§ 47. Селективный гамма-гамма-метод

При ГГМ-С применяется радиометр, аналогичны»! рассмот­ренным выше. Он отличается лишь тем, что при исследовании глубоких скважин используется гильза из алюминия, а при ра­боте на малых глубинах —из плексигласа. Кроме того, в ГГМ-С применяются источники мягкого гамма-излучения — радиоак­тивные изотопы ⁷⁵5е, ^|70Тш, ¹¹³$п, ^|23Те, ^|33Ва, ²⁰³Н£, ^1а7Св.

В общем случае зависимость между интенсивностью рас­сеянного мягкого гамма-излучения и эффективным порядковым номером ¿а* среды отличается от линейной. Однако для руд определенного вещественного состава и энергии облучаемых гамма-квантов можно подобрать также источники мягкого гам­ма-излучения, которые обеспечивают максимальную чувстви­тельность метода и линейность зависимости /уу=/(2эф). Так, при изучении железных руд, хромитов и сульфидных руд с не­большим Z_дф (пирит, халькопирит) целесообразно использовать источники ¹⁷⁰Тш и ¹²³Те, при изучении бедных свинцовых и ртут­ных руд — ⁷⁵$е, а богатых руд—¹³⁷С$.

От влияния плотности исследуемой среды на показания ГГМ-С можно избавиться следующим образом. Надо подобрать зонды таких размеров, при которых на регистрируемую интен­сивность рассеянного гамма-излучения не влияет плотность среды. Обычно это зонды малой длины, обладающие небольшой глубинностью исследования. Однако при их использовании на результаты ГГМ-С сильно влияют скважинные условия.

При разведке руд тяжелых металлов влияние плотности среды можно уменьшить путем одновременного применения двух зондов. Так как при малых зондах зависимость между ин­тенсивностью рассеянного гамма-излучения и плотностью среды прямая, а при больших размерах зондов — обратная, то двой­ные зонды позволяют взаимно скомпенсировать изменение плот­ности пород, т. е. интенсивность рассеянного гамма-излучения будет определяться содержанием тяжелых элементов в породе.

Мощность источников в ГГМ-С выбирают такой, чтобы ано­малии против полезного ископаемого имели амплитуды не ме­нее 4—5 см, а скорость счета в канале при выбранных разме­рах зондов не превышала максимально допустимую для дан­ного типа аппаратуры. Градуирование аппаратуры ГГМ-С производится на моделях пластов с известным содержанием искомого элемента. Выбор скорости перемещения прибора и по­стоянной времени интегратора производится гак же, как и в ГМ.

Селективный метод рассеянного гамма-излучения применя­ется для выделения скоплений тяжелых элементов в породах и рудах, слабо различающихся но плотности.

Наиболее благоприятные результаты ГГМ-С дает при иссле­довании однокомпонентных руд тяжелых металлов (свинца, ртути, сурьмы, железа). На кривых участки скопления этих элементов отмечаются резко пониженными значениями регист­рируемого параметра. Руды сложного состава расчленить на отдельные компоненты по данным ГГМ-С невозможно, но зато они позволяют выделять зоны оруденения, которым соответ­ствуют минимальные показания I

Хорошие результаты получают также при изучении ГГМ-С разрезов скважин угольных месторождений. Поскольку вме­щающие породы угольных пластов имеют практически постоян­ный эффективный порядковый номер (¿эф^в 12-5-13), то кривая ГГМ-С не позволяет дифференцировать их на отдельные лито- логическне разности, но дает возможность уверенно выделять но максимальным значениям 1_Уу угольные пласты (2^, = 7) и углистые породы, четко отражая пх строение (рис. 99). При применении ГГМ-С в комплексе с электрическими методами ис­следования скважин и кавернометрией можно однозначно выде­лять угольные пласты, определять их мощность, строение, глу­бины залегания и зольность А^с.

К ак указывалось выше, в рудах сложного состава по дан­ным ГГМ-С не удается однозначно выделить отдельные компо­ненты. В этом случае применяют спектральный селективный

Рис. 99. Выделение углей и определение их зональности ГМ и ГГМ-С.

о —график связи величины Д/_уу с зональностью углей /1^е; б — пример интерпретации диаграммы ГГМ-С. /— сланец песчано-глинистый; 2 — уголь; 3 — высокозольный уголь; 4 - • глнинсто-пссчанпя порода с растительными остатками; 5—аномалия /уу протни угольных пластов

гамма-гамма-метод (ГГМ-СС), основанный на исследовании энергии рассеянных гамма-квантов.

Если энергия гамма-квантов соизмерима с энергией £_к связи электрона с ядром на оболочке К, то гамма-кванты испытывают максимум поглощения (так называемый К-скачок или «про­вал»). Определяя по дифференциальным спектрам рассеянного гамма-излучения положение этих «провалов», можно установить наличие в породе того или иного тяжелого элемента. Так, наи­более четко по спектрам рассеянного гамма-излучения устанав­ливается присутствие в горных породах свинца, энергия связи К-электронов которого (87,6 кэВ) существенно выше, чем у дру­гих тяжелых элементов.

§ 48. РЕНТГЕНОРЛДИОАКТИ ВНЫЙ Л\ЕТОД

Рентгенорадиоактивный метод (РРМ) основан на измере­нии характеристического рентгеновского излучения /_7Р, возни­кающего при взаимодействии возбуждающего мягкого гамма- излучения с электронами глубоких орбит атомов элементов гор­ной породы. Это взаимодействие состоит в фотоэлектрическом поглощении гамма-квантов возбуждающего гамма-излучения электронами какой-либо оболочки, в результате чего электроны покидают атом, и он оказывается в возбужденном состоянии (см. § 37).

Возвращение атома в стабильное состояние происходит прак­тически мгновенно (примерно 10~⁷—10^-|в с) путем каскада раз­личных переходов, в процессе которых ионизированные элек­тронные оболочки восполняются, а избыток энергии уносится из атома либо фотонами, либо вторичными фотоэлектронами. Возникающие таким образом фотоны образуют характеристи­ческое рентгеновское излучение. Например, если в результате фотопоглощения удален электрон с К-оболочки атома, то за­полнение вакансии может происходить с оболочек Ь, М, N и других, соответственно которым будут испускаться фотоны ха­рактеристического рентгеновского излучения разных энергий: /IV! = £к—или Н\2=Ек—£м, или ¿Vз = £к—£\- и т. д. (Л — постоянная Планка, V — частота рентгеновского излучения). Та­ким образом, при фотопоглощении одного гамма-кванта элек­троном 1-й оболочки могут испускаться фотоны характеристи­ческого излучения разных энергий, поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет сложный линейный спектр, со­вокупность линий которого образует /-серию характеристиче­ского спектра. Каждый элемент имеет спектр характеристиче­ского излучения, который приурочен к энергии соответствую­щего скачка поглощения в зависимости =/(£_у) (см. § 37).

Выбор источника гамма-квантов определенной энергии дик­туется необходимостью получить максимальный выход характе­ристического излучения от анализируемого элемента. Так, для получения достаточной интенсивности К-линпн характеристичс- ского излучения искомого элемента необходимо, чтобы возбуж­дающее гамма-излучение имело энергию гамма-квантов Е_у в пределах 1,1 £к<£«у<3,3£к, так как гамма-кванты с энер­гией меньше 1,1 £к не возбуждают характеристического излуче­ния, а с энергией больше 3,3 Як создают высокий мешающий фон вследствие комитоновского рассеяния первичного гамма- излучения.

В качестве источников возбуждающего гамма-излучения ис­пользуют изотопы ¹⁷⁰Тт, ^и7Рт, ²⁰⁴Те, ⁷⁵$е, ²⁴¹ Атп, ¹⁰⁹Сс1, ⁵⁷Со и др. Энергия их гамма-излучения измеряется десятками кило­электронвольт. Например, ^,70Тт испускает гамма-кванты энер­гий 52 н 84 кэВ и бета-излучение энергией 0,884 и 0,968 МэВ.

Анализ спектров характеристического излучения проводится гамма-спектрометрамн с высокой разрешающей способностью.

Порог чувствительности рентгенорадиометрического метода во многом определяется соотношением уровней исследуемого характеристического излучения и фона. Мешающий фон состоит из характеристического излучения других элементов, гамма-из­лучения, рассеянного породой, скважиной и деталями измери­тельного прибора, а также из тормозного излучения, возникаю­щего под действием бета-частиц, испускаемых источником вместе с гамма-лучами. При конструировании измерительных установок величину этого фона стремятся максимально снизить. Так, для уменьшения влияния указанных факторов на показа­ния метода скважинный прибор имеет прижимное устройство и плексигласовые окна в его гильзе против коллимационных кана­лов. Коллимация пучков первичных и регистрируемых фотонов происходит под углом 90°, при котором вероятность рассеяния гамма-квантов минимальна.

Глубинность исследований рентгенорадиометрического ме­тода зависит от плотности и вещественного состава исследуемой среды, энергии первичного и вторичного излучений, геометриче­ских условий измерений. С достаточной для практики точно­стью можно считать, что глубинность метода определяется дли­ной свободного пробега первичных и вторичных квантов в ис­следуемой среде.

Глубинность исследования снижается с увеличением концен­трации определяемого элемента или эффективного атомного но­мера наполнителя, а также при уменьшении энергии первич­ного и вторичного излучений. С уменьшением атомного номера определяемого элемента понижается н энергия его характери­стических линий, поэтому чем меньше атомный номер опреде­ляемого элемента, тем меньше глубинность исследования. Так, при 7. = 40-г-60 по К-серии глубинность составляет всего 1 — 5 мм. При определении свинца, вольфрама, ртути и других эле­ментов с £>60 по К-серин глубинность исследований достигает 10—20 мм. При использовании Ь-серии этих элементов или при определении элементов с 2<40 по К-серии глубинность не пре­вышает 1 мм, поэтому при рентгенорадиометрическом исследо-

Рис. 100. Пример выделения олова по данным рентгенометрии сква­жин.

/ — кривая отношения скоростей счета в каналах 30 и 40 кэВ; // — кривая ин­тегрального счета, / — скопление оловян­ной руды; 2 — скопления тяжелых эле­ментов

вании поверхность скважин должна быть чистой, отмытой от пыли и грязи.

Градуирование аппаратуры РРМ производят в эталонных скважинах. В процессе опыт­но-методических работ на ме­сторождении подбирают сква­жины, пересекающие наиболее типичные рудные зоны и тела, тщательно исследованные по керну. Результаты рснтгено- радиометрнческнх исследова­ний эталонных скважин тща­тельно увязывают с керно- выми данными в пределах характерных геофизических аномалий и строят градуиро­вочные графики. Построенный таким способом градуировочный график автоматически учи­тывает влияние текстурно-структурных особенностей руд место­рождения на результаты измерений РРМ и может быть исполь­зован в дальнейшем для количественной интерпретации мате­риалов рентгенорадиомстрического метода.

Наиболее широкое применение РРМ находит при лаборатор­ных определениях и оценке содержания металлов в пробах гор­ных пород и рудных скоплений. Однако этот метод успешно ис­пользуется при исследовании рудных скважин на олово, медь, вольфрам, мышьяк, свинец, цинк, молибден, сурьму и ртуть по К-серии их характеристического излучения при подборе соот­ветствующих источников возбуждающего мягкого гамма-излу­чения (рис. 100). Нанлучшис результаты получают при регист­рации кривой отношения скоростей счета в двух каналах спек­трометра, например для олова 30 и 40 кэВ.