116. Ядерная геофизика: физические понятия и основные факты.

Задачи и методы ядерной геофизики (ЯГ): - объединяет физические методы поисков и разведки радиоактивных руд по их естественной радиоактивности (радиометрия) и поэлементного анализа горных пород путем изучения вызванной радиоактивности (ядерно-геофизические методы).

ЯГ отличается малой глубинностью исследований (десятки см по породе) вследствие быстрого поглощения ядерных излучений окружающими породами и воздухом. Основными методами радиометрии являются:

- гамма-съемка (ГС), предназначенная для изучения интенсивности гамма-излучения,

- эманационная съемка (ЭС), при которой по естественному альфа-излучению почвенного воздуха определяют концентрацию в нем радиоактивного газа - радона.

- Гамма-методы (ГМ) служат для поисков и разведки не только радиоактивных руд урана, радия, тория и других элементов, но и парагенетически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полез.ископ. С их помощью можно определять абсолютный возраст горных пород.

Искусственная радиоактивность возникает при облучении горных пород и сред гамма-квантами или нейтронами. Измеряя те или иные характеристики наведенного поля, можно судить о гамма- и нейтронных свойствах горных пород, которые определяются химическим составом элементов и физическими свойствами пород. Существует множество искусственных ядерно-физических методов определения химического состава и физических свойств горных пород, основанных на использовании либо нейтронов (нейтрон-нейтронные, нейтрон-гамма и др.), либо гамма-излучений (гамма-гамма, гамма-нейтронный, рентгенорадиометрический и др.).

Строение атома: Атом состоит из ядра, окруженными электронами. Заряд ядра (Z) определяется числом протонов. Число Z совпадает с порядковым № элемента. В атоме м.б. несколько электронных оболочек (К, L, М и др.), и наиболее прочно с ядрами связаны электроны ближайшей к нему К-оболочки. Все ядра атомов состоят из р⁺ и е^-, за иски, водорода, состоящего из 1-ого р⁺. Атомный вес (А) определяется числом нейтронов (N) и числом Z, т.е. А= N + Z - это есть масса ядра. Элемент можно описать: ^А_zЭ. Изотопы - ядра, содержащие одинаковое кол-во р⁺, но разное число n° (пр. ¹₁Н, ²₁Н, ³₁Н); Изобары - ядра с = А, но не = Z и N (пр. ⁴⁰₁₉К, ⁴⁰₂₀Са, у них А=40); Изотоны - ядра с = N, но не = Z и А (пр. ³₁Н, ⁴₂Не, ⁵₃Li, ⁶₄Ве, у них N=2).

Физические понятия:

Радиоактивнее элементы - ядра, атомов которых находятся в неустойчивом состоянии и претерпевают самопроизвольный (спонтанный) распад, превращаясь в др. элементы. Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов, называется естественной радиоактивностью. Известно 3 семейства - урана, тория и актиния. Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами).

Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов - эти последовательные превращения слагают ряды или семейства. Основными радиоактивными рядами или семействами являются ряды U-238, U-235, Th-232. Они являются материнскими радионуклидами, т.е. родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим: у них период полураспада, т.е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет:

4,5*10⁹; 7,13*10⁸; 1,39*10¹⁰лет

Конечным продуктом (дочерним радионуклидом) превращений урана является нерадиоактивный радиогенный РЬ. Кроме радиоактивных семейств, имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений (K-40,Rb-87,Sm-82 и др.).

Типы распадов:

Родитель Z	N	А
Дочерний Z- 2	N-2	А-4

- Альфа (α) - распад сопровождается испусканием α -частиц (атомов гелия), при этом масса излучающего ядра уменьшается на 4 раза, а заряд на 2. Уменьшение заряда атома на 2 => испускание двух е^- с наружней оболочки атома ( ¹⁴⁷Sm = ¹⁴³Nd + ⁴₂Не)

Родитель Z	N	А
Дочерний Z +1	N-1	А

- Бета (β) распад сопровождается испусканием электронов (β^-) и позитронов (β⁺) энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. Этот распад происходит при +перемещении в ядре нейтронов в протоны и наоборот. Первый из этих процессов приводит к появлению электронов, а второй - позитронов. Каждый из этих процессов сопровождается вылетом нейтральной частицы - нейтрино(v) при β ⁺-распаде и антинейтрино (v^-) при β^- - распаде. . Позитрон - это частица, отличающаяся от электрона знаком заряда, а массы одинаковы (⁴⁰₂₀К = ⁴⁰₂₀Са + β⁺⁺v или еще реакция ¹⁷₉F =¹⁷₈O + β⁺⁺v) при этом образуются изобары.

Родитель Z	N	А
Дочерний Z-1	N+1	А

- Электронный захват, при котором, ядро захватывает с одной из ближайшей к нему оболочек электрон, в результате чего в ядре один протон превращается в нейтрон и из ядра вылетает нейтрино. Наиболее близкой к ядру чаще всего бывает К-оболочка. При этом образуются изобары, которые в периодич. системе размещаются рядом с исходным изотопом, влево от него (⁴⁰₁₉К+е^- = ⁴⁰₁₈Ar+ β^-)

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

Закон радиоактивного распада: каждое радиоактивное ядро распадается не зависимо от других ядер. Среднее число распадов ΔN за малый промежуток времени At будет пропорционально числу имеющихся не распавшихся атомов N и интервалу времени Δt:

ΔN = - λ N Δt,

где λ - постоянная распада, т.е. вероятность распада за ед.времени. Знак минус, т.к. со временем число ядер уменьшается. Переходя к дифференциальному виду и интегрируя по t от 0 до t и по N от N₀ (число радиоактивных атомов при t=0) до N получим:

N = N₀e^-λt => Т_1/2 = lп 2/λ.

При радиоактивном распаде идет уменьшение материнского изотопа и накопление дочернего. Часто бывает так, что дочерний изотоп явл.ся радиоактивным поэтому его кол.во в начальный момент (t = 0) будет = 0. Продолжительность жизни: согласно формуле ΔN = - λ N Δt, число атомов, распадающегося в интервале времени от t до t + dt, равно λ N dt, суммарная же продолжительность их жизни = t λ N dt. Интегрируя это выражение по t от 0 до ∞ получим среднюю продолжительность одного атома τ = 1/ λ.

Единицы измерения: Количество и концентрация долгоживущих элементов (U, Th, К-40) в горной породе определяются их процентным содержанием. Абсолютной единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (1 Бк = 1 расп./с). Единицей удельной радиоактивности в СИ служит беккерель на единицу массы или объема. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг). Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг) и микрорентгенах в час (мкР/ч). Важной характеристикой излучений является энергия, которая представляет собой начальную кинетическую энергию частиц и измеряется в электрон-вольтах (эВ). Нейтроны по энергии разделяют на: холодные (0,001 эВ), тепловые (0,025 эВ), надтепловые (> 0,05 эВ), резонансные (0,5 - 100 эВ), медленные ( < 1 кэВ), промежуточные (1 кэВ - 0,5 МэВ), быстрые (> 0,5 МэВ).

Ядерно-геофизические методы при поиске и разведке месторождений нефти и газа

Нефтяные и газовые залежи формируются из различных литологических разностей пород. Над сводами обычно фиксируется понижение гамма-поля на 20-30% по сравнению с фоном окружающих пород. Таким образом, общий аномальный фон может достигать 70%. Изменение интенсивности над сводом и крыльями структур обуславливается в основном, изменением содержания элементов урано-радиевого ряда. C помощью поверхностной гамма-съемки можно выявлять геологические структуры, перспективные с точки зрения поисков месторождений нефти и газа. Наиболее перспетивно при этом применение гамма-спектрометрии с регистрацией радиевой составляющей гамма-поля.

Наличие тектонических сбросов, разломов и т.п. над площадями сводов приводит к нарушению указанных выше закономерностей – обычно к повышению гамма-поля.

Методы ядерной геофизики весьма широко привлекаются также для изучения нефтяных и газовых скважин с целью решения разнообразных задач.

Достаточно широко методы ядерного каротажа применяются для выявления контактов между нефтяными и водоносными пластами, а также газоносными с одной стороны и нефтеносными и водоносными с другой.

153