7.2. Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность представляет собой самопроизвольный, подчиненный определенному статистическому закону распад неустойчивых ядер атомов. Радиоактивный распад приводит к изменению строения, состава и энергии ядер и сопровождается испусканием - и -частиц или захватом электрона из K- или L-оболочки, коротковолновым излучением электромагнитной природы (-излучение). При этом происходят выделение радиогенного тепла, ионизация газов, жидкостей и твердых тел.

В природных условиях отмечается также спонтанное деление тяжелых ядер. Осколки деления могут образовывать треки и дефекты в кристаллической структуре минералов.

Закон радиоактивного распада естественных и искусственных радиоактивных ядер (Э. Резерфорд и Ф. Содди, 1902 г.) описывает зависимость между количеством распадающихся и имеющихся радиоактивных атомов. В дифференциальной форме он имеет вид:

dN/dt = –N , (7.11)

где dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt;  – постоянная, характеризующая скорость распада данного элемента. Величина А=N определяет число распадов в единицу времени и называется активностью. После интегрирования получаем экспоненциальный закон изменения количества радиоактивных атомов во времени:

N(t)=N₀ exp(–t), (7.12)

где N₀ – число атомов в начальный момент времени (начало распада при t = 0).

Кроме постоянной распада  при описании явлений радиоактивности широко используется период полураспада T_1/2 – время, за которое N₀ убывает наполовину. С постоянной распада T_1/2 связан соотношением T_1/2=0,693/. Фундаментальное свойство постоянной распада K – независимость ее от каких-либо природных факторов (термобарические условия, изменения напряженностей физических полей). Поэтому период полураспада служит абсолютной мерой длительности геологических процессов (это свойство используется в ядерной геохронологии).

Среди многочисленной группы естественных радиоактивных элементов наибольший интерес представляют изотопы тяжелых элементов ( ²³⁸₉₂U, ²³⁵₉₂U, ²³²₉₀Th), которые испытывают в результате - и -распада многократные последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, семейства, включающие до 15–18 изотопов. Остальные радиоактивные элементы (⁴⁰₁₉K, ⁸⁷₃₇Rb и др.) обладают одноактным распадом и рядов не образуют.

Родоначальники трех естественных радиоактивных рядов (уранового, актиноуранового, ториевого), или материнские элементы, имеют вероятность распада, во много раз меньшую вероятности распада каждого последующего дочернего элемента: ₁₂₃…_n. При распаде элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия, когда числа распадающихся атомов в единицу времени для каждого изотопа равны.

Радиоактивное равновесие определяется выражением ₁N₁=₂N₂=₃N₃=…=_nN_n, причем время перехода в это состояние оценивается как десятикратный период полураспада самого долгоживущего дочернего элемента соответствующего семейства.

В результате процессов выщелачивания и эманирования в природных условиях состояние радиоактивного равновесия может нарушаться. Это наиболее характерно для уранового семейства, где вынос U и Ra происходит с различной интенсивностью и отмечается интенсивное удаление эманации Rn.

Гамма-активность пород характеризуется внесистемной величиной – радиевым гамма-эквивалентом с единицей измерения – миллиграмм-эквивалент Ra (мг-экв Ra). 1 мг-экв Ra – это активность вещества, гамма-излучение которого имеет такую же ионизирующую способность, как и излучение 1 мг ²²⁶Ra (вместе с продуктами распада) после прохождения его через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм. Широко используют в геофизике и такие величины, как удельная массовая гамма- активность с единицами измерения мг-экв Ra/г или пкг-экв Rа/кг = (кг-экв Ra/кг)10^–12 – активность 1 г породы в мг-экв Ra (или 1 кг породы в кг-экв Ra); удельная объемная активность с единицами измерения мг-экв Ra/см³ (или нкг-экв Ra/м³ = (кг-экв Ra/м³)10^–9.

В радиометрии скважин для оценки интенсивности естественного гамма-излучения пород часто используют единицы мощности экспозиционной дозы (МЭД) – микрорентген в час. Один рентген (Р) характеризует ионизирующее действие гамма-излучения, при котором в 1 см³ воздуха при нормальных условиях создается одна электростатическая единица заряда (2,08310⁹ пар ионов). Дозовая характеристика является мерой биологической опасности излучения.

Какая же петрофизическая характеристика определяет показания интегральной модификации метода естественной радиоактивности (ГМ)? Ни один из существующих учебников, за исключением [ ], не дает ответа этот вопрос. Ответ не очевиден, и заслуживает специального рассмотрения.