
- •Глава 6. Ядерная геофизика
- •15. Физико-химические и геологические основы ядерной геофизики
- •15.1. Общие сведения о радиоактивности
- •15.1.1. Естественная радиоактивность.
- •15.1.2. Параметры радиоактивности.
- •15.1.3. Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой.
- •15.2. Радиоактивность горных пород и руд
- •15.2.1. Радиоактивность минералов.
- •15.2.2. Радиоактивность горных пород, руд и вод.
- •15.2.3. Нагрев за счет радиоактивности.
- •15.3. Ядерно-физические свойства горных пород
- •15.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств.
- •15.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород.
- •15.3.3. Нейтронные свойства горных пород.
- •16. Аппаратура и методы ядерной геофизики
- •16.1. Аппаратура в ядерной геофизике
- •16.1.1. Чувствительные элементы для измерения радиоактивности.
- •16.1.2. Приборы для ядерно-геофизических исследований.
- •16.2. Радиометрические методы разведки
- •16.2.1. Общая характеристика радиометрии.
- •16.2.2. Аэрогамма-съемка.
- •16.2.3. Автогамма-съемка.
- •16.2.4. Пешеходная (наземная) гамма-съемка.
- •16.2.5. Радиометрический анализ проб горных пород и стенок горных выработок.
- •16.2.6. Задачи, решаемые гамма-съемкой.
- •16.2.7. Эманационная съемка.
- •16.2.8. Подземные методы изучения естественной радиоактивности.
- •16.2.9. Определение абсолютного возраста пород.
- •16.3. Ядерно-геофизические методы
- •16.3.1. Общая характеристика.
- •16.3.2. Нейтронные методы.
- •16.3.3. Гамма-методы.
15.2.3. Нагрев за счет радиоактивности.
В ходе поглощения альфа-, бета-, гамма-лучей горными породами происходит их нагрев. Самые распространенные радиоактивные минералы (уран, торий, калий-40) имеют период полураспада, сравнимый с возрастом Земли, поэтому они являются основными источниками радиогенного тепла в прошлом, настоящем и будущем.
15.3. Ядерно-физические свойства горных пород
15.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств.
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий. Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физических явлений,сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образование электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением). Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, от пути проходящего излучения в горной породе и ее ядерно-физических свойств. Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.
15.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород.
Основным
гамма-лучевым свойством породы является
ее способность поглощать и рассеивать
гамма-лучи. Количественно это свойство
описывается полным линейным коэффициентом
ослабления и поглощения
или
суммарным (полным) макроскопическим
сечением взаимодействия гамма-лучей с
единицей объема горной породы (см.
(6.3)). Для узкого пучка гамма-квантов его
определяют с помощью следующих уравнений:
|
(6.4) |
где
-
микроскопическое сечение взаимодействия
атомаi-го
химического элемента с гамма-квантом
при общем количестве атомов этого
элемента в единице объема
и
общем числе элементов
;
-
интенсивность гамма-излучения в конце
и начале поглощающего слоя толщиной
.
Практически определяют эффективный
коэффициент ослабления
по
экспериментально полученной интенсивности
вторичного гамма-излучения:
|
(6.5) |
Макроскопическое
сечение взаимодействия, или эффективный
линейный коэффициент ослабления, зависит
от порядковых номеров в периодической
системе Менделеева и массовых чисел
химических элементов всей горной породы,
а также ее плотности
.
На изменении этих свойств основаны
методы изучения химического состава и
плотности горных пород по интенсивности
вторичного (рассеянного) гамма-излучения
(
). При этом комптоновское рассеяние
зависит от плотности, а фотоэффект - от
химического состава и концентраций
химических элементов (см. 15.3.1).
15.3.3. Нейтронные свойства горных пород.
Основным
нейтронным свойством горных пород и
сред является их способность поглощать
и рассеивать нейтроны. Количественно
это свойство описывается полным линейным
коэффициентом ослабления и поглощения
или
суммарным (полным) макроскопическим
взаимодействием нейтронов с единицей
объема горной породы (см. 15.1.3). Величина
определяется
микроскопическими сечениями рассеяния
и поглощения нейтронов атомами или
ядрами (
) всех составляющих ее химических
элементов отi
= 1 до i
= k
с числом атомов i-го
элемента в единице объема
по
формуле:
|
(6.6) |
Здесь
-
плотность потока нейтронов в конце и
начале слоя толщиной
.
Нейтронное микроскопическое сечение
рассеяния и поглощения
измеряется
в барнах и равно эффективной площади
ядра, которая обычно больше его
геометрического сечения. Нейтронное
сечение измеряют в единицах площади
(10-25
м2).
Наибольшими нейтронными сечениями
обладают редкоземельные элементы,
например, гадолиний (46*10-25
м2
), кадмий (2,25*10-25
м2
), бор (0,769*10-25
м2
), ртуть (0,38*10-25
м2
) и др. У большинства элементов
микроскопическое сечение ядра изменяется
в пределах (0,1 - 10)*10-25
м2
. Практически коэффициент
является
эффективным коэффициентом, характеризующим
и замедляющие, и поглощающие свойства
горной породы
при
облучении ее нейтронами.
Величину,
обратную
,
называют полной длиной пробега нейтронов
(
). Она включает длину замедления и длину
диффузии. Средняя длина замедления
нейтронов (
) определяется способностью ядер
рассеивать нейтроны и равна расстоянию,
на котором энергия нейтронов уменьшается
от исходной (у быстрых нейтронов энергия
превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ).
Наименьшей длиной замедления (
10 см) обладают минералы, в которых имеются
бериллий, углерод, железо и водородосодержащие
породы, насыщенные водой, нефтью или
газом. В других породах, особенно
содержащих тяжелые химические элементы,
составляет
первые десятки сантиметров.
Ослабленные
до тепловой энергии нейтроны перемещаются
в породе путем диффузии до тех пор, пока
не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как
отмечалось выше, процесс захвата
нейтронов сопровождается излучением
вторичных гамма-квантов. Способность
горных пород поглощать тепловые нейтроны
выражают через среднюю длину диффузии
или
пропорциональное ей среднее время жизни
тепловых нейтронов
.
Наименьшими значениями этих параметров
(
5 см,
5
мкс) отличаются руды, содержащие
химические элементы с высоким сечением
поглощения нейтронов (редкоземельные,
кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и
рыхлые осадочные породы, насыщенные
минерализованными водами. Для большинства
породообразующих минералов и горных
пород
изменяется
от 10 до 30 см, а
-
от 10 до 3000 мкс. Важным параметром среды
является также коэффициент диффузии
.
На
изменении перечисленных нейтронных
свойств химических элементов основаны
нейтронные методы поэлементного анализа
горных пород и их водонефтегазонасыщенности.
Они сводятся к изучению плотности
(интенсивности) тепловых нейтронов
или
вторичного гамма-излучения
.