1) Слаборадиоактивные кварц, калиевые полевые шпаты,

(салические минералы) плагиоклаз, нефелин

2) Нормальная и биотит,

слабо повышенная амфиболы,

активность (меланократовые пироксены

минералы)

1. Повышенно радио- апатит, эвдиалит,

активные (акцессорные и флюорит, ильменит,

рудные минералы) магнетит и др.

4) Высокорадиоактивные сфен, ортит, монацит,

(более редкие акцессорные циркон, лопарит и др.

минералы)

Тенденция изменения естественной γ – активности у минералов групп различной литологической принадлежности показана на рис. 100.

Рис. 100. Тенденция изменения естественной γ – активности у минералов групп различной литологической принадлежности

Жидкая фаза

Нефть и дисцилированная вода не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Газовая фаза

Воздух и горючие природные газы (метан, пропан, бутан и др.) не радиоактивны. Это не относится к радиоактивным эманациям, которыми являются радон, торон и актинон и продукты их распада.

Радиоактивность магматических пород

Радиоактивность магматических пород, в основном, связана с присутствием акцессорных уран- и торий содержащих минералов. Она от части вызывается собственно урановыми и ториевыми и лишь в небольшой степени обычными породообразующими минералами. Калий (К) и кварц (SiO₂) так же как U и Th концентрируются в конечных продуктах магматической дифференциации, что приводит к повышению γ – активности с их ростом.

Радиоактивность интрузивных и эффузивных пород известково-щелочной серии возрастает от ультраосновных пород к основным, средним и далее к кислым пропорционально увеличению содержания в них кремнезема и калия (рис. 101).

Рис. 101. Изменение естественной радиоактивности в щелочноземельном ряду магматических пород

eU –урановый эквивалент

б) Интрузивные и эффузивные породы с повышенной щелочностью отличаются более значительной радиоактивностью, чем близкие по кислотности породы известково-щелочной серии. Максимальные концентрации радиоактивных элементов приурочиваются к краевым частям крупных интрузивных тел.

eU изменяется от 3 – 9 до 20 – 30%.

Радиоактивность метаморфических пород

Метаморфические породы в среднем имеют радиоактивность близкую к магматическим породам среднего, основного и ультраосновного составов (eU=2 – 10%). В амфиболитовой стадии eU увеличивается до 15–16%. Неодинаковая радиоактивность объясняется различием первоначального химического состава. Чем больше степень метаморфизма массивов, тем меньше средняя концентрация в них урана и тория. В частности, для гнейсов и кристаллических сланцев наблюдается уменьшение содержания урана и тория с ростом метаморфизма. Влияние метаморфизма на концентрацию урана и тория можно проследить от эпидот-амфиболитовой до гранулитовой стадий (рис. 102).

Рис. 102. Изменение естественной радиоактивности в зависимости от степени метаморфизма пород

Радиоактивность осадочных пород

Естественная радиоактивность (J_γ) осадочных пород изменяется в широких пределах и связана с наличием в их составе уран- и торий содержащих минералов, а также адсорбированных радиоактивных элементов.

По степени радиоактивности их можно разделить на 3 группы:

Низкая радиоактивность: кварцевые пески, известняки, доломиты,

каменная соль, ангидриты, гипсы,

угли, нефтенасыщенные породы.

Повышенная радиоактивность: глинистые разности, всех

терригенных пород.

Высокая радиоактивность: каменные соли, моницитовые и

ортитовые пески, глубоководные и

красные глины.

Содержание U, Th, К зависит от условий образования пород, в частности, наблюдается зависимость γ- активности от глинистости (рис. 103).

Рис. 103. Зависимость естественной радиоактивности от глинистости осадочных пород

Нейтронные свойства пород

Среди горных пород по воздействию на них нейтронов можно выделить 3 крупные группы: 1) породы высокого водородосодержания, 2) резонансные замедлители, 3) тяжелые замедлители. Основную роль в формировании нейтронных свойств горных пород играют: 1) водород и породообразующие минералы различных классов; 2) содержание химически связанной воды. Показателями нейтронных свойств являются время жизни (τ) и длина замедления (L_s). Эти показатели между собой имеют линейную связь: чем больше τ тем больше L_s.

Твердая фаза

Тенденция изменения длины замедления быстрых и времени жизни тепловых нейтронов у минералов групп различной литологической принадлежности приведена на рис. 104.

Рис. 104. Тенденция изменения длины замедления быстрых и времени жизни тепловых нейтронов у минералов групп различной литологической принадлежности

Жидкая фаза:

В воде и дегазированной нефти, ввиду высокого содержания в них водорода, происходит интенсивное замедление быстрых и диффузия тепловых нейтронов. При этом наличие солей, особенно хлорсодержащих, существенно изменяет время жизни тепловых нейтронов.

Газовая фаза

Природные газы, являющиеся смесью углеводородов, являются сильными поглотителями нейтронов. Эти процессы усиливаются при высоких давлениях, так как повышается водородосодержание.

Кристаллические породы

Кристаллические породы относятся к разряду слабых замедлителей и поэтому время жизни в них нейтронов достаточно велико. У магматических пород в ряду от кислых к ультраосновным и у метаморфических по мере роста метаморфизма имеет место слабо выраженная тенденция увеличения показателей L_s и τ, что связано с незначительным уменьшением пористости в этих направлениях (рис. 105).

Рис. 105. Тенденция изменения нейтронных свойств у кристаллических пород

Магматические породы Стадии метаморфизма

I – кислые I - зеленосланцевые

II – средние II - амфиболитовые

III – основные III - гранулитовые

IV – ультраосновные IV – эклогитовые

Осадочные породы

Cамым сильным замедлителем нейтронов в осадочных горных породах является водород и второстепенное значение имеют глинистые и совсем незначительное карбонатные и силикатные минералы. Для одноименных стадий в зависимости от вещественно-петрографического (литологического) состава тенденция изменения показателей τ и L_s для основных групп пород следующая (рис. 106).

Рис. 106. Тенденция изменения нейтронных показателей для групп осадочных пород различной литологической принадлежности при их одноименной степени их преобразования

Для пород одноименного состава тенденция изменения τ и L_s в зависимости от стадий преобразования (окаменения) этих пород определяется изменением показателей пористости и глинистости (рис. 107).

Рис. 107. Тенденция изменения τ и L_s в зависимости от стадий преобразования (окаменения) терригенных пород

Наличие газа и нефти в поровом пространстве породы увеличивает время жизни нейтронов по сравнению с водоносным пластом (рис. 108).

Рис. 108. Среднее время жизни нейтронов в водо- и нефтегазонасыщенных пластах

Чистые кварцевые песчаники и доломиты характеризуются наибольшими значениями τ. Ангидриты, гипсы и глинистые породы имеют минимальные значения τ. Уменьшает τ бор, а также K, Mn, Na, Fe и другие элементы. В качестве примера на рис. 109 показана зависимость изменения τ от алюминиево-кремнистого модуля (Al/Si).

Рис. 109 Тенденция изменения времени жизни тепловых нейтронов (τ) от алюминиево-кремнистого модуля (Al/Si) в терригенных породах

Взаимозависимости показателей τ и L_s для различных литологических разностей и при неодинаковом содержании хлора в поровой воде приведены на рис. 110.

Рис. 110. Взаимозависимости показателей τ и L_s для различных литологических разностей (а) и при неодинаковом содержании хлора в поровой воде (б)

Аппаратура для ядерно-геофизических исследований

В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы (рис. 111).

Рис. 111. Схемы чувствительных элементов (детекторов) для приборов, используемых при ядерно-геофизических наблюдениях:

1 — ионизационная камера; 2 — счетчик Гейгера — Мюллера; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — шинтилляционный счетчик; 5 — термолюминесцентный кристалл; СЦ— сцинтиллятор; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель

Приборы для ядерно-геофизических исследований кроме чувствительных элементов содержат усилители тока, индикаторы (для визуального отсчета), регистраторы (для автоматической записи) интенсивности либо естественного (J_γ) гамма-излучения, либо концентрации эманации радона, либо искусственно вызванных излучений (J_γγ). Для определения энергетического спектра излучений в приборах устанавливают дискриминаторы и амплитудные анализаторы. С их помощью выделяют импульсы, соответствующие определенному диапазону энергий ионизирующих излучений. Далее сигналы подаются в нормализаторы, которые создают импульсы определенной амплитуды и формы для их измерения или регистрации.

Для воздушной и автомобильной гамма-съёмок используют различные аэро- и авторадиометры, отличающиеся быстродействием, т. е. малой инерционностью. Они состоят из набора сцинтилляционных счетчиков, а также блоков: усилительного и регистрирующего. Питание приборов осуществляется с бортовой сети самолета (вертолета) или аккумуляторов автомобиля.

Для наземной (пешеходной) гамма-съёмки используют разного рода полевые радиометры. Конструктивно прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения, с помощью которого определяется цена деления шкалы радиометра.

Для определения концентрации радиоизотопа по его энергетическому спектру используют полевые гамма-спектрометры, а для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе - эманометры. Они состоят из сцинтилляционного счетчика альфа-частиц, а также насоса и набора зондов, с помощью которых ведется отбор в камеру подпочвенного воздуха с глубины до 1 м. Шкалу прибора градуируют с помощью специальных эталонов, характеризующих концентрацию радона в подпочвенном воздухе (С_э).

Радиометрические методы разведки (радиометрия)

В радиометрии наибольшее применение нашли гамма-съёмки, так как гамма-лучи из всех видов радиоактивных излучений обладают наибольшей проникающей способностью. Этими методами изучаются интенсивность естественного гамма-излучения, а чаще — его спектральный энергетический состав. Эффективность обнаружения радиоактивных руд с помощью гамма-съёмки зависит не только от интенсивности гамма-излучения (J_у) разведываемых руд, но и от уровня нормального фона (J_Нф). Он обусловлен натуральным фоном радиоактивности перекрывающих рудное тело пород (J_Нфп) и остаточным фоном за счет космического излучения и «загрязненности» прибора (J_ост).

К методам радиометрии относятся воздушная, автомобильная, пешеходная (поверхностная), глубинная (шпуровая) гамма-съемки, радиометрический анализ проб горных пород, эманационная съемка, а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации радиоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. В горных выработках изучают также жесткую компоненту космического излучения.

Аэрогамма-съёмка является одним из наиболее быстрых и экономичных методов радиометрии, применяется обычно в комплексе с аэромагниторазведкой, а иногда и аэроэлектроразведкой. Методика аэрогамма-съёмки сводится к непрерывной регистрации интенсивности естественного гамма-излучения (1_у) разных энергий. Работы проводят либо по отдельным маршрутам, либо по системе параллельных маршрутов, равномерно покрывающих разведываемую площадь. Привязку маршрутов проводит штурман по ориентирам или радионавигационным приборам. В результате аэрогамма-спектрометрической съемки рассчитывают аномалии разных энергий, позволяющие выделить урановую, ториевую и калиевую составляющие радиоактивного поля. Наибольшими значениями энергии гамма-излучения отличаются элементы ториевого ряда, меньшими — уранового, еще меньшими — калиевого. Для повышения надежности выделения аномалий используют статистические приемы обработки с привлечением ЭВМ. Далее строят карты графиков, а иногда карты.

Автогамма-съёмка представляет собой скоростную наземную гамма-съёмку, выполняемую автоматически во время движения автомобиля с автогамма-спектрометром. Чувствительность автогамма-съёмки значительно выше, чем у аэрогамма-съёмки благодаря приближению станции к объекту исследования. С ее помощью проводят как детализацию аэрогамма-аномалий, так и их первичный поиск. Методика автогамма-съёмки сводится к профильным и площадным наблюдениям на участках, доступных для автомашин высокой проходимости.

Результаты автогамма-съёмки представляют в виде лент аналоговой регистрации. Выявленные аномальные участки закрепляют на местности, «привязывают» инструментальным способом и проверяют наземными гамма-спектрометрическими съемками. После первичной обработки материалов строят карты графиков и карты АJ_γ. На них визуально (или с помощью ЭВМ) выявляют аномалии. Сравнивая их с геологическими картами и другой информацией, оценивают перспективность территорий на радиоактивные элементы.

Пешеходная (поверхностная) гамма-съёмка — один из основных поисковых и разведочных методов радиометрических исследований. Её проводят с помощью полевых радиометров и спектрометров. Рекомендуется ежедневно проверять режим работы прибора с помощью малых контрольных ториевых или радиевых источников.

Радиометрические съёмки бывают как самостоятельными, выполняемыми при площадных поисковых исследованиях масштаба 1:10000 и крупнее (при расстояниях между профилями меньше 100 м), так и попутными, проводимыми совместно с маршрутными геологическими съемками в масштабах 1:25000 - 1: 50000. При попутных и поисковых работах гильзу выносного зонда полевого радиометра располагают на высоте 10-20 см от поверхности и оператор в движении «прослушивает» радиоактивный фон пород в полосе нескольких метров по направлению движения. Через каждые 5-50 м (шаг съемки) или при аномальном повышении фона гильзу с детектором опускают на землю на 0,5-1 мин и снимают средний отсчет интенсивности поля.

Цель поисковых и попутных гамма-съёмок — выявление рудных полей и месторождений. Аномальные участки обследуют детальными гамма-съёмками в масштабах крупнее 1:10 000 (до 1: 1000) при густоте сети около 100х10 м (до 10x1 м).

В результате наземной гамма-съёмки строят графики, карты графиков и карты интенсивности ∆J_ эквивалентные гамма-активности пород ∆J_ = J_ - J_нф (интегральной или спектральным). Обработка данных спектрометрической гамма-съемки сводится к вычислению концентраций (С) урана, тория и калия (К⁴⁰) по J_ на разных энергиях. На рисунке 112 приведен пример результатов спектрометрической гамма-съёмки в Восточной Сибири, в результате которой удалось выявить в гранитах танталониобиевую минерализацию.

Рис. 112. Профили концентраций урана, тория и калия по данным гамма-спектрометрии над месторождением тантала:

1 — породы песчано-сланцевой толщи; 2 — ороговико-ванные породы; 3 — диабазовые порфириты; 4 — двуслюдяные мусковитовые граниты; 5 — порфировидные мусковитовые граниты; б— амазонит-альбитовые граниты

Глубинная (шпуровая) гамма-съемка является детализационным вариантом пешеходной гамма-съёмки. Она выполняется в шпурах (бурках) глубиной до 1 м, а иногда в скважинах глубиной до 25 м с помощью специальных или полевых радиометров. Подобный гамма-экспресс-анализ (ГЭА) широко применяют при разведке и разработке месторождений радиоактивных руд, изучении их концентрации на обогатительных фабриках (в том числе на конвейерной ленте, в вагонетках и т. п.).

Спектрометрическая гамма-съемка применяется не только для поисков и разведки радиоактивных руд, но и для выявления других металлических и неметаллических полезных ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с радиоактивными (бокситы, олово, бериллий). Наблюдается повышенное содержание тория; на месторождениях ниобия, тантала, вольфрама, молибдена. Присутствует уран. На некоторых полиметаллических месторождениях много калия-40.

Эманационная съёмка основана на изучении концентрации альфа-частиц, содержащихся в эманациях, т. е. газообразных продуктах распада радиоактивных веществ, взятых из подпочвенного воздуха, или воздуха, заполняющего скважины, горные выработки, подвалы зданий. Наибольшим периодом полураспада из радиоактивных газов обладает радон (3,82 дня).

Эманационная съёмка может быть маршрутной и площадной. Методика сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины до 0,5-1 м и определению с помощью эманометра концентрации радона в нём. Для этого зонд эманометра погружают в почвенный слой и с помощью насоса в камеру закачивают подпочвенный воздух и измеряют концентрацию радона. Масштабы работ изменяются от 1:2000 до 1:10 000. В результате эманационной съёмки строят графики и карты равных концентраций радона (С_э) и на них выделяют аномалии — участки повышенного содержания радона. Над месторождениями радиоактивных руд аномалии достигают сотен и тысяч беккерелей на кубический дециметр. Над участками с эманированием, повышенным за счет раздробленности и трещиноватости пород, аномалии составляют десятки беккерелей на кубический дециметр. Нормальный фон — обычно около 30 Бк/дм³.

Ядерно-физические методы разведки

Эти методы основаны на использовании искусственных радиоактивных источников. Изучению подвергаются образцы горных пород, стенки горных выработок, скважин и обнажений посредством их облучения гамма-квантами или нейтронами. Облучать можно также с помощью специальных генераторов нейтронов. Для получения гамма-квантов или нейтронов разных энергий их помещают в экраны-замедлители (свинцовые — для гамма-излучений, кадмиевые или парафиновые — для нейтронов). Меняя источники облучения, их энергию, длительность облучения, изучая разные ядерные реакции источников облучения с электронами и ядрами атомов облучаемых горных пород и руд, можно получить информацию о их химическом составе, физико-механических свойствах, степени насыщенности пород разными флюидами (нефть, вода). Число ядерно-физических методов велико и каждый из них нацелен на решение определенных геологических задач.

К радиоизотопным гамма-методам относятся методы изучения физико-химических свойств горных пород путем облучения их источниками гамма-квантов разных энергий. К ним относятся фотонейтронный анализ, или гамма-нейтрониный метод (ГНМ), плотностной гамма-гамма (ГГМ-П), селективный гамма-гамма метод (ГГМ-С), рентгенорадиометрический метод (РРМ), и радиоизотопные нейтронные методы, включающие: 1) активациопный анализ (НАК), который сводится к облучению образцов руд быстрыми или медленными нейтронами и изучению наведенной искусственной радиоактивности, 2) нейтронный анализ (ННМ и НГМ), основанный на облучении изучаемых объектов медленными нейтронами и определению плотности потока тепловых нейтронов или интенсивности вторичного гамма-излучения, 3) гамма-спектральный нейтронный анализ (ГН-С), заключающийся в изучении спектрального энергетического состава вторичного гамма-излучения радиационного захвата J_nγ.

В заключение следует привести основные ядерно-физические свойства элементов, используемые при геологических, геохимических и геофизических исследованиях.

• Проектное задание раздела 3-А.

1. Дать определение ядерной геофизики, ее разделов, методов и области применения.

2. Дать общую характеристику естественной радиоактивности минералов, горных пород и руд.

3. Раскрыть сущность гамма-лучевых и нейтронных свойств горных пород.

4. Объяснить принципы устройства и назначения аппаратуры, применяемой в радиометрии.

5. Рассказать назначение приборов для ядерно-физических исследований горных пород и руд.

6. Дать характеристику основных методов радиометрии.

7. Объяснить для решения каких задач применяется радиометрия.

8. Раскрыть особенности эманационной съемки.

9. Объяснить назначение радиоизотопных гамма-гамма методов.

10. Раскрыть сущность радиоизотопных нейтронных методов.

• Тесты рубежного контроля раздела 3-А.

1.

Вопрос: Какие существуют типы взаимодействия гамма-излучения с веществом?

Ответ: Два типа – естественное и искусственное. Ядерные реакции, приводящие к альфа-, бэта- и гамма-излучению. Ослабление в породах гамма-излучения вследствие фотоэффекта, комптоновского эффекта, эффекта образования электрон-позитронных пар и фотоядерных взаимодействий.

2.

Вопрос: Какие основные показатели нейтронных и гамма-лучевых свойств пород?

Ответ: Мощность экспозиционной дозы. Интенсивность естественного и искусственного гамма излучения, длина замедления быстрых и время жизни тепловых нейтронов. Скорость замедления гамма-квантов и нейтронов в горных породах. Частота спектров гамма- и нейтронного излучения.

3.

Вопрос: Что собой представляет аппаратура для измерения радиоактивности?

Ответ: Радиоэлектронные приборы имеющие выносной датчик поля и измерительный блок. Счетчики Гейгера - Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы. Индикаторы альфа-, бэта- и гамма-активности.

4.

Вопрос: В чем особенности аэрогаммарадиометрической и аэрогаммасспектрометрической съемок?

Ответ: В картировании радиоактивных залежей. В изучении радиационного фона территорий. В получении данных о составе радиоактивных элементов на исследуемой площади. В использовании летательных аппаратов с целью мелкомасштабного картирования территорий для обнаружения зон повышенной радиоактивности.

5.

Вопрос: Какие самые сильные поглотители гамма-квантов и нейтронов?

Ответ: Метаморфические и магматические горные породы. Бетонные сооружения. Свинец для гамма-квантов и водород для нейтронов.

• Критерии оценки по разделу 3-А.

Коллоквиум.

• Литература к разделу 3-А.

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 174-190.

2. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 202-222.

Дополнительная:

1. Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. М.: Недра, 1988. С. 7-216.

2. Скважинная ядерная геофизика: Справочник геофизика /Под ред. О.Л.Кузнецова, А.Л.Поляченко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – С.6-31, 307-311.

3. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика: Учеб. Пособие для вузов. – Иркутск: ИрГТУ, 1995. С. 101-109.