Работа 5. Интерпретация данных ядерно-физических методов (яфм)

ЯФМ основаны на облучении породы потоком пер­вичного излучения (γ–излучения или нейтронного) и изучения вторич­ного излучения. Вторичное излучение возникает в результате взаимодейст­вия первичного излучения с веществом породы, следовательно, вторичное излучение несет информацию о веществе породы. Основными свойствами вещества, определяющими тип и характер взаимодействия его с γ–излуче­нием являются: плотность вещества (ρ) и его номер в таблице Менделеева (Z).

Горные породы являются сложными по составу и структуре вещест­ва­ми. Плотность горных пород зависит как от состава вещества, так и от струк­тур­ных особенностей, причем последние являются определяющими. Для определения порядкового номера породы вводится понятие Z эффективное (Z_эфф), которое , в основном, определяется составом породы.

Z_эфф определяет­ся как:

где: Z_i – Z i-элемента, входящего в состав породы;

q_i – содержание i-элемента в породе;

n – количество элементов в породе.

Например, расчет Z_эфф известняка (CaCO₃) ведется так:

1. Z_Ca = 20, A_Ca (атомный вес кальция) = 40; Z_C = 6, A_C = 12; Z_O = 8, A_O = 16;

2. q_Ca = 40/(40+12+3*16) = 0.4; q_C = 12/(40+12+3*16) = 0.12;

q_O = 3*16/(40+12+3*16) = 0.48;

3. 

Плотность через весовые коэффициенты определяется так:

Одними из методов ЯГФ, основанных на облучении пород первичным γ-излучением, являются гамма-гамма методы (ГГМ) и рентгенрадиомет­риче­ский метод (РРМ).

ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком γ-кван­тов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторич­ного γ-излучения. Для γ-излучения с энергией до 2 Мэв наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фото­эф­­фект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние γ-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих эле­ментов (Z < 20), макросечение μ_к комп­то­новского рассеяния не зави­сит от Z и пропорционально плотности вещества ρ. Сечение комптоновского рас­сеяния σ_k при малых энергиях рас­тет, дости­гает максимального значения в интервале 300 - 500 Кэв, а затем медле­нно уменьшается с увеличени­ем энергии γ-квантов.

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.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определен­ный тип взаимодействия γ-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 γ-излуче­ния: при энергии источника Е_γ < 200 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Е_γ > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Основ­­ным источником первичного γ-излуче­ния в ГГМ-С является изо­топ селена Se⁷⁵ (Т = 120 дней; Е_γ = 136 Кэв), может также использоваться изо­топ тулия Tm¹⁷⁰ (Т = 129 дней; Е_γ = 84,2 Кэв), для ГГМ-П основным источни­ком является Со⁶⁰ (Т=5,2 лет, Е = 1,2 Мэв).

Методы ГГМ, в основном, применяются при геофизических исследова­ниях скважин (ГИС) при поисках и разведке угольных и рудных полиметаллических месторождениях (руды галенит (PbS) – сфалеритового (ZnS) состава). При комплексной интерпретации методов ГГК-С и ГГК-П получают информацию о составе руд (содержание галенита и сфалерита в рудах). Однако точность методов ГГК (гамма-гамма каротажа) недостаточна для подсчета запасов. Например комплекс ГГК-С и ГГК-П позволяет определить содержание свинца и цинка в полиметаллических рудах с точностью не выше 2%. Более точные результаты дает метод РРМ (или РРК).

РРМ основан на облучении пород первичным мягким γ-излучением (или рентгеновским излучением). В результате поглощения энергии γ-кванта элек­тро­ном, последний приобретает энергию, достаточную для преодоления энер­гии связи и покидает атом (фотоэффект). В результате образуется вакансия электрона, которая заполняется электроном с более удаленной орбиты. Разница энергий между уровнем, с которого электрон заполнил вакансию и уровнем самой вакансии, высвобождается в виде рентгеновского излучения. Так как электронные уровни имеют строго определенные значения энергий и являются индивидуальными для каждого атома, то и энергия испускаемого рентгенов­ского излучения будет характерна для каждого атома. Поэтому это излучение называют характеристическим (ХИ).

В РРМ наибольшее распространение получило флуоресцентная методика проведения анализа. Первичное излучение от источника I₀ широким пучком попадает на про­бу, где взаимодействует с тонким слоем пробы (не более десятков микрон). В результате, на де­те­ктор попадают: 1 – характеристическое излу­че­ние элементов пробы (Iхи); 2 – рассеянное от первичного излучения (Is). Чтобы исключить прямое попадание в детектор пер­вичного излучения, источник и детектор расположены в экранах.

Спектр вторичного излучения будет состоять из следующих компонент:

1. В области малых энергий (крайний левый участок спектра) будет опреде­лять­ся шумами детектора, электронной схемы, поэтому никакой полезной информа­ции он не несет.

2. Крайний правый пик – пик рассеянного излучения с энергией Ер.

3. Между шумами и пиком рассеянного излучения находится пик характерис­тического излучения с энергией Ехи. Для породообразующих элементов эне­р­гия характеристического излучения настолько мала, что она попадает в область шумов. Современной полевой аппаратурой регистрируется характе­рис­тическое излучение элементов с Z > 21 (титана). На рисунке слева пока­зан спектр пробы с отсутствием рудного элемента (C_i = 0), на рисунке справа концентрация рудного элемента C_i > 0.

Таким образом, анализируя энергию характеристического излучения Ехи мы можем однозначно определить элемент, а интенсивность пика Iхи дает инфор­мацию о концентрации этого элемента в породе.

Существует несколько методик проведения РРМ. Первая, наиболее про­стая, но и наименее точная – измерения интенсивности Iхи («метод интенсивно­сти»). Все остальные методики построены на сравнении пика Iхи с пиком рас­сеянного излучения Is, вводится параметр η = Iхи / Is («метод отношений»). Определение содержания элемента, во всех методиках, ведется через эталони­ровочный график, который измеряют на моделях с известным содержанием определяемого элемента.

В отличие от методов ГГМ, метод РРМ обладает более высокой чувствии­тельностью и точностью. Например, предел обнаружения Zn и Pb в полиметал­лических рудах не хуже 0,05 % содержания каждого элемента.

Задания.

Задание 1. На скважине, пробуренной на полиметаллическом месторождении, проведен комплекс ГИС, куда входили ГГК-П и ГГК-С. Рудные объекты пред­ставлены галенит - сфалеритовыми массивными телами. На рис.1 показаны каротажные кривые этих двух методов, полученные при детализации рудного интервала. В интервалах 85,0 – 85,4 м и 95,6 – 96,0 м скважинной вскрыты вме­щающие породы, представленные песчаниками (SiO₂). В интервале 85,4 – 95,6 м скважинной вскрыты массивные руды, представленные галенитом (PbS) и сфалеритом (ZnS) различного содержания. В таблице 1 приводятся данные, полученные той же аппаратурой на моделях, с известной плотностью. В табли­це 2 приводятся данные, полученные той же аппаратурой на моделях, с извест­ным Zэфф моделей. Необходимо разбить на интервалы весь рудный участок, с точностью до 2% оценить содержание сфалерита и галенита в рудах. Средняя плотность песчаника - 2,35 г/см³, галенита – 7,5 г/см³, сфалерита – 4,1 г/см³.

Данные о химических элементах, входящих в состав пород и руд:

Кремний (Si): А (атомный вес) – 28; Z (порядковый номер) = 14. Кислород (О): А = 16; Z = 8. Сера (S): А = 32; Z = 16. Свинец (Pb): А = 207; Z = 82. Цинк (Zn): А = 65; Z = 30. Табл.1

ρ (г/см3)	2,3	2,4	2,7	3,0	3,3	3,6	3,9
I/I0	0,99	0,95	0,83	0.70	0,56	0,42	0,26

Табл.2

Z	10	15	20	25	30	35	40	45	50
I/I0	1,0	0,82	0,66	0,52	0,40	0,31	0,23	0,17	0,14

Ход выполнения:

1. Разбить на одинаковые интервалы кривые ГГК-С и ГГК-П. Критерии разбие­ния: или постоянные значения («площадки») на одной из кривой; или полу­тораметровые интервалы в случае непрерывного изменения параметров на обеих кривых.

2. На каждом интервале вычислить средние значения по каждой кривой.

3. По данным эталонирования (табл.1 и табл.2) перевести значения средних по­ин­тервальных параметров в значения плотности и Z_эфф. Данные оформить в виде таблицы.

4. Вычислить Z_эфф песчаника, галенита и сфалерита.

5. В каждом интервале перевести значения Z_эфф и плотности в содержание гале­нита и сфалерита в руде. Для этого необходимо решить систему из трех уравнений (т.к. неизвестных три – содержание галенита, сфалерита и песча­ника). Полученные результаты оформить в виде таблицы.

Задание 2. На свинцово-цинковом месторождении пройдено три канавы, по 45 метров каждая, все канавы расположены параллельно, простирание канав – запад-восток, расстояние между канавами 20 метров. Канавами вскрыты руд­ные тела. С целью определения содержания свинца проведено опробование полотна канав РРМ, методом спектральных отношений. Замеры производились дискретно с шагом 1 м, начало опробования совпадает с началом канавы. Перед началом работ была проведена эталонировка аппаратуры на моделях с извест­ным содержанием свинца. Чтобы повысить точность измерений, эталонировка для малых содержаний (до 2%) проводилась отдельно, данные этого эталониро­вания представлены в таблице 3.

Табл.3

Pb, %	0,31	0,47	0,70	1,16	1,51	1,77	1,96
η	1,049	1,073	1,103	1,146	1,174	1,188	1,200

Данные по эталонировке в классе больших содержаний свинца показаны в таблице 4.

Табл.4

Pb, %	1,77	4,90	6,8	9,3	13,5	16,8	21,5	26,4
η	1.19	1.60	1.87	2.20	2.63	2.95	3.22	3.43

Результаты проведения РРМ по трем канавам показаны в таблице 5.

Табл.5

№№ пк	Параметр η			№№ пк	Параметр η
	Канава 1	Канава 2	Канава 3		Канава 1	Канава 2	Канава 3
1	2,19	1,72	1,01	24	1,42	1,61	2,01
2	2,24	1,63	1,03	25	1,61	1,72	2,11
3	1,96	1,55	1,03	26	1,58	1,76	2,14
4	2,09	1,47	1,05	27	1,74	1,88	2,18
5	1,86	1,33	1,03	28	1,79	2,12	2,01
6	1,80	1,27	1,07	29	1,77	2,18	2,18
7	1,82	1,19	1,06	30	1,83	2,03	2,24
8	1,69	1,23	1,06	31	1,98	2,19	2,38
9	1,64	1,14	1,09	32	2,06	2,23	2,64
10	1,62	1,17	1,11	33	2,12	2,39	2,81
11	1,52	1,10	1,10	34	2,22	2,51	2,83
12	1,44	1,04	1,15	35	2,34	2,68	2,57
13	1,30	1,02	1,27	36	2,36	2,61	2,24
14	1,22	1,06	1,25	37	2,20	2,54	2,35
15	1,20	1,08	1,19	38	2,01	2,29	2,31
16	1,32	1,07	1,32	39	1,84	2,09	2,20
17	1,21	1,02	1,40	40	1,92	2,14	2,17
18	1,18	1,09	1,51	41	1,83	2,02	2,09
19	1,16	1,18	1,58	42	1,75	1,93	2,01
20	1,07	1,31	1,61	43	1,80	1,70	1,94
21	1,19	1,28	1,68	44	1,71	1,79	1,82
22	1,23	1,57	1,72	45	1,62	1,61	1,46
23	1,36	1,49	1,83

Ход выполнения:

1. Построить эталонировочные графики;

2. Определить в каждом пикете содержание свинца;

3. Составить план участка в масштабе 1:200, выделить на нем рудные зоны с содержанием свинца: I – (0 – 2%); II – (2 – 5%); III – (5 – 15%); IV – > 15%.

4