Гамма-параметры горных пород

Измеряя гамма-излучение, прошедшее через горную породу, можно определить её поглощающие и рассеивающие способнос­ти, приближенно оценить элементный состав и плотность породы. Для разделения влияния z_эф и σ на распределение гамма-квантов используются различные интервалы энергии: для определения σ — область комптоновского рассеяния, для определения z_эф — область фотоэлектрического поглощения.

Влияние элементного состава на распределение гамма-кван­тов сказывается интегрировано, через z_эф. Безрудные горные по­роды характеризуются значениями z_эф, близкими к порядковому номеру кремния — 14. Несколько более высокими зна­чениями отличаются породы повышенной основности (за счет железа) и известняки. Увеличение в породах содержаний тяжелых элементов приводит к повышению их z_эф, и способности к поглощению гамма-квантов.

Породы, содержащие легкие компоненты (углерод, водород), отличаются пониженной способностью к поглощению гамма-из­лучения. По гамма-излу­чению можно не только выделять пласты углей среди вмещающих пород, но и оценивать их зольность.

П оказателем состава породы служит также спектр рассеянного гамма-излучения. Наличие в породе элементов с большим поряд­ковым номером делает спектр рассеянного гамма-излучения более высокоэнергетичным, поскольку высокая поглощаю­щая способность таких пород не позволяет гамма-квантам рассе­яться до низких энергий. Последние преобладают в породах вооб­ще и в особенности в породах с низким z_эф.

Ф отопоглощение гамма-квантов вызывает в породе вторич­ное рентгеновское излучение. Серии переходов электронов на более низкие уровни сопровождаются излучением рентгеновского спектра. Поскольку энергетические уровни электронов у каждого элемента строго ин­дивидуальны, столь же индивидуален для элемента и спектр рентге­новского излучения. Интенсивность рен­тгеновского излучения, соответствующей химическому элементу энергии, зависит как от сечения фотоэлектрического поглощения этого элемента, так и от содержания его в породе.

Плотность как гамма-параметр горной породы проявляется во всем диапазоне энергий гамма-излучений, но в «чистом виде» влияние плотности можно выделить лишь в области комптоновс­кого рассеяния. Всем вариаци­ям плотности горных пород и руд подобно будут соответствовать вариации распределения в этих породах и рудах рассеянного гам­ма-излучения и что с помощью гамма-излучения можно оценить плотность в разрезах скважин, а значит провести расчленение и корреляцию пород по плотности, выделить полезные ископаемые с аномальной плотностью.

Ядерное гамма-резонансное поглощение характерно для железо- и оловосодержащих пород. Оно заключается в аномальной способ­ности ядер изотопов ¹¹⁹Sn и ⁵⁷Fe этих элементов поглощать гамма-кванты. По этому аномальному поглощению гамма-излучения Sn и Fe могут быть обнаружены в породах

Нейтроны и процессы их взаимодействия с горными породами

Нейтроны не имеют заряда и поэтому не испытывают элект­рического воздействия электронов и ядер и проникают достаточно глубоко в породу. Их взаимодействие с горной породой зависит от энергии. Различают нейтроны: тепловые, промежуточ­ные и быстрые различие заключается в присущей каждому виду энергии. Такие названия для нейтронов с различной энергией обусловлены тем, что в от­личие от гамма-квантов, движущихся всегда с постоянной скоро­стью, скорость движения нейтронов пропорциональна их энергии. Если в результате взаимодействия с породой энергия теряется, то нейтрон превращается в обычную частицу, испытывающую теп­ловое хаотичное движение.

Нейтроны, как и гамма-кванты, испытывают в породе рас­сеяние и поглощение. Отличие заключается в том, что взаимодей­ствует нейтрон исключительно с ядрами, при рассеянии нейтрон не только изменяет направление движения и теряет свою энергию, но и замедляется, а при поглощении не исчезает, а входит в состав ядра, поэтому процесс поглощения ядром нейтрона ещё называют захватом.

Рассеяние нейтрона может быть упругим и неупругим. Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шари­ков, при котором ядру передается часть энергии нейтрона.

Потеря энергии нейтрона (а значит, и его замедление) зависит от массы ядра М и угла рассеяния нейтрона Θ. Характеризует её так называемый параметр замедления, равный логарифмической потере энергии на одно соударение.

Наибольшие потери энергии нейтронов происходят при соударении с легкими ядрами, а максимально возможная потеря - при взаимодействии нейтрона с ядром водорода, равным ему по массе. При лобовом соударении нейтрона с водородом возможна полная потеря его энергии. В то же время соответствующие значе­ния для кислорода и кремния составляют 11 и 6 %.

П ри неупругом рассеянии энергия нейтронов расходуется не только на придание кинетической энергии ядру, но и на его воз­буждение, т.е. увеличение его внутренней энергии. Энергия воз­бужденного ядра в последующем высвобождается в виде гамма-квантов. Поскольку у каждого ядра энергии возбужденных уровней свои, то излучаемый возбужденными ядрами спектр гамма-излучения будет индивидуален для каждого вида ядер и может быть ис­пользован для определения элементов в горной породе. Неупругое рассеяние может произойти только с нейтронами, энергия которых превышает энергию первого возбужденного уровня ядра, которая изменяется от нескольких мегаэлектронвольт для легких ядер, до 100 кэВ — для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов и сред с тяжелыми ядрами.

Быстрые нейтроны в результате упругих и частично неупру­гих соударений замедляются и в области низких энергий могут поглотиться ядрами. В результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядром возникает вторичное гамма-излучение. Сечение захвата, как и вообще сечение взаимодействия, убывает с увели­чением энергии нейтрона; в области промежуточных нейтронов δ имеет резонансные пики. Сечение захвата зависит также от строения ядер элементов, от степени «недостаточности» в их со­ставе нейтрона. На­ибольшее сечение захвата 3 барна из породообразующих элемен­тов имеет железо.