Ядерная геофизика

Погрешности при радиометрических измерениях. Чувствительность и фон радиометров. Основными источниками погрешностей при радиометрии являются:

Нестабильность параметров аппаратуры.

Неточность эталонирования.

Статистический характер радиоактивного распада и взаимодействия излучений.

Погрешности первых двух типов сходны с погрешностями других измерений. При тщательной работе они могут быть менее 1--2% от измеряемой величины.

Рассмотрим третий тип погрешностей, обусловленных случайными потоками частиц (квантов). Дисперсия у и относительная погрешность измерений д интенсивности излучения I за время t определяется формулой:

Отсюда видно, что уменьшения относительной погрешности измерений можно добиться увеличением времени измерений t и повышением скорости счета I. Последнее достигается увеличением чувствительности детекторов (их размеров и эффективности), а в методах ядерной геофизики, использующих искусственные источники излучений, также повышением мощности источников (в пределах техники безопасности).

Одной из причин снижения точности измерения, особенно в случае аномалий малой интенсивности, является наличие радиоактивного фона. Фон приборов включает три составляющие: космический фон (КФ), излучение окружающих пород и собственный (остаточный) фон, обусловленный радиоактивным загрязнением материалов счетчика и других частей радиометра.

Сумма космического и остаточного фона составляет натуральный фон (НФ) прибора. Остаточный фон сцинтилляционных счетчиков не превышает 1 мкР/ч, натуральный фон - 2 мкР/ч. Для определения НФ можно применять также многократные измерения с экранами и без них. Когда величина натурального фона не определена, за его значение принимают показания на участках со слабо активными породами (чистые известняки, каменная соль и т. д.).

При эталонировании полевых радиометров и при полевых измерениях вводят также понятие нормального фона, обусловленного радиоактивностью окружающих пород с нормальным (кларковым) содержанием радиоактивных элементов.

Вычислим погрешность определения интенсивности излучения образца при наличии фонового излучения Iф. Через I' обозначим интенсивность излучения от образца, включая фон, через t и tф - соответственно время измерений с образцом и без образца (фонового измерения). Истинная интенсивность излучения образца (без фона) определяется по формуле: I = I' - Iф. Относительная погрешность измерений дI интенсивности в данном случае будет:

Отсюда видно, что увеличение фона существенно снижает точность измерений, если величины I и Iф соизмеримы. Поэтому при исследованиях слабоактивных образцов большое внимание уделяют уменьшению фона. Для этого выбирают индикаторы с малым собственным фоном и помещают их в свинцовые домики для экранировки от космического излучения и излучения окружающих предметов.

Наличие фона ограничивает и так называемый порог чувствительности -- минимальную интенсивность излучения, надежно измеряемую радиометром. За порог чувствительности радиометров обычно принимают трех- четырехкратное значение среднеквадратического отклонения фона, что для различных радиометров составляет от 0,5 до 2 мкР/ч.

Эталонирование радиометрической аппаратуры. Показания радиометров зависят не только от интенсивности излучения, но и от индивидуальных особенностей радиометра (типа счетчика, геометрии измерений и т. д.). Для перехода от измеренной интенсивности (в имп/мин или делениях шкалы) к истинной интенсивности (точнее к дозе) г-излучения (в мкР/ч) необходимо установить характер зависимости между ними, называемый эталонировочной характеристикой или эталонировочным графиком. Эталонировочный график позволяет учитывать и чувствительность радиометров, и нелинейность зависимости показаний от интенсивности излучения, обусловленную просчетами импульсов счетной схемой.

Для получения и уточнения эталонировочного графика радиометры до начала работ и систематически в процессе поисков (2--3 раза в месяц) эталонируют. Переэталонирование обязательно и после ремонта радиометров или при установлении изменений его чувствительности при ежедневных проверках с помощью рабочего эталона.

Для эталонирования полевых радиометров выбирают участок 10 на 15 м с минимальной активностью пород и вдали от сооружений и предметов, могущих создавать помехи за счет рассеяния излучения от эталонного источника. На расстоянии 6--10 м друг от друга устанавливаются два столба высотой приблизительно 2 м, между которыми натягивается трос или провод. В верхней части одного из столбов устанавливается радиометр. Ось радиометра должна находиться на вертикальной плоскости, проходящей через трос, на 8--10 см ниже последнего. На тросе подвешивается эталонный радиевый источник известной активности. Его центр располагается на одной высоте с центром детектора. Устанавливая источник на различных расстояниях от детектора, создают различную интенсивность излучений. При этом интенсивность излучения (в мкР/ч) рассчитывают по формуле:

Iгэт =840a / r2

где: а - активность радиевого источника в мКи; r - расстояние между источником и детектором, м; 840 мкР/ч - доза облучения от 1 мг радия на расстоянии 1 м.

По результатам измерений при различных значениях Iгэт строят эталонировочный график. Экстраполируя этот график до нулевых показаний прибора, на оси абсцисс отсчитывают интенсивность фона Iф на пункте эталонирования, а сместив шкалу на оси абсцисс на величину Iф, получают окончательную шкалу Iг эталонировочного графика (нижняя шкала).

Для спектрометрической аппаратуры, кроме того, эталонируют энергетическую шкалу, т. е. определяют связь между энергией излучения и амплитудой импульсов на входе дискриминаторов (или иначе номером канала амплитудного анализатора). Для изучения этой зависимости обычно проводят исследование спектра от нескольких источников с различной энергией излучения и строят график связи между уровнем дискриминации в вольтах (номером канала) и энергией излучения. Для эталонирования энергетической шкалы используют источники из Cs137 (энергия излучения 0,662 МэВ), Со60 (энергия излучения 1,17 и 1,33 МэВ).

Источники ядерных излучений

В ядерной геофизике используются разнообразные источники ядерных излучений. Среди них выделяют: радиоизотопные источники, для которых характерны небольшие размеры, ограниченная энергия частиц и обычно невысокая интенсивность излучений; ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы, имеющие сложное устройство, но позволяющие получать интенсивные потоки излучения с разнообразной, при необходимости и очень высокой, энергией частиц.

Радиоизотопные источники б-, в- и г-излучения представляют собой препараты радиоактивного вещества, выпускаемые в различных формах в зависимости от назначения, типа излучения и его энергии.

Источники б-частиц. Из-за малого пробега б-частиц источники б-излучения изготовляют в виде тонкого слоя (меньше 0,1 мг/см2) изотопа на плоской подложке. Для получения высокой удельной активности период полураспада изотопа должен быть не слишком велик. Наиболее широко применяют изотопы Рu238, Pu239, Pu240, U234 и Ро210.

Изотоп	Период полураспада	Энергия излучения, Мэв	Выход излучения на 100 распадов
Рu238	86 лет	5,45	28
Pu239	24360 лет	5,10	11,5
		5,14	15,1
		5,16	73,0
Pu240	6580 лет	5,12	24
		5,17	76
Ро210	138 дней	5,30	100



Источники в-излучения обычно представляют препарат с в-активным изотопом, помещенный в герметичную ампулу. Поскольку спектр в-излучения сплошной, в таблице указывается максимальная энергия частиц Еmах. Изотоп Y90, являющийся продуктом распада Sr90, имеет малый период полураспада. Поэтому через одну - две недели после изготовления источника Sr90, между последним и Y90 устанавливается радиоактивное равновесие, т. е. получается смешанный источник Sr90 + Y90 с периодом полураспада 28 лет.

Изотоп	Период полураспада	Энергия излучения, Кэв	Выход излучения на 100 распадов
H3	12.3 года	18	100
C14	5760 лет	155	100
S35	87,2 дня	167	100
Sr90	28 лет	546	100
Y90	64,3 часа	2260	100
Ni63	125 лет	67	100

Источники г-излучения представляют собой радиоактивный препарат, помещенный в герметичные ампулы из нержавеющей стали или алюминия; в некоторых случаях используются источники в виде металлических подложек с тонким слоем изотопа. Источники обычно испускают сложный спектр из нескольких интенсивных линий. Большинство г-активных препаратов испускает и в-излучение, однако оно поглощается в корпусе ампулы или может быть легко исключено дополнительной экранировкой. Чистое г-излучение, без сопровождающего в-излучения, получается при изомерных переходах или К-захвате.

Изотоп	Период полураспада	Энергия излучения, Кэв	Выход излучения на 100 распадов
Co60	5.25 лет	1330	100
Cs137	29,6 лет	661	82,5
Tm170	129 дней	84,2	3
Se75	120 дней	121	20
		136	61
		265	71
		279	29
		400	16
Cd109	1,3 года	22,6	100

Изотопные источники нейтронов чаще всего представляют собой смесь или сплав б-излучателя с бериллием или бором. При бомбардировке последних б-частицами происходит реакция (а, n), например Ве9 (б, n) С12; В11 (б, n) N14. Спектр нейтронов этих реакций сплошной, в основном за счет потери части энергии б-частиц на ионизацию в веществе самого источника. В качестве б-излучателя чаще всего применяют Ро210 или Рu239. Достоинством первого является практически полное отсутствие г-излучения, не считая г-квантов, сопровождающих часть реакций (б, n); недостатком -- слишком малый период полураспада. Достоинством Рn239 является большой период полураспада, недостатком -- большой вес на единицу активности, обусловливающий большой размер и большую стоимость по сравнению с источниками с Ро210. Источники с бором дают более мягкий спектр нейтронов, чем источники с бериллием.

Источник	Период полураспада	Энергия излучения, Мэв	Ядерная реакция
Pu239 + Be	24360 лет	До 10,8	Be9 (б, n)
Pu238 + Be	86,4 года	До 11	Be9 (б, n)
Po210 +Be	138 дней	До 10,9	Be9 (б, n)
Po210 +B	138 дней	До 5 - 6	B11 (б, n)
Sb124 + Be	54 дня	0,024	Be9 (г, n)
Cf252	2,2 года	До 7 - 8	Спонтанное деление

Конструктивно Ро-Ве и Ро-В источники представляют собой герметичные двойные ампулы из нержавеющей стали или хромированной латуни, внутри которых расположена стеклянная ампула с порошком карбида бериллия (керамическая таблетка) или карбида бора с осажденным на нем Ро210. Pu-Ве источники представляют собой двойные ампулы, заполненные сплавом Pu-Ве. К ампульным источникам относится источник из спонтанно делящегося материала, в первую очередь из Cf252, с наиболее вероятной энергией нейтрона 1,3 МэВ. Ограниченное применение, в основном при градуировке приборов, имеют фотонейтронные источники, чаще всего Sb124 + Be. Их недостатком является большой фон -излучения.

Методы определения содержания радиоактивных элементов

Радиометрический метод является основным при определении концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее широко он применяется как оперативный метод определения урана и тория в процессе поисково-разведочных работ и при добыче радиоактивных руд. По своей точности он часто не уступает химическому методу, будучи при этом в 4--5 раз дешевле и в 5--6 раз производительнее последнего.

В лаборатории исследуемые порошковые пробы и эталоны обычно насыпают в специальные кассеты, форма которых определяется формой детектора излучения. По соотношению между толщиной образца и длиной пробега регистрируемых частиц различают тонкий, промежуточный и насыщенный (толстый) слой.

Тонким для данного излучения является слой, толщина которого значительно меньше длины пробега частиц и потому ослабление излучения в самом образце пренебрежимо мало. Насыщенным является слой, толщина которого столь велика, что дальнейшее ее увеличение не приводит к росту потока излучения через его поверхность, обращенную к детектору. Результаты измерений с насыщенными слоями не зависят от колебаний толщины образца.

Измерения с насыщенным слоем обычно проводят при бета-методе. Измерения в тонких слоях используются при малом количестве, либо при очень высокой удельной активности исследуемого вещества. Для г-излучения измерения также проводятся в тонких или близких е тонким слоям.

Лабораторные методы радиометрии классифицируют в зависимости от регистрируемого вида излучения: различают бета- и гамма-методы. Во всех лабораторных методах используется относительный метод измерений, заключающийся в сравнении показаний прибора для исследуемого образца и эталона. Если измерения излучения пробы Iп и эталона Iэ проводятся в идеентичных условиях, масса пробы и эталона одинакова, то измерения будут пропорциональны концентрациям радиоактивного изотопа Iп /Iэ = Cп/Cэ отсюда концентрация изотопа в пробе:

Cп = IпСэ/Iэ

Бета-метод используется при определении суммарной радиоактивности в единицах равновесного урана, без разделения по составу радиоактивных изотопов.

Гамма-метод используется для определения общей г-активности проб, определения содержания радия в урановых рудах и определения коэффициента эманации пробы. Суть метода заключается в том, что в урановом ряде 98% г-активности обусловлено содержанием радия (Т ? 1600 лет) и продуктами его распада. Исходя из этого, гамма-метод, в качестве самостоятельного используется редко, преимущественно для исследования проб, содержащих один радий.

Комплексный бета-гамма-метод. Этим методом определяется:

Содержание урана и радия в образцах пород и руд с нарушенным радиоактивным равновесием. Основой для раздельного определения урана и радия является то, что в-излучатели в ряду урана распространены равномерно по всему ряду, а почти вся г-активность ряда урана обусловлена содержанием радия и продуктами его распада. Проводя раздельные измерения в- и г-активности пробы, получаем два уравнения с двумя неизвестными (концентрации урана и радия), решается система этих уравнений и находятся искомые концентрации.

Содержание урана и тория в равновесной уран-ториевой руде. Основой для раздельного определения урана и тория является различная г-активность ряда урана и ряда тория: 1 г равновесного урана излучает примерно 12300 г-квантов в секунду, а 1 г равновесного тория около 4300. По в-активности эти ряды примерно одинаковы. Методика измерения и расчетов концентраций урана и тория аналогична вышеописанной.

Все эти методы (бета-, гамма- и бета-гамма) широко использовались в 60 - 70-е годы прошлого века, когда аппаратурная база и методы обработки информации были недостаточно развиты. В настоящее время для определения содержания естественных радиоактивных элементов пород используется метод гамма- спектрометрии.

Гамма-спектрометрический метод. С помощью гамма-спектрометрического метода проводят экспрессные дистанционные измерения содержаний естественных радиоактивных элементов в горных породах. Чувствительность определения достаточно высока - концентрации, близкие к кларковым, измеряются с удовлетворительной погрешностью в условиях естественного залегания пород (в полевой модификации).

Метод основан на том, что излучение любого радиоактивного элемента прямо пропорционально его содержанию в объекте. Гамма-кванты, испускаемые атомными ядрами, обладают дискретным линейчатым спектром, у каждого изотопа свой спектр г-излучения. Возможность надежной идентификации и определения содержания радиоактивных элементов по спектру г-излучения является важнейшим достоинством гамма-спектрометрического анализа. Другое преимущество этого анализа связано с большой проникающей способностью г-квантов.

В полевых, и в некоторых лабораторных, г-спектрометрах датчиками служат сцинтилляционные детекторы на основе кристалла NaJ(Tl). Проблема использования сцинтилляционного детектора заключается в том, что:

В рядах урана и тория присутствует примерно по 50 г-квантов различной энергии, при этом значительная часть их приходится в область энергий до 1 Мэв.

Особенности применения сцинтилляционного детектора для гамма-спектрометрии приводит к образованию в спектрах «искусственного» комптоновского шлейфа, существенного в области энергий до 0.6 Мэв, а также дополнительных пиков за счет РЭП.

Сравнительно низкое энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора приводит к тому, что энергетически близко расположенные пики сливаются в один. Например, в ряде тория изотоп Ac228 испускает г-кванты с энергией 0.911 и 0.967 Мэв, на долю которых приходится 14.5% и 11.5% г-активности всего ряда. Так вот, при разрешении 10% сцинтилляционного детектора, полуширина пика составит для каждого пика около 90 Кэв, а разница энергий между ними - всего 56 Кэв. Следовательно, сцинтилляционный детектор вместо двух пиков зарегистрирует один суммарный пик.

На рисунке показаны спектры г-излучения калия-40 и рядов урана и тория, зарегистрированных сцинтилляционным детектором.

Для определения содержания естественных радиоактивных элементов, в спектрометрах начала 80-х годов (СП-4, РКП-305 и др.) в спектре урана выделялся энергетический интервал 1,65 - 1,85 Мэв, связанный с излучением Bi214 (1,76 Мэв), в спектре тория - интервал 2,5 - 2,7 Мэв (излучение Tl208 2,615 Мэв), г-излучение К40 содержит пик 1,46 Мэв, - интервал измерений 1,30 - 1,55 Мэв. Выбор интервалов измерений осуществлялся по критериям: пики г-излучения должны быть достаточно интенсивными; выбранные интервалы энергий для различных элементов должны хорошо разрешаться сцинтилляционным детектором.



Как видно из рисунка, в интервалах измерения данного элемента, присутствует излучение в виде фона от другого элемента. Например, в канале урана (1,65 - 1,85 Мэв) присутствует фон от тория. Точный аналитический учет «фона» от других элементов практически невозможен. Эту проблему решают следующим образом.

При измерении породы, содержащей все три компоненты естественной радиоактивности, измерения в каждом канале можно представить так:

JU = a1CK + b1CU + c1CTh

JTh = a2CK + b2CU + c2CTh

JK = a3CK + b3CU + c3CTh

где: JU, JTh, JK - измеренная интенсивность в каналах урана, тория и калия; CK, CU, CTh - содержания калия, урана и тория в измеряемой породе; ai, bi, ci - коэффициенты, учитывающие взаимовлияние каналов («фона»). Девять коэффициентов (ai, bi, ci ) находят при измерении трех эталонов с известным содержанием радиоактивных элементов, причем содержания в эталонах должно различным. При таком способе измерений относительная погрешность определения составляла примерно 5 - 8%, а порог чувствительности оценивался для урана и тория (1,5 ч 3)* 10-4% равновесного урана, для калия - (1,5ч 3)* 10-1%.

В настоящее время, когда появилась возможность использовать ЭВМ не только в лабораторных, но и в полевых условиях, в современных г-спектрометрах анализ содержание урана и тория ведут не по одному энергетическому интервалу, а по нескольким, как правило по четырем - пяти пикам наиболее интенсивных г-излучателей. Учет влияния «фона» проводится при эталонировании и по известным справочным данным соотношения г-активностей изотопов рядов урана и тория. При такой методике удается понизить относительную ошибку измерения до (2 ч 3)% и снизить порог чувствительности для урана и тория до (1 ч 1,5)* 10-4% равновесного урана.

В лабораторных условиях для гамма-спектрометрии возможно применение полупроводниковых детекторов, которые работают при температуре жидкого азота (-1900С). У полупроводникового детектора (ППД) имеются преимущества относительно сцинтилляционного детектора (СД):

Великолепное энергетическое разрешение - 0.6% ППД против 10% СД.

В отличие от СД, у ППД не существенны дополнительные составляющие в г-спектре (комптоновское рассеяние, РЭП).

В результате г-спектр образцов, полученных с помощью ППД, существенно отличается от спектра СД тем, что в интервале энергий от 200 Кэв до 3 Мэв все пики разрешены, фон от рассеянного излучения практически отсутствует. Используя методику определения содержания урана и тория по нескольким пикам г-излучения в каждом ряде, получают хорошие результаты.

Однако порог чувствительности и относительная погрешность измерения содержания естественных радиоактивных элементов в породе в полевых и лабораторных условиях, как ни странно, примерно одинакова. Это обусловлено тем, что при лабораторных исследованиях уменьшается представительность анализа. Если в полевых условиях измеряется порода в объеме сферы радиусом 30 - 40 см (в геометрии 4р в шпурах или скважинах) или полусферы того же радиуса (в геометрии 2 р на поверхности), то в лабораторных условиях размер образца существенно (на порядок) меньше. Точность лабораторного анализа также зависит от уменьшения естественного фона, для чего применяют свинцовые экраны («домики»), которые уменьшают фон примерно на порядок.

Эманационный метод. Определение содержания радия и его изотопов по их эманациям (радон) основано на том, что содержание радиоактивных газообразных эманаций измеряется с высокой точностью и чувствительностью по их б-излучению. Весь радий и его изотопы, содержащиеся в образце, предварительно переводят в растворенное состояние с помощью химических операций. Для определения содержания радия приготовленный раствор пробы помещают в специальный сосуд - барботер, затем продувают его насосом в течение 15 минут для удаления содержащегося радона, после чего закрывают (герметизируют) систему. Количество накопившегося после герметизации радона определяют по формуле:

где QRa - содержание Ra в г, л - постоянная распада радона, t - время после герметизации.

Для накопления равновесного (максимального) с радием количества радона необходимо около 30 суток. Однако на практике длительность накопления обычно не превышает 7 суток, т.к. при этом накапливается 72% радона, равновесного с радием.

Для измерения б-активности накопившегося радона применяется сцинтилляционный детектор. Люминофор ZnS(Ag) нанесен на внутреннюю стенку металлической камеры, диаметр которой равен 8 см - длине пробега б-частицы в воздухе. Накопившийся в барботере радон вводится в сцинтиллятор через систему краников с помощью прокачки воздуха. Чтобы избежать попадания влаги из раствора, между барботером и камерой помещен эксикатор с CaCl2. Сцинтилляции, возникающие при бомбардировке люминофора б-частицами, воздействуют на фотокатод ФЭУ через прозрачное стекло. Определив содержание радона, определяют содержание радия в исходной пробе.

Полевые радиометрические методы

Радиометрические методы являются важной частью комплекса поисково-разведочных методов на руды радиоактивных элементов, а также полезных ископаемых, находящихся в парагенетической связи с радиоактивными элементами (фосфориты, редкие и редкоземельные элементы, осадочные руды ванадия, молибдена и др.).

Радиометрические методы исследования горных пород в условиях их естественного залегания можно разделить на две группы:

Полевые радиометрические методы (радиометрическая съемка), применяемые для приближенной оценки радиоактивности горных пород;

Методы радиометрического опробования, позволяющие более точно определять радиоактивность горных пород в условиях их естественного залегания (в скважинах, шурфах, обнажениях и т. п.)

В основе радиометрических методов лежит обнаружение различных поисковых признаков в виде коренных выходов руд и ореолов рассеяния вокруг рудного тела.

Рассмотрим кратко классификацию ореолов рассеяния, их формирование и важнейшие особенности. Различают открытые ореолы, выходящие на дневную поверхность, и закрытые, развивающиеся лишь на некоторой глубине от поверхности.

По генетическим признакам различают:

Первичные (эндогенные) ореолы, образовавшиеся одновременно с формированием рудного тела.

Вторичные ореолы, образующиеся при преобразовании руд и первичных ореолов в приповерхностных частях геологического разреза.

Элементный состав первичных ореолов близок к составу самих руд. Их формы подобны формам рудных тел, а размеры значительно превышают размеры залежи, распространяясь над крутопадающими телами до 100--200 м и более, а в стороны от нее до нескольких десятков метров.

Вторичные ореолы могут образовываться в результате переноса радиоактивного вещества и элементов-спутников в твердой, жидкой или газообразной форме. Эти ореолы можно классифицировать по виду вещества, содержащего радиоактивные элементы.

Механические ореолы -- это область вокруг рудного тела, покрытая рудными обломками, образовавшимися при физическом выветривании и устойчивыми в поверхностных условиях. Образование механических ореолов урана возможно также за счет устойчивых вторичных скоплений урансодержащих гидроокислов железа, марганца, глинистых минералов или органических соединений.

Водные ореолы образуются за счет растворения урана и радия в подземных водах, омывающих рудное тело, и выноса их во вмещающие породы.

Солевые ореолы образуются за счет выпадения растворенного в воде урана при взаимодействии вод с вмещающими горными породами или при испарении воды. Солевые ореолы имеют более низкую концентрацию, чем механические, но гораздо большие размеры (до многих десятков метров, считая от границ залежи). На образование солевых ореолов большое влияние оказывают режим приповерхностных почвенно-грунтовых вод и климатические условия.

Рассеяние газообразных продуктов распада вокруг рудного тела или же вокруг механического и солевого ореолов приводит к образованию газовых (эманационных) ореолов.

Отдельные полевые радиометрические методы поисков направлены на обнаружение поисковых признаков, связанных с различными ореолами рассеяния радиоактивных элементов.

Радиометрическими методами поисков иногда называют методы, основанные на изучении радиационных ореолов. Вследствие распространенности закрытых ореолов важной характеристикой полевых (поисковых) методов является их глубинность, т. е. максимальная мощность неактивных отложений, перекрывающих рудное тело или ореол рассеяния, при которой возможно обнаружение последних. Для повышения надежности поисков радиометрическая съемка проводится в комплексе с другими геофизическими, геологическими, гидрохимическими и геохимическими исследованиями. Роль методов общей геофизики (электро-, магнито-, гравиразведка) особенно велика при поисках месторождений, не имеющих выхода на дневную поверхность. Однако ведущее место при этом остается за радиометрическими методами, среди которых основными являются авиационный, пешеходный и автомобильный гамма-методы.

Пешеходный гамма-метод. При поисках месторождений радиоактивных элементов и сопутствующих им полезных ископаемых применяется пешеходный гамма-метод (гамма-съемка). Широкое применение метода обусловлено:

Простотой методики, портативной, достаточно чувствительной, простой в обращении аппаратуры;

Высокой результативностью и относительно небольшой стоимостью съемки;

Возможностью применения в любых геоморфологических и климатических условиях, включая горные и иные районы, недоступные для авиационных и автомобильных гамма-методов.

В зависимости от задач выделяют рекогносцировочную, маршрутную и площадную съемки.

Глубинность гамма-метода. Для ее оценки рассчитаем поток у-квантов от бесконечного полупространства, перекрытого неактивными наносами мощностью h. Учитывая приближенный характер расчетов, будем исходить из следующей упрощенной модели, в которой необходимо рассчитать поток г-квантов от бесконечного по простиранию пласта, перекрытого неактивными наносами мощностью h. г-излучение каждого элементарного объема dV представляется в виде шести пучков, параллельных осям координат и имеющих интенсивность (I0/6)*dV, где I0 - интенсивность г-излучения элементарного объема. Поток г-излучения на поверхности земли от тонкого активного слоя толщиной dz, лежащего на глубине z от подошвы наносов, равен:

где мн и мп - эффективные коэффициенты поглощения г-квантов в наносах и в пласте.

Поток излучения от всего полупространства:

где Фг0 = I0/(6мп) - поток излучения при нулевой мощности наносов.

За глубинность метода принимается мощность наносов hmax, ослабляющая интенсивность излучения в 20 раз.

В среднем для наносов мн ? 0.07 см-1, отсюда hmax ? 45 см.

Дальнейшее увеличение глубины исследования возможно лишь за счет развития ореолов рассеяния над активными объектами.

Методика проведения пешеходной съемки. По данным рекогносцировки, предшествующей проведению поисков, уточняются природные условия ведения работ, мощность и характер рыхлых отложений, условия формирования в них ореолов рассеяния, нормальные значения радиоактивности отдельных типов горных пород. Выделяются наиболее перспективные по геологическим данным участки, намечаются маршруты, обычно в крест простирания геологических структур, зон тектонических нарушений, контролирующих оруденения.

Густота точек наблюдения намечается, исходя из масштаба поисков и сложности геологического строения. На участках простого строения с небольшим изменением радиоактивности по маршруту расстояние между точками наблюдения достигает 20 м при масштабе съемки 1:10 000 и 40 - 50 м при более мелком масштабе съемки. В пределах зон тектонических нарушений, на участках частой смены пород и при больших колебаниях радиоактивности это расстояние уменьшается вдвое.

Пешеходную гамма-съемку по маршрутам проводят путем непрерывного прослушивания излучения пород с помощью телефона и отсчета показаний по стрелочному прибору радиометра в отдельных точках. Оператор медленно передвигается (скорость 1--2 км/ч) по маршруту, держа выносной датчик на высоте 5--10 см от поверхности земли. На намеченных для наблюдения точках датчик прикладывается к обследуемой поверхности. Отсчет записывается в мкР/ч или иногда в делениях шкалы. Кроме измерений по маршруту оператор отклоняется от него в полосе шириной до 100 м для обследования имеющихся там горных выработок, обнажений пород, крупных валунов, осыпей и т. п.

При обнаружении на маршруте точки с повышенным г-излучением проводится более тщательное обследование окружающей зоны. После нахождения точки с максимальным в этой зоне г-излучением проводится измерение г-излучения в закопушах с целью обнаружения высокоактивного образца. Аномальные точки отмечаются на местности репером. Для определения размера аномалии проводят дополнительные профили, параллельные маршруту (основному профилю). На поисковом этапе параллельно проводят геологические наблюдения, отбирают образцы пород, пробы воды, растений, донных осадков для последующего лабораторного изучения.

Разновидностью пешеходной гамма-съемки является шпуровая гамма-съемка. Она проводится на площадях, где рудные тела или их ореолы перекрыты рыхлыми неактивными отложениями мощностью 1--3 м и более и недоступны для обычной гамма-съемки, а применение более глубинных методов (эманационного и др.) нецелесообразно (обводненность отложений, выход на поверхность непроницаемых для эманации пород и т. д.). Измеряют г-излучения в шпуре (мелкой скважине) через каждые 10--20 см с помощью радиометров с телескопическим зондом.

Обработка и интерпретация результатов. Этот этап работ включает:

Перевод показаний, зарегистрированных в делениях шкалы, в мкР/ч (с помощью эталонировочного графика или переводной таблицы), и вычитание натурального (при измерениях на поверхности) или остаточного фона (при измерениях в шпурах).

Нанесение на радиометрическую карту результатов измерений, включая радиоактивность обнажений, горных выработок и водопунктов.

Графическое изображение результатов съемки в виде карты, профилей интенсивности излучения, карты изолиний интенсивности г-излучения.

Геологическая интерпретация результатов: изучение нормального распределения радиоактивных элементов в различных комплексах пород; выявление участков повышенной активности среди однотипных пород с целью проведения на этих участках детальных исследований; выявление локальных аномалий г-поля и их перспективная оценка.

За аномалию принимают превышение активности над средним фоном пород более чем на утроенную величину среднеквадратического отклонения нормального фона. Аномалии г-поля делят на три группы:

Рудные аномалии, связанные с рудными скоплениями радиоактивных элементов или ореолами их рассеяния. Подразделяются на урановые, уран-ториевые и ториевые.

Аномалии, связанные с потоками рассеяния.

Безрудные аномалии, связанные с изменением нормальной радиоактивности горных пород, степени их обнажения и т. п.

По интенсивности -излучения выделяют малоинтенсивные (до 3 - 4 мкР/ч), средней интенсивности (4 - 8 мкР/ч) и интенсивные (более 8 мкР/ч) аномалии. По протяженности аномалии разделяют на локальные (до 0,35 км) и нелокальные.

Оценка аномалий -- завершающий этап наземных поисков, имеющий исключительное значение для определения эффективности поисковых работ. Из большого числа аномалий, выявленных при съемке, лишь несколько процентов оказываются связанными с рудопроявлением, а из последних лишь небольшая часть (несколько десятков процентов) оказываются промышленными месторождениями.

Критерии выделения, перспективных на поиски урана, аномалий:

Большинству выходов урановых тел и ореолов рассеяния соответствуют относительно небольшие размеры аномалий - от десятков до 500 м. Поэтому небольшая протяженность аномалий является критерием оценки ее перспективности. Однако, локальные аномалии наблюдаются также над пегматитами, и обнажениями пород с повышенными кларками радиоактивных элементов, например тория.

Достаточно высокая интенсивность г-излучения, соответствующая содержанию урана в приповерхностном слое более 0,01%, является признаком перспективности аномалии.

Аномалии, с содержанием урана в 2 - 3 раза выше содержания урана во вмещающих породах, в некоторых случаях могут приниматься за перспективные.

Эманационная съемка используется в основном при крупномасштабных поисках на участках, закрытых рыхлыми отложениями мощностью до 5--8, иногда до 10 м. Преимуществом съемки является относительно высокая глубинность исследований, а недостатком - резкое падение эффективности в условиях малопроницаемых, сильно увлажненных и мерзлых грунтов.

Физические основы. Часть атомов эманации (Rn, Tn), образующихся при распаде изотопов радия, из минеральных зерен породы попадает в поровое пространство, заполненное газом или жидкостью. В результате диффузии, а также движения подземных вод, эманации могут уноситься на значительное расстояние, создавая вокруг рудных тел газовые ореолы рассеяния.

Отношение количества эманации, выделяющихся из породы в ее поры, ко всему количеству образующихся эманации называется коэффициентом эманирования Кэ. Последний колеблется от долей процента в породах с плотной кристаллической решеткой до 95 - 98% в сильно разрушенных породах. Большой диапазон изменения коэффициента эманирования затрудняет интерпретацию результатов эманационной съемки.

Удельная активность эманации Сэ, в порах бесконечной однородной среды определяется по формуле:

Сэ = (СхКэс)/Кп

где Сх - удельная активность радиоактивного элемента, из которого образуется эманация; Кп - коэффициент пористости в долях от объема породы; с - плотность породы, г/см3.

Если величину Сх выразим в Ки/г, значение Сэ получим в Ки/см3. Эта формула пригодна для оценки концентрации эманации лишь на достаточно большой глубине, на которой отсутствует влияние утечки в атмосферу. По мере удаления от рудного тела или другого источника эманации их концентрация убывает тем быстрее, чем меньше период полураспада и чем ниже коэффициент диффузии в породе.

Рассмотрим количественно распределение эманации в наносах, покрывающих плоский активный пласт, предполагая, что миграция эманации обусловлена только диффузией:

где Сэ0 - концентрация эманаций на границе эманирующего пласта; Сэ - концентрация эманаций в точке с координатами (x, y, z); л - постоянная распада радона; D - коэффициент диффузии эманаций в наносах.

На рисунке показано изменение концентрации радона в зависимости от расстояния до рудного тела. Мощность наносов h = ? (сплошная линия) и h = 2 м (пунктир). Коэффициент диффузии d = 0.01 см2/сек, л = 3.05*10- 6 с-1 (для радона).

Глубина отбора проб подпочвенного воздуха 0.8 - 1 м, в зависимости от типа покрышки (почвы), глубинность метода составляет, в среднем, от 3 до 7 метров. При наличии механических и солевых ореолов глубинность метода возрастает. Основным фактором, определяющим глубинность съемки для данного изотопа, является коэффициент диффузии D. Он растет с увеличением пористости и проницаемости пород и почв, а также с уменьшением их влажности. Именно низким значением D обусловлена неэффективность эманационных поисков в условиях заболоченности, вечной мерзлоты, моренных отложений, а также частично при обнажениях плотных коренных пород с низкой проницаемостью.

Наиболее благоприятны для проведения эманационной съемки площади развития рыхлых отложений однородного состава с относительно постоянной мощностью (в пределах 1--5 м) и небольшими колебаниями нормального эманационного поля. При мощности малопроницаемых наносов 1,5--2 м обычные эманационные съемки малоэффективны и вместо них используют глубинные поиски.

Методика исследований. Различают эманационные исследования рекогносцировочные, площадные и детальные.

Рекогносцировочная (маршрутная) съемка в плохо изученных районах на первом этапе поисковых работ для выявления перспективности на уран площадей, закрытых рыхлыми отложениями, и выделения благоприятных рудоконтролирующих структур и пород. Расстояние между профилями до нескольких километров, расстояние между точками наблюдения 10 - 25 м.

Площадная съемка в масштабе 1:25 000 (сеть наблюдений: профили через 200м, точки наблюдения - через 10 м) или чаще 1:10 000 (сеть наблюдений 100м; 10 м) используется для непосредственных поисков новых рудных полей и отдельных месторождений.

Детальная съемка в масштабе 1:5000 (сеть наблюдений 50м; 5 м) или 1:2000 (сеть наблюдений 20м; 2,5 м) используется с целью исследования выявленных радиометрических аномалий и оконтуривания рудных тел.

Обработка и интерпретация результатов. Результаты эманационной съемки изображают в виде графиков концентрации эманации по профилям, на которые наносится схематическая геологическая основа. По результатам детальных работ строят карты изоэман.

Задачей интерпретации является выделение среди обнаруженных аномалий тех из них, которые представляют интерес для дальнейшего исследования, т. е. рудных и ореольных. При оценке аномалий учитывают следующие факторы:

Концентрация эманации является надежным признаком рудной или ореольной аномалии лишь при ее значениях свыше 1000 эман.

Одним из наиболее информативных факторов является изменение концентрации аномалий с глубиной в шпурах и мелких скважинах . Для рудных аномалий характерен непрерывный рост, причем с глубиной градиент концентраций растет. Для аномалий эманирования концентрация по глубине остается постоянной. Для остальных типов аномалий характерно выполаживание кривой или нерегулярные изменения с глубиной.

Ореольные аномалии характеризуются широким площадным распространением и изометрической формой.

Комплекс радиометрических исследований на разных стадиях поисков и разведки месторождений радиоактивных руд. Выбор комплекса методов исследования должен учитывать геологические, гидрогеологические, геоморфологические особенности района.

Из геологических факторов наиболее сильное влияние на эффективность радиометрической съемки оказывают тектоническое строение, неоднородность поверхностных отложений и мощность наносов. От этого зависит постоянство нормального фона, эманирующая способность пород, ослабление г-излучения и эманации наносами. Поэтому параллельно с радиометрическими исследованиями поисково-разведочные работы включают также изучение состава, свойств пород, их тектоники и т. п.

Из геоморфологических особенностей района основное значение имеет степень обнаженности пород, определяющая возможность применения методов той или иной глубинности.

Развитие гидросети в исследуемом районе, способствуя развитию водных и солевых ореолов, часто способствует применению различных методов радиометрической съемки. Свободный обмен подземных и поверхностных вод способствует нарушению радиоактивного равновесия с недостатком радия, что ограничивает возможность применения гамма-метода. Высокий уровень грунтовых вод снижает эффективность эманационной съемки. Районы с вечной мерзлотой и повышенной влажностью не благоприятны для эманационной съемки.

Выбор комплекса радиометрических методов базируется на районировании территории по условиям ведения поисково-разведочных работ. С учетом степени расчленения рельефа, условий эрозионного вскрытия пород, вмещающих рудные тела, характера четвертичного покрова и ряда других факторов выделяют четыре типа районов:

Горные области с сильно пересеченным рельефом; породы с урановым оруденением хорошо обнажены.

Предгорные и некоторые горные области с рельефом средней сложности. Коренные породы, несущие оруденения, частично обнажены, частично покрыты четвертичным покровом.

Районы со слабовсхолмленным рельефом и сплошным перекрытием коренных пород рыхлыми отложениями небольшой мощности (от нескольких метров до первых десятков метров) разделяют на два подтипа: районы, где механические и солевые ореолы хотя бы спорадически выходят на поверхность; районы, в основном закрытые аллохтонными осадками.

Районы, где формации, несущие оруденения, не вскрыты эрозией, а также районы с большой мощностью четвертичного покрова (более 30--40 м).

На каждом этапе геологоразведочных работ комплекс методов различен.

На этапе региональной геологической съемки поиски урановых месторождений являются не основной, а попутной задачей (массовые поиски). Основным методом массовых поисков является пешеходная гамма-съемка, проводимая в процессе геологической съемки повсеместно. Для проверки аномалий или рудопроявлений применяют в небольшом объеме гамма-спектрометрию и уранометрическую съемка по донным осадкам. Кроме того, обязательно проводится обследование на радиоактивность коллекций образцов руд, всех карьеров, горных выработок, старых и действующих рудников.

При проведении специализированных поисков урановых месторождений для перечисленных типов районов применяются следующие комплексы методов.

В районах I типа (горные районы) основным методом является пешеходная гамма-съемка. На участках, покрытых делювиальными отложениями небольшой мощности, применяют шпуровую гамма-съемку, реже эманационную. При детализации аномалий применяют гамма-профилирование, исследование обнажений, расчисток и канав, для количественной оценки радиоактивности - гамма-опробование, для определения типа радиоактивности - гамма-спектральные измерения.

В районах II типа применяют главным образом пешеходную гамма-съемку, а на слабо обнаженных участках - эманационную.

В районах III типа на первом этапе работ проводится авиагамма-съемка относительно мелкого масштаба (1:25 000). Для проверки и оценки выделенных аномалий используют пешеходную и шпуровую гамма- и эманационную съемки, а для детального изучения аномалий -- радиометрическое опробование горных выработок.

В районах IV типа основным является гамма-метод исследования скважин в комплексе с изучением керна и вод.

В районах III и IV типов большое значение имеют общие геофизические методы: электроразведка, магниторазведка и сейсморазведка. Эти методы позволяют выделять глубинные разломы, границы раздела пород различного типа, а также определять мощность наносов. Ценную информацию может дать также геохимическая съемка по элементам - спутникам урана.

Применение радиометрических методов для изучения геологического строения района, поисков и разведки нерадиоактивных полезных ископаемых. Данные о содержании радиоактивных элементов в горных породах несут информацию о типе горных пород, условиях их образования и последующего изменения. Для многих полезных ископаемых наблюдаются генетические или парагенетические связи с радиоактивными элементами. Это позволяет решать такие геологические задачи, как литологическое расчленение горных пород, геологическое картирование (в частности, прослеживание тектонических нарушений), поиски и разведка полезных ископаемых.

Литологическое расчленение горных пород методами радиометрии основано на различии их радиоактивности. Особенно важен гамма-метод исследования скважин в комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин осуществляется без отбора керна или процент выноса керна невелик.

Повышенная радиоактивность зон тектонических нарушений обусловлена как гидротермальными изменениями и подъемом радиоактивных флюидов по трещинам, так и повышенной эманирующей способностью пород в этой зоне.

Примером использования радиометрии для геологического картирования является оконтуривание структур в осадочной толще при поисках нефтяных и газовых месторождений. Над многими известными месторождениями нефти и газа наблюдается понижение г-излучения (в основном ее радиевой составляющей). Это явление объясняется тем, что в районах с молодой тектоникой породы над сводами структур более грубозернистые, чем на крыльях этих структур, поскольку в момент отложения осадков глубина бассейна на своде была меньше.

Радиометрические методы широко применяются на всех этапах поисков и разведки нерадиоактивных полезных ископаемых, генетически и парагенетически связанных с ураном и торием. Поскольку радиоактивные элементы в виде минералов или изоморфных примесей присутствуют во всех пегматитах, то, например, для поисков пегматитовых редкоземельных месторождений с успехом используются гамма- и эманационные методы. Радиометрические методы полезны при поисках осадочных месторождений ванадия, молибдена, фосфоритов, углей и ряда других полезных ископаемых, также нередко отмечаемых повышением радиоактивности. Эти методы успешно применяются для поисков титановых россыпных месторождений, в которых всегда присутствуют циркон и монацит, содержащие примеси урана и тория. Наконец, радиометрические методы широко применяются при разведке месторождений калийных солей.

Ядерно-геофизические методы

Гамма-гамма-методы (ГГМ)

ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком г-квантов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторичного г-излучения.

Для г-излучения с энергией до 2 Мэв характерно взаимодействие с электронами атомов, наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние г-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих элементов (Z < 20), макросечение мк комптоновского рассеяния не зависит от Z и пропорционально плотности вещества д, т.к. для легких элементов Z/M ? 0.5 (М - атомная масса вещества, Z - заряд ядра). Число атомов в 1 см3 вещества N = д*NA/M (NА - число Авогадро), следовательно мk =N*уk = AдZуk/M (уk - микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M ? 0.5, получаем мk = NAдуk/2.

Сечение комптоновского рассеяния уk при малых энергиях растет, достигает максимального значения в интервале 100 - 300 Кэв, а затем медленно уменьшается с увеличением энергии г-квантов.

Для одного и того же вещества для К-оболочки ход сечения фотоэффекта приблизительно оценивается:



при Ег > IK уф ? Z5/ Ег3.5;

при Ег >> IK уф ? Z5/ Ег.

где Ег - энергия г-кванта, IK - потенциал ионизации К-оболочки.

Фотоэффект наиболее вероятен в области энергий, близких к потенциалу ионизации электронных К-оболочек, это для тяжелых элементов (Z > 50) энергия до 100 Кэв, для более легких элементов эта энергия снижается до единиц Кэв. Например, для титана (Z = 22) IK < 6 Кэв.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определенный тип взаимодействия г-квантов с веществом, а именно комптоновское рассеяние, метод называется гамма-гамма метод плотностной модификации (ГГМ-П). Для исследования изменения состава пород применяется гамма-гамма-метод селективный (ГГМ-С), в основе которого - фотоэффект. Методически оба эти метода сходны - первичное облучение породы потоком гамма-квантов с последующей регистрацией вторичного гамма-излучения. Выбор типа взаимодействия первичного излучения (Комптон-эффект или фотоэффект) решается с помощью выбора источника первичного г-излучения: при энергии источника Ег < 300 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Ег > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Чувствительность ГГМ-С к изменению Zэфф породы определяется энергией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника г-квантов низкой энергии (Ег = 50 Кэв) максимальная чувствительность - в области малых значений Zэфф - до 14, далее чувствительность падает, а при Zэфф > 20 чувствительность практически равна 0. Такая ситуация реализуется при разведке угольных месторождений - изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Zэфф на величины, не более 0.2 ч 0.4. При разведке полиметаллических и, особенно железорудных, месторождений изменение Zэфф от вмещающей до рудосодержащей породы более значительно - на единицы, а в случае массивных руд, до десяти. В этом случае используется более жесткий источник первичного г-излучения, чтобы перекрыть весь диапазон измерений Zэфф. Основным источником первичного г-излучения в ГГМ-С является изотоп селена Se75 (Т = 120 дней; Ег = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm170 (Т = 129 дней; Ег = 84,2 Кэв).

ГГМ-П, как было сказано выше, необходимо осуществлять в таких условиях, когда преобладает комптоновское рассеяние -излучения, а именно в интервале энергий от 500 Кэв до 2 Мэв. Так как при многократном рассеянии -излучения в среде образуется низкоэнергетическая часть -спектра, которая поглощается при помощи фотоэффекта (вследствие чего образуются низкоэнергетичные -кванты характеристического излучения), устранить влияние фотоэффекта можно соответствующим выбором энергии первичного -излучения и использованием детекторов, имеющих в области малых энергий низкую эффективность.

Для реализации ГГМ-П обычно используются источники -квантов Cs137 (Ег = 0.66 Мэв), Со60 (1.25 Мэв), реже Ra226 (1.7 Мэв). Низкую эффективность в области мягкого -излучения имеют газоразрядные счетчики типа МС и СТС и сцинтилляционные детекторы NaJ (Tl) в металлических фильтрах (корпус прибора).

Если для ГГМ-П очень важно регистрировать наиболее жесткое -излучение, то очень важным становится взаимное пространственное расположение источника, исследуемой среды и детектора вторичного -излучения - энергия -квантов после комптоноского рассеяния сильно зависит от угла рассеяния. Взаимное пространственное расположение источника, исследуемой среды и детектора вторичного -излучения называют геометрией измерения. Геометрия измерений также важно и при ГГМ-С - подобрав правильную геометрию измерения можно резко уменьшить влияние рассеянных -квантов.

В ГГМ наиболее распространены три геометрии измерений. Первый, наиболее простой, но и наименее распространенный - геометрия измерений узким пучком, который можно реализовать только в лабораторных условиях, потому что в данной методике образец помещается между источником -квантов и детектором. Узкий пучок -излучения создают свинцовыми коллиматорами. Оптимальные размеры коллимационного канала: диаметр 5 - 10 мм, общая длина 6 - 7 см для источника Cs137 и 10 - 15 см для Co60. Расстояние между детектором и источником равно 20 - 50 см (в зависимости от размера образца). При помощи этой геометрии в лабораторных условиях измеряют плотность пород с точностью 0.01 г/см3.

...