книги из ГПНТБ / Викторов Г.Г. Мюонный метод определения плотности горных пород

При работе аппаратуры на четырехкратных совпадениях по­ ток остается постоянным вплоть до точки 9, где даже вели­ чина трехкратных совпадений увеличивается в несколько раз по сравнению с нормальным значением (точка 1).

Установленная экспериментальная зависимость между величиной «-кратных совпадений и радиоактивным фоном горных пород обусловлена главным образом увеличением

лентно изменению относительного вклада случайных совпа­ дений в результате увеличения глубины наблюдения для од­ ной и той же геометрии детектора.

На основании приведенных фактических данных появ­ ляется возможность оценить максимальные глубины наблю­ дения для данного типа совпадений, на которых относитель­ ный вклад случайных совпадений достаточно мал (не более 2—3%) по сравнению с потоком мюонов. Для этого доста­ точно сравнить количество случайных совпадений, получен­ ное на точках, характеризующихся различной величиной ра­ диоактивного фона, с фактически зарегистрированным пото­ ком, который не более чем на ±10% отличается от потока мюонов в точке с нормальным фоном радиоактивности. В частности, величина Л^3СЛ для точки 1 равна 3,26-10 5 им-

пульс/сек, а для 4—1,5-10—4 импульс/сек [см. формулу (3.11)], что составляет около 2% общего количества трехкратных совпадений в этой точке и в 4,5 раза больше, чем в точке 1. Иными словами, при уменьшении скорости счета мюонов в 4,5 раза относительный вклад случайных совпадений от нор­ мального радиоактивного фона составляет около 2%. Учиты­

ний, для которой целесообразно еще использовать схемы трех­ кратных совпадений. По кривой вертикального хода плотнос­ ти потока мюонов эта глубина составляет около 1000 м в. э.

Аналогичные расчеты величины N** были проведены для

точек 1 и 9 в предположении, что Мф в точке 9 на порядок превосходит нормальный радиоактивный фон. Оказалось, что

но, количество случайных совпадений увеличилось на 4 по­ рядка, но и в этом случае не превышает 3% общего потока, полученного на точке 9. Следовательно, при уменьшении ве­ личины потока мюонов примерно в ІО4 раз величина при

нормальном радиоактивном фоне не превышает 3%. Этот факт позволяет сделать вывод, что с телескопами на четы­ рехкратных совпадениях можно проводить регистрацию по-

N, иипульс/мин

Номера точек

Рис. 4.8. Определение плотности пород повы­ шенной радиоактивности шахтным телескопом НИКЛ-1Б:

тока мюонов с точностью ± (5-f-lO) % без введения поправки на случайные совпадения вплоть до глубины 6000—7000 мв.э.

Результаты определения плотности пород повышенной ра­ диоактивности, полученные со скважинной установкой типа НИКЛ-2, показаны на рис. 4.9.

Скважина 3

Рис. 4.9. Определение плотности пород повышенной радиоак­ тивности скважинной установкой ИИКЛ-2:

1 — послойная денситограмма; 2 — кривая гамма-каротажа.

Ч

Верхняя часть разреза по скважине представлена рыхлы­ ми отложениями, состоящими из обломков гравелита с пес­ чаным и глинистым заполнителями. Далее следуют трещино­ ватые гравелиты, переходящие затем в монолитные граве-

литы. Радиоактивность' пород колеблется от 5 до 3000 мкр/ч, т. е. превышает нормальный уровень более чем в 100 раз.

Плотность рыхлых пород по данным мюонного метода оказалась равной 2,00 г)см3 (слон 8—30 м), а плотность мо­ нолитных гравелитов — 2,39 г/см3.

4.4. Комплексные измерения плотности горных пород в естественном залегании

Как было указано выше, плотность пород в естественном залегании можно определить тремя методами: гамма-гамма- плотностным, мюонным, и гравитационным. При комплекс­ ном применении этих методов, естественно, возникает необ­ ходимость сопоставить полученные различными методами данные. Зачастую один пз методов берегся в качестве основ­ ного (причем выбор определяется субъективной склонностью исследователя), н данные других методов сопоставляют с ре­ зультатами, полученными основным методом. Наблюдаю­ щиеся расхождения обычно объясняют недостатками других методов, погрешностью наблюдений и т. и.

Чтобы внести ясность в вопрос сопоставления результатов определения плотности гамма-гамма-плотпостным, мюонным и гравитационным методами, необходимо прежде всего рас­ смотреть два основных вопроса. Первый из них связан с оценкой радиуса действия каждого метода пли величиной объема пород, для которого тот или иной метод дает какую-то кажущуюся плотность. Во-вторых, следует установить, как будет меняться величина кажущейся плотности при измене­ нии местоположения плотностной неоднородности в пределах радиуса действия метода.

Радиус действия гамма-гамма-плотностного метода опре­ деляется длиной используемого зонда и обычно не превышает 0,3—0,5 м. Более детальный анализ изменения этого радиуса в данном конкретном случае не имеет смысла, так как даль­ нодействие двух других методов на один-два порядка превы­ шает эту величину.

В мюонном методе радиус действия определяется ради­ усом основания конуса, вершина которого расположена в подошве исследуемого пласта. В случае использования гло­ бальных детекторов космических мюонов, таких, как череп­ ковский счетчик в скважинной установке ППКЛ-2, половина угла при вершине конуса принимается обычно равной 70°, так как вклад мюонов, приходящих под зенитным углом бо­ лее 70°, составляет менее 5%.

Расчет приращения силы тяжести для цилиндра с изме­ няющимся радиусом показывает, что при постоянной высоте цилиндра расстояние, на котором дополнительное увеличение его массы практически не изменяет величину силы тяжести.

измеряемую на оси цилиндра, составляет около 10 /г, где h — высота цилиндра, пли мощность пласта. Таким образом, ра­ диус действия гравитационного метода является наибольшим

исоставляет десятикратную мощность исследуемого пласта.

Сувеличением мощности пласта увеличиваются абсолют­

ные радиусы действия мюонного и гравитационного методов,

меров Дер и эффективной плотности Сэфф. Плотность вмещающих пород принята равной 2,0 г/см3:

метода остается постоянным.

Обобщенные данные о дальнодействии каждого из методов показаны на рис. 4.10 и 4.11. Ясно, что все лабораторные ме­ тоды определения плотности имеют радиус действия, равный примерно дальнодействию гамма-гамма-плотностного метода.

Теперь рассмотрим, как меняется величина кажущейся плотности в зависимости от положения плотностной неодно­ родности относительно оси скважины или ее расстояния от

однородных пород только в том случае, если неоднородность расположена не далее чем 2,5 h от оси скважины (см.

ная неоднородность н принимается за реальную, так как ееыестоположение, размеры и эффективная плотность таковы, что создают соответствующие величины о“ и о«.

Возможны и качественные оценки расстояния до неодно­ родности на основе комплексной интерпретации данных гам- ма-гамма-плотностного, гравитационного и мюонного мето­ дов. Для всех случаев, когда расстояние до передней кромки неоднородности превышает 0,5 м, гамма-гамма-метод дает

стоянии R > 2,5 /?.

Определенные перспективы открываются также при ком­ плексном использовании подземной гравпразведки и мюон­ ного метода в шахтном варианте. Известно, что получение информации по гравитационным данным о строении нижеле­ жащей толщи возможно лишь при тщательном учете выше­ лежащих плотностных неоднородностей. Вычисление соот­ ветствующих поправок на основании обычно приблизительных сведений о размерах и распределенйи вышележащих неодно­ родностей не всегда дает желаемые результаты. Использова­ ние же мюонного метода, позволяющего получить необхо­ димую в данном случае именно кажущуюся плотность для ограниченного объема горных пород, может существенно рас­ ширить возможность подземной гравиразведки.

разнообразных задач. Геологическая эффективность этого ме­ тода была проиллюстрирована в настоящей главе, поэтому ниже рассмотрена только экономическая эффективность ис­ пользования космических мюонов для определения плотности пород.

Приведем пример расчета экономической эффективности мюонного метода при определении плотности ледниково-мо­ ренных отложений на площадках «мезонная ■фабрика» и «нейтринный генератор». Плотность указанных отложений определяли в восьми скважинах, глубина которых в среднем составляла 20 м.

Стоимость определения плотности мюонным методом в этих условиях складывается из стоимости проходки скважи­ ны и затрат на их исследование. Затраты на проходку одной

зических исследований в одной скважине составляет 200 руб. (определяется трудовыми затратами, полученными на осно­ вании опытных работ). Таким образом, стоимость определе­ ния плотности в восьми скважинах мюонным методом сос­ тавляет (200 + 200 руб.)Х8 = 3200 руб.

Определение плотности ледниково-моренных отложений лабораторными методами с достаточной достоверностью можно производить лишь в шурфах. Стоимость определения плотности грунтов ниженерно-геологическимн методами скла­ дывается из проходки шурфа (102 руб.х20 = 2040 руб., Спра­

ределение плотности лабораторными способами в восьми шур­

метода заключается не только в экономии денежных средств, но и в том, что его использование позволяет получать важную информацию о средней плотности пород для относительно больших объемов. Так, при исследовании основания под уни­ кальное сооружение (см. §4.2) для определения плотности галечников мюонным методом было пробурено 35 скважин глубиной до 10 м. При глубине регистрации 10 м объем гор-, ных пород, для которых определяется плотность, составляет ■около 3000 лг3 [см. формулу (3.18)]. Следовательно, объем галечников, для которых была определена средняя плотность, составляет 3000x35=105 000 м3.

Чтобы определить плотность галечников в таком же объе­ ме экскавационным методом (единственно возможным в этих условиях (необходимо пройти 2625 шурфов сечением 2X2 л и глубиной около 10 м общей стоимостью около 3 млн. руб. (в то время как затраты на бурение 35 скважин составляет около 9 тыс. руб.). Естественно, что такие затраты только для оценки одного физического параметра горных пород бу­ дут слишком велики, и количество шурфов будет сокращено.

З А К Л ЮЧ Е Н И Е

Мюонный метод определения плотности горных пород, являющийся одной из модификаций метода подземной реги­ страции космического излучения, получил свое развитие лишь в последние десять лет. За это время разработаны физичес­ кие основы метода, методика проведения работ и приемы ин­ терпретации, а также аппаратура, позволяющая проводить регистрацию мюонной компоненты космического излучения в горных выработках (шахтах) и скважинах.

Проведенные многочисленные экспериментальные работы показывают высокую геолого-экономическую эффективность этого метода при решении многих геолого-геофизических п инженерно-геологических задач.

Для дальнейшего развития метода необходимо создание шахтной аппаратуры, позволяющей регистрировать потоки мюонов не только в широких углах, но и приходящих в де­ тектор в достаточно малых телесных углах из различных на­ правлений (годоскопические системы). Применение годоско­ пических установок позволит более дифференцированно оп­ ределять плотность горных пород и достаточно просто произ­ водить учет влияния рельефа местности.

В области развития скважинного варианта метода важна разработка скважинного зонда меньшего диаметра, но с эф­ фективной площадью детектора, не менее чем в скважинной аппаратуре типа ИИКЛ-2.

Проведение комплексных исследований гамма-гамма-плот- ностным, мюонным и гравитационным методами позволит наиболее полно решать задачи определения физических свойств горных пород в естественном залегании.