достигают сотен и тысяч беккерелей на кубический дециметр. Над участками с эманированием, повышенным за счет раздробленности и трещиноватости пород, аномалии составляют десятки беккерелей на кубический дециметр. Нормальный фон — обычно около 30 Бк/дм3.

Ядерно-физические методы разведки Ядерно-физические (радиоизотопные) методы используются для изучения образцов горных пород, стенок горных выработок, скважин и обнажений посредством их облучения гамма-квантами или нейтронами. Облучать можно также с помощью специальных генераторов нейтронов. Для получения гамма-квантов или нейтронов разных энергий их помещают в экраны-замедлители (свинцовые— для гамма-излучений, кадмиевые или парафиновые — для нейтронов). Меняя источники облучения, их энергию, длительность облучения, изучая разные ядерные реакции источников облучения с электронами и ядрами атомов облучаемых горных пород и руд, можно получить информацию о их химическом составе, физико-механических свойствах, степени насыщенности пород разными флюидами (нефть, вода). Число ядерно-физических методов велико и каждый из них нацелен на решение определенных геологических задач. К радиоизотопным гамма-методам относятся методы изучения физико-химических свойств горных пород путем облучения их источниками гамма-квантов разных энергий. К ним относятся фотонейтронный анализ, или гамма-нейтрониный метод (ГНМ), плотностной гамма-гамма (ГГМ-П), селективный гамма-гамма метод (ГГМ-С), рентгенорадиометрический метод (РРМ), и радиоизотопные нейтронные методы, включающие: 1) активациопный анализ (НАК), который сводится к облучению образцов руд быстрыми или медленными нейтронами и изучению наведенной искусственной радиоактивности, 2) нейтронный анализ (ННМ и НГМ), основанный на облучении изучаемых объектов медленными нейтронами и определению плотности потока тепловых нейтронов или интенсивности вторичного гамма-излучения, 3) гамма-спектральный нейтронный анализ (ГН-С), заключающийся в изучении спектрального энергетического состава вторичного гамма-излучения радиационного захвата Jnг. В заключение следует привести основные ядерно-физические свойства элементов, используемые при геологических, геохимических и геофизических исследованиях.