3. Гамма-гамма метод та його застосування в геології

Гамма-методи об’єднують групу методів ядерної геофізики, які основані на взаємодії хімічних елементів з гамма-квантами або на реєстрації вторинних гамма-квантів, які виникають при перетворені ядер хімічних елементів. До цієї групи відносяться:.

1. Гамма-гамма-метод (ГГМ), яким досліджуються розсіяне та поглинене гамма-випромінювання джерела. Метод використовується для визначення густини (ГГМ-Г) та ефективного атомного номера порід та руд (селективний метод – ГГМ-С).

ГГМ-Г. Вивчення густини порід і руд цим методом виконують розміщуючи у середовищі або на його поверхні джерела гамма-випромінювання та детектор, який реєструє гамма-поле на невеликих відстанях від джерела (до 5070 см). При деяких умовах поглинання і розсіювання гамма-квантів, які випромінюються джерелом, залежить тільки від густини середовищ, тому вимірювання ослабленого гамма-випромінювання дозволяє визначити густину. За допомогою ГГМ-Г визначають абсолютне значення густини порід і руд в лабораторії, в польових умовах і свердловинах. Точність вимірювань висока (похибка 1 – 3 %). Він використовується в процесі геофізичних досліджень (метод гравірозвідки та сейсморозвідки), при розчленуванні геологічного розрізу та ідентифікації гірських порід, для обрахування запасів корисних копалин, в інженерній геології.

В основі ГГМ-Г – зв’язок між гамма-полем точкового гамма-джерела і густиною середовища. Це поле залежить від властивостей джерела, детектора, геометрії вимірювань, речовинного складу та густини середовища. В конкретних умовах три перших фактори не змінюються, і гамма-поле (І) є функцією речовинного складу (Z) та густини (): .

Якщо склад середовища постійний, то між І і  відмічається однозначний зв’язок. Зокрема, для первинного гамма-випромінювання

,

де - масовий коефіцієнт послаблення первинного гамма-випромінювання;

d – товщина поглинаючого шару;

А - гамма-інтенсивність джерела при відсутності поглинаючого середовища;

І – інтенсивність гамма-випромінювання при наявності поглинаючого середовища.

Але склад порід і руд змінюється в широких межах, тому головне в ГГМ-Г – вибрати такі умови вимірювання, в яких вплив середовища мінімальний, але знайти спосіб урахування впливу речовинного складу у тих випадках, коли усунути цей вплив не вдається.

З трьох елементарних процесів взаємодії гамма-випромінювання з речовинною лише комптон-ефект не залежить від Z середовища. Відповідно, ГГМ-Г необхідно здійснювати в таких умовах, коли переважає комптонівське розсіювання гамма-випромінювання, а саме, в енергетичному інтервалі більше 0,20,3 МеВ.

Оптимальна енергії гамма-випромінювання джерел в ГГМ-Г дорівнює 0,53,0 МеВ. Використовують ізотопи ¹³⁷Cs (E₀=0,66 МеВ), ⁶⁰Со (E₀=1,25 МеВ), рідше ²²⁶Ra, спектр гамма-випромінювання якого лежить в інтервалі 0,351,7 МеВ.

ГГМ-С. Якщо створити умови, при яких основним процесом взаємодії гамма-випромінювання з речовинною є фотоефект, то гамма-поле точкового джерела буде залежати переважно від Z_еф породи або руди. Зокрема, інтенсивність гамма-випромінювання буде суттєво змінюватися при додаванні в породу з малим Z_еф невеликих домішок елементів з великим Z_еф, тому цей метод названий селективним.

ГГМ-С реалізується шляхом спостереження розсіяння і поглинання гамма-випромінювання в області енергії Е<100 кеВ. Створення і використання м’якого гамма-випромінювання можливо двома шляхами: або використанням джерел м’якого гамма-випромінювання (Е₀<200 кеВ) або реєстрацією низькоенергетичної області спектру багатократного розсіяного гамма-випромінювання на достатньо великих відстанях від джерела (47 довжин вільного пробігу первинних гамма-квантів).

Якщо в руді є домішки важких елементів (Z>70), то в спектрі розсіяного гамма-випромінювання буде спостерігатися “провал” (мінімум), відповідний К-стрибку фотоелектричного поглинання. Положення провалу характерно для кожного елементу і може бути використано для визначення важких елементів в рудах. Відмінності між гамма-спектрами залежать тільки від Z_еф руди. Для того, щоб виключити вплив густини і підвищити чутливість вимірювань, запропонована спектральна модифікація ГГМ-С: реєстрація м’якої (E<150-200 кеВ) та жорсткої (E>160 кеВ), складової гамма-поля, з яких перша залежить від Z_еф та густини, а друга - від густини. Відношення / буде залежати тільки від речовинного складу.

РРМ оснований на збудженні електронних оболонок атомів елементів за допомогою гамма-квантів та вивчення вторинного характеристичного випромінювання за допомогою спеціальної радіометричної апаратури.

Задачею методу є оцінка вмісту у породах низки хімічних елементів. Можливість такої оцінки полягає у збудженні вторинного рентгенівського випромінювання, головним чином, від К- або L-електронних оболонок відповідних елементів. У зв’язку з цим, і енергія зовнішнього -випромінювання (Е) провинна забезпечити цю можливість, тобто відповідати Е_Е_к, або Е_L Е_ Е_к. Збуджений К-електрон переходить на більш високий рівень, а його місце практично миттєво заповнює електрон з більш високого рівня. Різниця енергій подібного переходу передається фотону рентгенівського випромінювання. Наявність даного характеристичного випромінювання дає можливість виявляти у досліджуваному об’єкті наявність даного хімічного елементу, а його інтенсивність – вміст цього елементу.

Аналіз здійснюється спеціальними установками, які забезпечують вимірювання об’єктів як у геометрії вимірювання “на проходження”, так і на “відбивання” випромінювання.

Залежність швидкості рахунку від концентрації елементу С має наступний вигляд:

,

де К – коефіцієнт, - масовий коефіцієнт поглинання гамма-випромінювання, m – поверхнева густина речовини проби.

При вимірюванні інтенсивності даного рентгенівського випромінювання (N) одночасно з ним реєструється певна частина перешкоджаючого випромінювання (N_m), яку необхідно враховувати, так як вона обмежує порогову чутливість методу. Визначення вмісту елементу виконується за формулою

,

де  - чутливість вимірювання.

Взагалі гамма-каротаж заснований на вивченні природного гамма-випромінювання порід. Основні ел-ти, що досліджуються : U, Th, К, Ra.

Радіоактивність порід зменшується в ряду : ультракислі, кислі, основні, ультра основні. Що стосується осадових порід, то чим більш дрібнодисперсна порода, тим вона більш радіоактивна. Тому пелітова фракція (<0,001 мм) в глинах вирізняє їх по радіоактивності. Радіоактивність зменшується в ряду глин так: глибоководні тонкодисперсні, прибережні, континентальні.. Серед осадового комплексу мінімально радіоактивні карбонатно-хемогенні породи (гіпси, ангідрити, солі, крам KCl), чисті вапняки і доломіти.

Техніка, мотоди ка вимірювань залежить від датчика, ймовірності радіоактивного розпаду і геометрії середовища. Основне поняття  інтегруючої комірки , сек.; це час, за який накопичується й осереднюється вимірювана величина.. Використ. Датчики газорозрядні (Гегеля-Мюллера), сцинтиляційні. Для якісного запису датчик повинен знаходитися в межах потужності пласта не мене 2 . Як правило,швидкість каротажу не перевищує 400 м/год.

Розрізняють спектральний гамма-метод  реєструє гамма-випромінювання, відповідне по спектру енергії певним хім.. елементам.

Розглянуті особливості зберігабться для ГГМ(ГГК).

ГГК вивчає розсіяне гамма-випромінювання,отримане після опромінення гірської породи джерелом первинних гамма-квантів. Як відомо, первинні гамма-кванти розсіюються в породі в результаті: фотоефекта, комптон-ефекта, ефектна утворення електрон-позитронних пар. В зв’язку з цим розрізняють різновиди ГГМ: рос.  плотностной ГГМ-П (порядковий номер елемента відноситься до атомного Z/A=0,5; використовують здебільшого для цементометрії, вивчення технічного стану свердл.), селективний ГГМ-С (головна залежність від Z, адже дає гамма-кванти <0,5 MeV, тому розбраковує рудні інтервали).

В ГГК-П джеремо є ізотоп Со-62, в ГГК-С ізотоп Cs=137. Методика проведення робіт: швидкість 400 м/год. Запис проводиться в імпульсах/хв або після еталонування в г/куб.см. Масштаб запису в нафтопромисловій геології 1:200, в рудному й вугільному каротажі  1:50.

Визначають пористість через об’ємну щільність: . .

(Якщо треба діаграму, див. конспект по ГДС)

Методи розсіяного гама-випромінювання

Методи розсіяного гама-випромінювання базуються на вимірюванні інтенсивності штучного гама-випромінювання, розсіяного породотворними елементами в процесі їх опромінення потоком гама-квантів.

Існують дві модифікації гама-гама-методу: гама-гама-метод за щільністю та гама-гама-метод за м’якою компонентою (селективний).

Рисунок 7.14 Приклад виділення свинцевого (а) і вольфрамового (б) зруденіння за даними гама-гама методів

Джерело ¹³⁷Cs; 1 – туфобрекчії, 2 – монцоніти, 3 – вкраплення прожилок галеніту (свинцеві руди); 4 – вкрапленність шеєліту (вольфрамові руди).

Гама-гама-метод за щільністю ГГМ-Щ. В ГГМ-Щ гірська порода опромінюється джерелом гама-квантів і реєструється інтенсивність розсіяного гама-випромінювання, яке досягає індикатора випромінювання, розміщеного на деякій віддалі від джерела. Ця віддаль називається довжиною зонда L. Точку реєстрації ГГМ відносять до середини між центрами джерела і детектора. Фільтр із важкого металу (Fe, Pb, W і інші), встановлений між джерелом та індикатором, практично повністю поглинає пряме гама-випромінювання джерела. Тому вимірюване в цьому методі гама-випромінювання майже повністю складається із випромінювання джерела, яке розсіялось на атомах середовища, що оточує джерело.

В модифікації ГГМ-Щ застосовується джерело гама-квантів відносно великої енергії, найчастіше ⁶⁰Co, який випускає кванти з енергією 187,2 і 212,8 фДж.

Покази методу залежать лише від густини породи, яка оточує свердловинний прилад: чим більша щільність середовища, тим меншими є покази ГГМ-Щ.

Розмір зонда переважно 20-40 см. Радіус дослідження складає 10-15 см.

За допомогою ГГМ-Щ проводиться розчленування геологічних розрізів, виділення різних корисних копалин, визначення густини та пористості порід та інші (рис. 7.14).

Гама-гама метод селективний ГГМ-С. У цій модифікації застосовують джерела м’якого гама-випромінювання (менше 48-64 фДж), наприклад, радіоактивний селен-75, ртуть-203 та інші. Детектор при ГГМ-С настроюють на реєстрацію ще більш м’якого гама-випромінювання. Покази ГГМ-С залежать як від розсіювання гама-квантів (отже, від щільності середовища), так і від їх поглинання, яке в основному визначається концентрацією в породі важких елементів, чим більше в породі важких елементів, тим менші покази методу. Розмір зонда при ГГМ-С переважно 10-20 см.

Селективну модифікацію гама-гама методу використовують для виділення порід, збагачених важкими елементами (свинець, ртуть, вольфрам та інші), і кількісної оцінки концентрації останніх (рис. 7.14).

Білет № 13