Радиоактивность минералов и горных пород

7.2. Радиоактивность минералов и горных пород.

1. 
   Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первич-ные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.
   
2. 
   Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).
   
3. 
   Средней радиоактивностью отличаются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
   
4. 
   Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.
   

Радиоактивность горных пород определяется, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:

1. 
   породы практически нерадиоактивные (U< 10^-5 %);
   
2. 
   породы средней радиоактивности (U< 10^-4 %);
   
3. 
   высокорадиоактивные породы и убогие руды (U< 10^-3 %);
   
4. 
   бедные радиоактивные руды (U< 10^-2 %);
   
5. 
   рядовые и богатые радиоактивные руды (U< 0,1 %).
   

Средней радиоактивностью отличаются кислые изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде.

Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов.

Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород (C_э), являющимся отношением количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим Т_1/2) к общему количеству эманаций.

В массивных породах C_э = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых C_э = 40 - 50 %, т.е. C_э увеличивается с ростом коэффициента диффузии.

Кроме общей концентрации радиоактивных элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром.

Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ (меггаэлектрона-вольт), а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).

Таким образом, по суммарной интенсивности гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию радиоактивных элементов, а анализируя спектральную характеристику (энергетический спектр), можно определить концентрацию урана, тория или калия-40 в отдельности.

7.3. Искусственная радиоактивность, используемая в ядерной геофизике.
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий /4,6,8,9/.

Эти свойства вытекают из физических явлений, которые сопровождают взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов или нейтронов с ядрами атомов.

Наиболее вероятные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом являются:

• 
  фотоэлектрическое поглощение;
  
• 
  неупругое рассеяние на свободных электронах (комптоновское взаимодействие)
  
• 
  полное поглощение излучения в поле ядра (образование электронно-позитронных пар).
  

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.

Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μ_γ или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы.

Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:

, (7.4, 7.5)

(7.6)

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

Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μ_п или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы.

Величина μ_п определяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами (σ_пi) всех составляющих ее химических элементов от i = 1 до i = k с числом атомов i-го элемента в единице объема N_i по формуле:

где (7.9)

Здесь I_п, I_п0- плотность потока нейтронов в конце и начале слоя толщиной L. Нейтронное микроскопическое сечение рассеяния и поглощения σ_пi 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 μ_п является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породы μ_пэф при облучении ее нейтронами. Величину, обратную μ_пэф, называют полной длиной пробега нейтронов (L_п ). Она включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов (L_з) 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 (L_з <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, L 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 выражаются через среднюю длину диффузии L_д или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов τ_тп. Наименьшими значениями этих параметров (L_д < 5 см, τ_тп <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 L_д изменяется от 10 до 30 см, а τ_тп - от 10 до 3000 мкс.

Важным параметром среды является также коэффициент диффузии

(7.10)

Постоянными величинами диффузионных параметров характеризуются неглинистые и незагипсованные карбонатные отложения. Доломитизация известняков, сопровождающая повышенным содержанием магния, увеличивает значение τ. Чистые кварцевые песчаники и доломиты характеризуются наибольшими значениями времена жизни нейтронов. Минимальными значениями τ обладают гипсы, ангидриты и глинистые породы. Существенное влияние на величину коэффициента диффузии тепловых нейтронов в скелете оказывает наличие кристаллизационной воды. При содержании ее в породе более 5% величина D практически не зависит от минерального состава скелета.

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 I_пп или вторичного гамма-излучения I_пγ.

Контрольные вопросы к главе 7

1. 
   Дайте характеристику естественной радиоактивности наиболее распространенных типов осадочных пород.
   
2. 
   Какие минералы обладают наименьшей длиной замедления?
   
3. 
   При каких условиях коэффициент диффузии не зависит от минерального состава пород?
   

8.1 Понятие о петрофизической модели

В данной главе представлены основные понятия и методические приемы создания петрофизической модели, разработанные и рекомендованные Г.С.Вахромеевым (1978, 1987г.г) /2,3,5/.

Оценка физических свойств горных пород необходимы для правильного определения методики постановки геофизических работ и интерпретации результатов. При анализе возможностей геофизических методов для выбора комплекса при решении поставленной задачи исследователь абстрагируется от конкретных свойств объекта, используя его некоторую абстрактную модель со статистически усредненными физическими свойствами, формой и геометрией. По определению Г.С.Вахрамеева под физико-геологической моделью понимают совокупность абстрактных возмущающих тел, обобщенные размеры, форма, физические свойства и взаимоотношение которых с той или иной степенью детальности аппроксимируют реальную геологическую обстановку. Приведенное определение является общим, в одинаковой степени пригодным для аппроксимации, любого геологического объекта, будь то блок земной коры, нефтегазоперспективная или любая иная геологическая структура, рудное поле, месторождение отдельное рудное поле и.т.д. Главная цель создания ФГМ — математическое моделирование ситуации, т.е. расчет различных физических полей.

Например, рудное тело, сложенное сульфидами, залегает в однородной вмещающей среде (рис. 8.1). Формой тела может быть шар или эллипсоид, или другая геометрическая фигура. Заданы физические свойства тела и вмещающей среды, такие как плотность, удельное сопротивление, намагниченность, поляризуемость, электрохимическая активность. Задав размер и глубину залегания можно рассчитать физические поля и определить наиболее подходящий набор геофизических методов.

Рис.8.1. Модель сульфидного тела и рассчитанные физические поля над ним.

Таким образом, физико-геологическая модель отражает взаимосвязи существенных свойств моделируемого геологического объекта с регистрируемыми в его окрестностях либо ожидаемыми полями.

Реальные ФГМ могут иметь и более сложный вид. Основой для формирования ФГМ служит петрофизическая модель.

Под петрофизической моделью понимают объемное распределение в геологическом пространстве различных физических параметров, которые с определенной степенью вероятности характеризуют строение реального геологического объекта.

Описания петрофизической модели может содержать сведения в виде разрезов, текста, таблиц, формул, графиков зависимостей. Форма представления модели зависит от геологической задачи, для решения которой эта модель разрабатывается. При изменении геологической задачи в петрофизическую модель объекта вносятся изменения либо создается новая модель.

Различают петрофизические модели априорные и апостериорные, детерминированные, статистические и стохастические, статические и динамические.

На стадии проектирования геофизических работ формируются априорные петрофизические модели, с помощью которой определяют наиболее эффективные петрофизические параметры для проведения геофизических исследований. Параметры априорной модели уточняются в процессе геолого-геофизической интерпретации, т.е. создается апостериорная модель изучаемого геологического объекта.

Формирование петрофизических моделей предусматривает последовательное решение ряда задач:

1. 
   Лабораторные измерения комплекса физических свойств на образцах эталонных выработок;
   
2. 
   Анализ данных и выделение СВК, расчеты их обобщенных физических характеристик;
   
3. 
   Получение массовой петрофизической информации по данным ГИС и выделение СВК в геологическом разрезе;
   
4. 
   Построение объемной петрофизической модели по результатам корреляции выделенных СВК между скважинами.
   

8.3. Выделение структурно-вещественных комплексов

Объединение разновидностей горных пород в единый СВК проводят с использованием различных способов кластеризации данных физических свойств.

Для выделения структурно-вещественных комплексов по несргуппированным данным можно использовать различные способы автоматической классификации данных. Например, применяется способ построения и анализа вариационных кривых, рассмотренный в параграфе 1.4. Если для анализируемого физического свойства по всей совокупности исследованных образцов построить вариационную кривую, то можно будет предположить, что каждому максимуму этой кривой соответствует определенный СВК.

Помимо анализа вариационных кривых, для выделения СВК можно привлекать более формализованные и более сложные алгоритмы разделения смеси случайных величин на отдельные составляющие.

Для одновременного учета изменчивости отдельных петрофизических характеристик и связи между ними классифицируемые образцы необходимо рассматривать в многомерном пространстве признаков (измеренных физических свойств). Одним из таких способов является метод главных компонент (МГК), в основе которого лежит предположение о том, что если переменные величины возможно коррелируемы, то это свидетельствует о существовании «внутренних» параметров (факторов), являющихся причинами такой корреляции, но непосредственно не регистрирующихся. Модель МГК основана на линейном ортогональном разложении исходных параметров в ряд согласно выражению /5/:

Yi = Wij Xi , (8.1)

где i = 1,2,…r , j = 1,2,…m , причем r > m, где Xi - случайные переменные, представляющие параметры измеренных физических свойств; Wij – факторные нагрузки, имеющие смысл коэффициентов корреляции между исходными признаками и факторами; Yi - гипотетические компоненты – факторы.

В случаях, когда данные о физических свойствах представлены статистическими параметрами, рассчитанными для определенных групп пород, выделение структурно-вещественных комплексов целесообразно проводить приемами, базирующимися на проверке статистических гипотез о сходстве или различии тех или иных статистических характеристик.

Такими характеристиками петрофизичечских групп чаще всего являются оценки средних значений и стандартов измеренных физических свойств. Данные первичной статистической обработки обычно представляются в виде таблиц. Пример представлен в таблице 8.1. (Примечание: 1 объем выборки по каждой разновидности пород 30-50 образцов; 2 – S стандартное отклонение; ε – безмерный стандартный множитель).

Учитывая, что основной предпосылкой для изучения разреза по геофизическим данным является дифференциация пород по средним значениям физических свойств, в качестве такого критерия целесообразно принять t – статистику Стьюдента.

Правила вычисления зависит от результатов проверки гипотезы о равенстве дисперсий сравниваемых генеральных совокупностей. Если гипотеза справедлива, то есть S₁=S₂, вычисления проводят по формуле:

где S – стандартное отклонение, A – среднее значение, n – количество образцов в выборке. При v=n₁+n₂-2 степенях свободы.

Если же S₁≠S₂, вычисления проводятся по формуле:

(8.3)
Таким образом, процедура объединения отдельных петрофизических групп в СВК представлена следующими операциями:

1. 
   проверка гипотез о равенстве средних значений анализируемой физической характеристики для всех возможных попарных сочетаний петрофизических групп (классов);
   
2. 
   объединение групп с незначительными различиями средних значений и вычисление для них новых генеральных значений средних;
   
3. 
   повторение первых двух операций уже с укрупненными группами до тех пор, пока между всеми группами не будет статистически значимых различий в средних значениях.
   

На уровне соответствующем значению t^*_Крит, по магнитной восприимчивости выделяется семь самостоятельных комплексов, что объективно характеризует высокую дифференциацию геологического разреза по этому физическому свойству, зависящему практически только от содержания магнитного железа. Неразличимы по магнитной восприимчивости лишь оруденелые скарны и траппы, а также безрудные скарны и туфовые образования.

Число СВК выделяемых по плотности, меньше пяти, так как плотность достаточно тесно связана не только с содержанием железа, но и с пористостью, по значениям которого выделяется всего четыре СВК.

Увеличение значений пористости от руд к рудовмещающим образованиям приводит к снижению информативности удельного электрического сопротивления и скорости распространения продольных волн. По этим характеристикам выделяется соответственно четыре и три СВК.

Проверка статистических гипотез позволяет выделить реальные объекты геофизического изучения и установить возможности того или иного геофизического метода.

Таблица 8.1

Рис.8.2. Дендрограммы иерархической группировки при объединении групп пород и руд в СВК

Но в тех случаях, когда такие задачи сформулированы, выделенные СВК значительно облегчает и конкретизируют оценку геологической информативности геофизических методов даже на уровне экспериментальных оценок.

На стадии проектировании геофизических работ при формировании априорных ФГМ структурно-вещественные комплексы регламентируют детальность геометритизации модели. Так как именно СВК является теми элементами разреза, выделение которых принципиально возможно по данным геофизических исследований.

Основными информативными характеристиками в данном случае являются средние значения физических свойств структурно-вещественных комплексов.

Прогноз физических свойств пород по данным ГИС позволяет получить характеристику петрофизического разреза с детальностью, соответствующей фактической степени его геолого-геофизический изученности.

Следующим этапом построения объемной петрофизической модели является межскважинная увязка структурно-вещественных комплексов. Эта достаточно сложная интерпретационно-методическая задача решается с привлечением всей имеющейся геолого-геофизической информации, а нередко требует постановки дополнительных специальных методов скважинной геофизики.

Таким образом, физико-геологическая модель – это обобщенная петрофизическая модель плюс, полученные для нее любым способом (аналитическим, моделированием, в том числе натурным), физические поля.

Последовательность физико-геологического моделирования в самом общем виде выглядит следующим образом:

• 
  выделение структурно-вещественных комплексов в пределах исследуемого геологического пространства;
  
• 
  построение петрофизической модели, создание самой ФГМ исследуемого геологического объекта в целом.
  

Контрольные вопросы к главе 8.

1. 
   Для чего необходимо физико-геологическое моделирование?
   
2. 
   Какую роль в ФГМ играет петрофизическая модель?
   
3. 
   Перечислите известные способы выделения структурно-вещественных комплексов.
   
4. 
   Какую роль играют проверки статистических гипотез в геофизическом процессе?
   

1. 
   Г.Н. Боганик, И.И.Гурвич, Сейсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Издательство АИС, 2006.744с., 204 ил.
   
2. 
   Г.С. Вахромеев, Основы методологии комплексирования геофизических исследований при поисках рудных месторождений. М.: Недра, 1978. 152с.
   

3. 
   
   
4. 
   В.С.Зинченко, Петрофизические основы гидрогеологической и инженерно-геологической интерпретации геофизических данных: учебное пособие для студентов вузов. М.- Тверь: Изд. АИС, 2005. 392 с.
   
5. 
   К.Иберла, Факторный анализ, М.:Статистика, 1980, 398 с.
   
6. 
   В.Н. Кобанова , Петрофизика. Учебник для вузов. М.: Недра, 1986 –392 с.
   
7. 
   Комплексирование методов разведочной геофизики: Справочник геофизика /Под.ред. В.В.Бродового, А.А.Никитина. М.- М.: Недра, 1984.384с.
   
8. 
   Петрофизика; Справочник. В трех книгах./ Под ред. Н.Б.Дортман. – М.: Недра, 1992. – 391 с.
   

9. В.К.Хмелевской, Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека "Дубна"1997 г.