1. Застосування методів ядерної геофізики при вирішенні задач пошуків рудних родовищ корисних копалин

Під ядерно-фізичними методами (ЯФМ) розвідки розуміють сукупність прямих методів оцінки складу хімічних елементів і фізичних властивостей порід і мінералів на основі використання штучних джерел іонізуючих випромінювань. За своєю суттю та за положенням вони є частиною геофізичних методів розвідки і органічно входять в геологорозвідувальне виробництво.

Великі перспективи ЯФМ мають для оперативного опробування родовищ без відбору проб, а також для дистанційного контролю за вмістом тих або інших елементів при технічній переробці мінеральної сировини, що складає передумови для автоматизації цих процесів.

ЯФМ поділяються на дві основні групи:

• групу гамма-методів, основаних на використанні джерел -випромінювання і випромінювання -полів;

• групу нейтронних методів, в яких вивчають поля нейтронів або зв’язане з нейтронним полем -випромінювання. В цій групі використовуються джерела нейтронів.

• Наведені вище ядерно-фізичні методи з успіхом застосовуються не тільки у науково-дослідних, лабораторно-аналітичних і каротажних дослідженнях але і в практиці польових пошукових робіт, особливо при пошуках геохімічних аномалій, ореолів і потоків розсіювання рудних родовищ, зокрема – рідкіснометалевих. До цих методів відносяться: нейтронно-активаційний, фотонейтронний, нейтронно-абсорбційний, рентгенорадіометричний методи.

• Нейтронно-активаційний фторометричний метод пошуків заснований на використанні реакції нейтронів з енергією 36 МеВ з ядрами ¹⁹F, в наслідок якої утворюється ізотоп ¹⁶N: ¹⁶F(n,)¹⁶N. Перетин цієї реакції 0,15 барна. Ізотоп ¹⁶N випромінює гамма-кванти з енергією 6,14 МеВ із періодом напіврозпаду 7,3 с і перетворюється у стабільний ізотоп ¹⁶О. Індикація фтору здійснюється завдяки реєстрації гамма-квантів з наведеною енергією.

• Фтор є індикаторним елементом багатьох цінних металів, завдяки створенню з ними з’єднань. Його активність проявляється, перш за все, завдяки високій окислювальній здатності. Крім того, іони фтору здатні заміщувати іони гідроксила в кристалічних гратках багатьох мінералів. Важливим також є його здатність до утворення комплексних сполук у цілому ряді природних процесів. Це стосується халькофільних (Сu, Zn, Hg, і ін), а також рідкісних елементів (Zr, Nb, Ta, Mo, W, U, рідкісні землі). Характерна значна стійкість багатьох комплексних з’єднань фтору в розчинах, в умовах високих температур (гідротерми, магматичні утворення). Все це створює сприятливі умови для створення навколо рудопроявів багатьох родовищ корисних копалин ореолів розсіювання фтору і інших рудоутворюючих елементів.

• Пошукові роботи методом нейтронно-активаційних вимірювань здійснюються за точковими замірам. На кожній точці спочатку вимірюється фонове значення гамма-поля (І_ф). Потім до земної поверхні прикладається джерело нейтронів (полоній-берілієве з активністю 510 Ки) і проводиться активація породи протягом 30 с. Потім джерело забирають і проводиться вимір активності І_а=І–І_ф протягом 15 с польовим гамма-спектрометром типа СП-3 або СП-4. Вміст фтору за даними вимірів пропорційний І_а і визначається з наслідків еталонування . В межах 0,055 % між вмістом F і І_а існує лінійна залежність. Таким чином, на кожній точці виконується наступна послідовність операцій: 30 с – опромінювання, 5 с – пауза, 15 с – вимір. Проводять 2-3 заміри. Поріг чутливості дорівнює 0,05 % F, тобто нижче кларку (0,066 %).

• Польова нейтронно-активаційна фторометрія може застосовуватися для оцінки перспектив і розбраковки гравітаційних і електрометричних аномалій.

• Фотонейтронні берилометричні пошуки. Берилій, як і фтор, є індикаторним елементом для значної кількості, головним чином, рідкіснометалевих корисних копалин, до того ж, він і сам є цінною сировиною. Його концентрація пов’язана з пізніми стадіями магматичної диференціації і з постмагматичними процесами. Найбільш високі його концентрації характерні для родовищ пегматитового типу. Крім того, до промислових відносяться також деякі метасоматичні і гідротермальні родовища. При цьому для кожного генетичного типу родовищ характерні специфічні асоціації з різними хімічними елементами. Так, для пегматитів - з Li, Cs, Nb, Ta, U, Th, Zr, з рідкіснометалевими елементами, в грейзенах – з W, Sn, в скарнах – з Mo, W, Cu, Zn, Pb. Ці елементи, як і берилій, створюють навколо родовищ значні ореоли розсіювання, що дозволяє використовувати їх, як індикатори глибокозалягаючих родовищ. Особливо це стосується берилія. Можливість його індикації на рівні нижчекларкового вмісту за допомогою ядерно-фізичного метода заснована, по-перше, на його моноізотопному характері (⁹Ве), а по-друге, на пороговій енергії зв’язку одного з нейтронів з ядром (1,67 МеВ). Завдяки цьому, під дією гамма-квантів з енергією вище порогової відбувається розщеплення ядра ⁹Ве із випромінюванням нейтрона (фотонейтронна реакція, або ядерний фотоефект). Енергія цих нейтронів 0,02 МеВ. Їх кількість прямо пропорційна щільності потоку гамма-квантів і вмісту берилію у породі чи мінералі N_n=KС_ве, де К – коефіцієнт, який визначається експериментально, як кількість імпульсів, що реєструються за 1 хв. від вмісту Ве в 1 %.

• Джерелом гамма-квантів слугує ¹²⁴Sb, датчиком – реєстратор нейтронів. Поріг чутливості біля 0,001 %. Існують польові, лабораторні, автомобільні, свердловинні берилометри.

• Рентгенорадіометричний метод. Метод набув досить широкого поширення при пошукових і розвідочних роботах завдяки можливості здійснювати експресне вивчення широкого кола хімічних елементів безпосередньо в умовах природного залягання порід і руд.

• Він заснований на збудженні і вимірі флюорисцентного рентгенівського випромінювання К-або L-ліній хімічних елементів в наслідок фотопоглинання ними гама-квантів радіоізотопних джерел з енергією, як правило, меншою 150200 кеВ, тобто в енергетичних межах фотоефекта (рис. 5.11).

• При взаємодії з гама-квантами атом втрачає свої К- чи L-електорони, що приводить до іонізації цих електронних орбіт. Майже миттєво ці звільнені орбіти заповнюються електронами з більш віддалених від ядра орбіт. При цьому надлишок енергії цього переходу звільняється у вигляді квантованого характеристичного рентгенівського випромінювання. Енергія цих квантованих станів (серій) виключно специфічна для кожного елемента. Якщо їх вивчати за допомогою -спектрометра, то можливо мати уяву про речовинний (елементний) стан об’єкта, який вивчається. Зараз створена портативна високочутлива рентгенівська кристал-дифракційна спектрометрична апаратура типа СПАРК, 12- канальний РКР-2, УДД і ін.

• Рисунок 5.11 - Блок-схема вимірювання при рентгенорадіометричному аналізі

• 1 – -випромінювання; 2 – приймач-аналізатор; 3 – сцинтиляційний спектрометр; 4 – вторинне характеристичне випромінювання; 5 – проба; 6 - свинцевий екран; Д – джерело збудження