Учебное пособие по полевой геофизической практике

жүктеу/скачать 7.87 Mb.

бет	14/14
Дата	20.07.2016
өлшемі	7.87 Mb.
	#211597

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 13 14

7. РАДИОМЕТРИЯ

Радиометрия (или радиометрическая разведка) является одним из наиболее распространенных методов полевой геофизики, изучающим радиоактивность природной среды. Существуют различные модификации радиометрической разведки. Радиоактивность земной коры, воды и воздуха определяется присутствием в них радиоактивных изотопов следующих элементов: урана, тория, радия, радона и калия. Радиоактивные методы разведки служат для поисков месторождений радиоактивных элементов
и определения химического состава горных пород с использованием излучения наведенной радиации [9]. Методы радиометрии используются также при геологическом картировании территорий. Затраты на выполнение полевых радиометрических наблюдений весьма невелики, а геологическая эффективность результатов достаточно высока.

7.1. Строение ядер атомов и типы радиоактивного распада

Атомы химических элементов состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов оболочки. Протоны p и нейтроны n, слагающие ядро, принято называть нуклонами. Электрический заряд протона +1, а масса приблизительно равна 1,00758 а.е.м. Нейтроны имеют массу 1,00895 а.е.м. и не обладают электрическим зарядом. Атом некоторого химического элемента X с массой m и зарядом z записывается
в виде

. Число протонов в ядре атома обозначается буквой Z и отвечает порядковому номеру элемента в таблице Менделеева; число нейтронов равно (А – Z), где А  массовое число ядра, равное числу нуклонов.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре атома ядерными силами, которые действуют на очень близком расстоянии  порядка 10^-13 см. Для расщепления ядра атома на отдельные нуклоны (или ядра меньшей массы) необходимо преодолеть ядерные силы, т. е. затратить некоторую энергию. Было установлено, что с ростом Z в ядре возрастает энергия отталкивания нуклонов, поэтому элементы с большим количеством протонов (ядра тяжелых атомов) становятся неустойчивыми. Ядра тяжелых атомов распадаются и выделяют энергию при самопроизвольных флюктуациях или внешних воздействиях. Этот процесс называется делением атома или радиоактивным распадом. В результате распада происходит излучение элементарных частиц и меняется заряд ядра.

Основными типами естественных радиоактивных превращений являются: -распад, -распад, k-захват ядром электрона с внутренней орбиты
и самопроизвольное (спонтанное) деление ядер.

В процессе -распада ядро теряет -частицу (ядро гелия ), и возникает новый элемент, заряд которого уменьшается на 2. Схема -распада некоторого химического элемента X выражается следующим образом:

где E  энергия, вынесенная -частицей.

Бета-распад заключается в излучении отрицательно заряженной
-частицы (электрона), вследствие чего заряд ядра увеличивается на единицу. Процесс -распада можно представить реакцией:

,

где   нейтрино, частица с массой покоя, равной нулю.

Сущность k-захвата заключается в том, что ядро может захватывать электрон собственной ближайшей оболочки k. В процессе k-захвата протон ядра превращается в нейтрон:

,

возникает новый элемент, смещенный в таблице Менделеева относительно исходного на одну клетку влево. Из естественно радиоактивных элементов k-захват наблюдается у изотопа калия при переходе его

в аргон

Самопроизвольное деление элемента происходит под действием сил отталкивания протонов ядра, возникающих в соответствии с законом Кулона. Например, в природе ядро урана делится на две неодинаковые, но близкие по массе части. В результате возникают два новых элемента.

Приведенные типы распадов могут сопровождаться излучением энергии в виде -квантов. Это происходит, если вновь образованный элемент находится в неустойчивом возбужденном состоянии и переходит в состояние с более низким уровнем энергии. Частицы и кванты энергии, излучаемые при радиоактивном распаде, характеризуются энергией, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ) или в мегаэлектрон-вольтах
(1МэВ = 10⁶ эВ). Электрон-вольт  это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.

Радиоактивный распад ядер атомов происходит по экспоненциальному закону:

где N₀  число атомов распадающегося вещества в начальный момент времени t = 0; N(t)  число атомов, оставшихся в наличии к моменту t;   постоянная распада, имеющая свою величину для каждого изотопа химического элемента. Используют также понятие периода полураспада

T  время, за которое распадается половина первоначального числа атомов N₀:

Время полураспада различных элементов изменяется в очень широких пределах  от 10^-8 с до 10¹⁰ лет. Величина   1,44T, пропорциональная периоду полураспада, характеризует среднее время жизни ядра атома данного химического элемента.

Таким образом, задачей радиометрических методов разведки является количественное изучение радиоактивных природных веществ с использованием характеристик их излучения.

7.2. Естественные радиоактивные элементы и их излучение

Естественные радиоактивные элементы  это элементы, которые находятся в земной коре и обладают способностью к самопроизвольному распаду. Радиоактивными являются изотопы следующих элементов: калия, рубидия, тория, урана, радия, радона, самария, лютеция и полония. В радиометрии изучают только радиоактивные элементы, имеющие повышенную концентрацию в земной коре: калий, торий и уран. В результате радиоактивного распада изотопов калия образуются стабильные элементы: аргон и кальций. Изотопы урана и тория, распадаясь в стабильный изотоп свинца, претерпевают многочисленные превращения, в результате которых образуются ряды элементов (или семейства). Ряды естественных радиоактивных элементов U, Th и K характеризуются тем, что их исходные элементы имеют очень большие периоды полураспада.

В процессе превращения в стабильный свинец образуется 14 промежуточных элементов. Восемь из них, в том числе и сам , являются источниками -излучения, а распад других шести элементов сопровождается -излучением. В ряду распада урана имеется газообразный элемент радон , который называется эманацией радия. Гамма-излучение в семействе урана возникает, в основном, в процессе следующих превращений: , и . Энергия -квантов наиболее интенсивного излучения в этих реакциях варьируется от 0,24 до 2,43 МэВ, с максимумом, приходящимся на 1,76 МэВ.

В ряду распада тория, идущего по общей схеме , происходит 7 -распадов и 5 -распадов. Величина энергии -квантов изменяется от 0,09 до 2,62 МэВ с максимумом, приходящимся на энергию 2,43 МэВ. Таким образом, спектр гамма-излучения тория содержит
-кванты более высоких (2,43 МэВ) энергий, чем -кванты, содержащиеся
в излучении урана (1,76 МэВ). Принято говорить, что -излучение тория является более жестким по сравнению с излучением урана. Это различие
в спектре -излучения является принципиальным для распознавания и разделения наблюдаемых аномалий -излучения на источники уранового или ториевого рядов.

Распад радиоактивного изотопа сопровождается -излучением

с выделением энергий 1,46 МэВ и 1,55 МэВ, которые меньше, чем энергия
-излучения, порождаемого распадом в ряду урана. Этот факт позволяет выделять аномалии калиевой радиоактивности по измерениям суммарного спектра -излучения.

Все виды радиоактивных излучений в различной степени претерпевают поглощение в материальной среде. Известно, что -частицы вследствие их большой ионизирующей способности имеют небольшую проницаемость. Лист бумаги или тонкой алюминиевой фольги в состоянии полностью поглотить поток -частиц. Для -излучения характерна более высокая проницаемость, однако слой алюминия толщиной 8 мм полностью поглощает естественный поток -излучения, который может быть вызван горными породами или размельченными пробами.

Наименьшее, но значительное поглощение в материальной среде испытывает -излучение. При прохождении -лучей, образовавшихся в результате распада элементов уранового ряда, сквозь слой горных пород толщиной 0,5 м поглощается 99% энергии этих лучей и только 1% излучения фиксируется измерительными приборами. На глубину нескольких десятков метров в горные породы может проникать только космическое излучение больших энергий (порядка 10³ МэВ).

Поглощение -излучения реализуется тремя видами взаимодействия

с веществом: фотоэлектрическим поглощением, Комптоновским рассеянием и рождением электронно-позитронных пар. Фотоэлектрическое поглощение характерно в основном для -квантов слабых энергий (0,40,5 МэВ). При этом взаимодействии -квант поглощается одним из электронов, находящимся на внутренней оболочке атома. Фотоэлектрическое поглощение наиболее эффективно происходит в веществах с большими порядковыми номерами в таблице Менделеева.

Поглощение и рассеяние по эффекту Комптона наиболее характерны для -излучения энергий 0,51,0 МэВ. Эффект Комптона заключается

в том, что -квант лишь частично поглощается электроном оболочки атома. В результате этого явления уменьшается энергия первичного -кванта
и меняется направление его движения. Интенсивность эффекта Комптона определяется, в основном, плотностью поглощающей породы и мало зависит от порядкового номера элементов.

При взаимодействии с веществом -квантов больших энергий (более 1,0 МэВ) наиболее характерным является эффект рождения электронно-позитронных пар. Он заключается в том, что вблизи ядра -квант большой энергии превращается в электрон и позитрон (положительно заряженный электрон).

Степень ионизации молекул газа при воздействии -излучением значительно меньше, чем при воздействии - и -излучением. Непосредственно -кванты не производят ионизации, однако электроны, выбитые из своих оболочек под воздействием фотоэлектрического эффекта, ионизируют окружающий газ.

Для характеристики количества энергии, поглощенной веществом, вводится понятие о поглощенной дозе. Доза  это количество энергии, поглощаемой единицей среды. Доза может измеряться по отношению к единице объема среды или к единице ее массы. В первом случае получаем единицу, которая называется рентген. Рентген  доза -излучения, вызывющая в 1 см³ сухого воздуха появление такого количества ионов, которые имеют суммарный электрический заряд каждого знака в одну электростатическую единицу. Кроме рентгена (Р), используют также миллирентген (мР) и микрорентген (мкР).

7.3. Краткая техническая характеристика аппаратуры

Для регистрации радиоактивного излучения большое распространение получили сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Они регистрируют частицы с энергиями от нескольких десятков кэВ и выше, а эффективность таких счетчиков достигает 6070 %. Отличительной особенностью сцинтилляционных счетчиков является хорошо выраженная зависимость амплитуды импульсов на выходе счетчика от энергии падающего излучения. Это позволяет применять их для установления природы излучающего радиоактивного объекта по энергии его излучения.

Рис. 7.1. Схема
сцинтилляционного
счетчика
Сцинтилляционный счетчик (рис. 7.1) состоит из люминофора (Л) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Люминофоры для регистрации -излучения изготавливаются из галогенидов щелочных металлов: йодистого натрия NaI(Tl) и йодистого цезия CsI(Tl), активированных таллием. Гамма-лучи, воздействуя на вещество люминофора, способствуют возникновению в нем вторичных электронов, которые вызывают вспышки света. Свет воспринимается фотоэлектронным умножителем, и этот сигнал усиливается им в несколько миллионов раз. Импульсы напряжения с выхода ФЭУ поступают на измерительное устройство (ИУ). Амплитуда импульсов напряжения пропорциональна энергии поступающего в люминофор изучения.

Полевая радиометрическая аппаратура предназначена для измерения радиоактивности горных пород в процессе пешеходной, автомобильной

и воздушной съемок, для обнаружения и определения концентрации радиоактивных эманаций в почвенном воздухе, воде, горных выработках.

Широко распространенным прибором для пешеходной радиометрической съемки является сцинтилляционный радиометр СРП-68. Прибор имеет герметическую гильзу. Это позволяет выполнять измерения -излучения в водоемах с погружением датчика на глубину до 3040 см. Электрическая схема прибора (рис. 7.2) состоит из люминофора (С), фотоэлектронного умножителя (УМ), усилителя (У), нормализатора (Н) и интегрирующего контура (ИК) с индикаторным прибором. Пороговый дискриминатор служит для подавления шумовых импульсов, вызываемых аппаратурными особенностями ФЭУ и не связанных с внешним излучением (рис. 7.2, а). Указанные импульсы носят название статистических флюктуаций.

Рис. 7.2. Принципиальная схема радиометра (а) и пример

регистрации сигнала в зависимости от времени (б)

7.4. Методика полевых наблюдений

Наземная гамма-съемка производится при помощи полевых радиометров или автомобильных -радиометров. Аномалией считается отклонение наблюдаемой интенсивности -поля от нормального фона, превышающее утроенную среднюю квадратичную ошибку измерений. Величина нормального фона обычно колеблется от нескольких единиц мкР/ч в районах развития осадочных отложений до нескольких десятков мкР/ч в районах выходов на поверхность изверженных и кристаллических пород.

Поисковые профили гамма-съемки выполняются совместно с рекогносцировочными маршрутными геологическими изысканиями. Их цель состоит в определении нормального фона радиоактивного излучения

и в выявлении зон повышенной радиоактивности. Поисковая гамма-съемка по профилям производится также вдоль маршрутов геологической съемки в масштабе от 1:10 000 до 1:25 000. При поисках гильзу полевого радиометра располагают в 1520 см над землей перпендикулярно направлению маршрута. Частоту импульсов при этом прослушивают с помощью телефона. Через каждые 2050 м гильзу кладут на землю и записывают отсчеты по прибору. При аномальном учащении прослушиваемых импульсов, производят внеочередное наблюдение. Маршруты и точки наблюдений наносят на карту, а место аномалии -излучения закрепляют репером. Затем вблизи реперов делают расчистки и берут образцы пород, показавших повышенную радиоактивность

Для оконтуривания отдельных рудных тел на аномальных участках производится детальная площадная гамма-съемка в масштабах от 1:5000 до 1:1000. В каждой точке сети в течение 0,51 мин записывают отсчет по радиометру при уложенной на поверхность земли гильзе.

Основанием для закладки разведочной выработки являются результаты площадной гамма-съемки, выраженные в мкР/ч. Результаты измерений наносят на план в виде изолиний, а также представляют в виде графиков по отдельным профилям.

После проведения горных выработок производят их радиометрическое опробование с помощью радиометра: первый замер выполняется без экрана, второй  со свинцовым экраном. Это дает возможность путем простых вычислений освободиться от влияния натурального фона и определить процентное содержание урана, соединениям которого свойственны мягкие излучения.

7.5. Первичная обработка и интерпретация данных радиометрии

Практическое применение радиометрии имеет большое значение при поисках радиоактивных (урановых) руд. Кроме этого, радиометрия используется при геологическом картировании для распознавания типов горных пород по характеристикам радиоактивных излучений.

Концентрация главных радиоактивных элементов в земной коре весьма незначительна. Содержание радия составляет 110^ %, тория  (27)10^⁴ %, урана  (15)10^⁴ %. Концентрация калия, вместе с его радиоактивным изотопом, не превышает 2,5 %. Наиболее распространенные радиоактивные элементы уран и торий находятся в магме в рассеянном состоянии. При дифференциации магмы ее кислые разности обогащаются ураном и торием. Некоторая часть урановых минералов сосредоточивается в пегматитах, большая же часть мигрирует в водных растворах и образует гидротермальные месторождения урановой смоляной руды. Вследствие легкой растворимости урановых соединений в воде, урановым рудным телам часто сопутствуют солевые ореолы рассеяния в поверхностных отложениях. Соединения тория практически нерастворимы, поэтому ториевые минералы сосредоточиваются, в основном, в пегматитах и лишь в незначительной степени участвуют в образовании гидротермальных месторождений. Ториевые минералы, в отличие от урановых, накапливаются в россыпях в виде монацита и других окислов тория. Радий и радон, образовавшиеся в породах как промежуточные продукты радиоактивного распада, частично удерживаются минералами в местах своего образования, а частично выщелачиваются водами. В общем, основные и ультраосновные породы наименее радиоактивны.

В гранитах, гранодиоритах и кварцевых диоритах радиоактивных минералов гораздо больше. Наиболее богаты радиоактивными элементами небольшие по размерам, молодые по возрасту интрузии кислых изверженных пород. Самые высокие концентрации радиоактивных элементов приурочиваются к приконтактным зонам, дайкам, и особенно к зонам гидротермального изменения пород в пределах трещин, разломов и т. д.

Осадочные породы содержат примерно такое же количество радиоактивных элементов, как и изверженные породы. При этом наиболее радиоактивны сланцы и глины, сорбирующие свойства которых выше, чем

у других пород. Наоборот, гидрохимические осадки, угли, отсортированные кварцевые пески крайне бедны радиоактивными элементами. В морских осадках, особенно глубоководных, содержание радиоактивных элементов больше, чем в континентальных осадочных породах. При этом из-за геохимических особенностей урана и тория первый содержится преимущественно в глинистых фракциях, а второй  в песчаных.

Для радиометрической съемки очень важным фактором является выделение в месторождениях радиоактивных минералов легкомигрирующих эманаций, особенно . Образование над урановыми месторождениями газовых радоновых ореолов позволяет исследовать непосредственно эманации радона.

Методы полевой радиометрии находят широкое практическое применение, поскольку, обладая относительно низкой стоимостью производства работ, они отличаются большой эффективностью при геологическом изучении и картировании территорий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебная практика студентов 3-го курса направления 553200 "Геология
и разведка месторождений полезных ископаемых" должна продемонстрировать студентам применение геофизических методов при решении геологических задач. В процессе прохождения практики студенты должны освоить основы методики полевых наблюдений с геофизической аппаратурой, научиться производить первичную камеральную обработку полевых материалов и получить начальные знания по практическому применению методов геологической интерпретации материалов геофизических съемок.

Итогом учебной практики является отчет, составленный бригадой студентов-исполнителей, который представляется для публичной защиты

и выставления оценки по учебной геофизической практике. Отчет должен содержать текстовую часть, дающую описание методики практического применения изученных геофизических методов и приемов обработки материалов, а также все журналы практических полевых наблюдений и графические приложения. Отчет должен свидетельствовать о понимании проблем и возможности практического применения студентами геофизических методов для решения конкретных геологических задач.