Радиоизотопные гамма-методы.

Методы ядерной геофизики основаны на использовании искусственных источников излучения, которые взаимодействуют с ядрами или электронами глубоких оболочек атомов анализируемых элементов. При взаимодействии возбуждающего (первичного) излучения с ядрами атомов образуются радиоактивные нуклиды, имеющие определенные периоды полураспада, вид и энергии испускаемых частиц и квантов. При взаимодействии первичного излучения с электронами атомов возбуждается характеристическое рентгеновское излучение. По вторичным излучениям ( a, b, g, n, характеристического рентгеновского) можно определить различные элементы как в пробах в условиях лаборатории, так и в рудах на месте их залегания.

В качестве первичного излучения используют в основном g и нейтронные поскольку a и b-излучения имеют малую проникающую способность. Исходя из этого, все ядерно-геофизические методы (ЯГМ) условно делят на гамма- и нейтронные методы.

ЯГМ имеют небольшой радиус действия (первые десятки сантиметров) и это ограничивает их возможности при решении разнообразных геологических задач.

 

Рентгенорадиометрический метод (РРМ).

Метод основан на возбуждении атомов анализируемых элементов первичным излучением и на последующей регистрации характеристического рентгеновского излучения возбужденных атомов. В результате фотоэлектрического взаимодействия мягкого g-излучения источника с электронами К- и реже L- оболочки происходит ионизация атомов. При вырывании одного из электронов с этих оболочек атом оказывается в возбужденном состоянии. Через короткое время ( 10^-8 с) на освободившееся место ионизированной оболочки переходит один из электронов с более удаленных оболочек. В процессе такого перехода избыток энергии атома выделяется в виде кванта характеристического излучения ( для элементов с Z> 13) либо передается вторичному электрону (для элементов с Z< 13). При этом с увеличением Z элемента энергия характеристического излучения возрастает.

Для вырывания электрона с той или иной оболочки необходимо, чтобы энергия первичного излучения была больше энергии связи электрона на данной орбите( энергии края поглощения).

Характеристическое излучение, испускаемое возбужденными атомами, имеет линейчатый спектр, который состоит из нескольких групп или линий (К, L, M и т.д.) сильно различающихся по энергиям. Наибольшую энергию имеет излучение К-серии, которое возникает при переходе электрона с более удаленной орбиты на К-оболочку.

Определение большинства элементов производят именно по излучению этой серии, которое является не только наиболее жестким, но и наиболее интенсивным. Элементы с высокими атомными номерами ( Z> 70) иногда определяют по L серии.

Интенсивность характеристического излучения зависит от энергии первичного излучения. При выборе источника важно обеспечить максимальную интенсивность аналитической линии определяемого элемента. Поэтому обычно применяют источники с энергией возбуждающего излучения примерно в 1, 5 раз превышающей энергию соответствующего края поглощения определяемого элемента. Так для определения элементов с Z=20-30 наиболее подходит нуклид 109Cd (Еg = 22кэВ), для элементов с Z> 65 - 57Co (123кэВ). Иногда используют двухступенчатый способ возбуждения, при котором первичное излучение воздействует на мишень, характеристическое излучение которой возбуждает атомы анализируемых элементов.

Для регистрации характеристического излучения элементов используют анализаторы на базе сцинтилляционных, пропорциональных и полупроводниковых детекторов. Последние применяют только для лабораторных анализов.

РРМ успешно применяют для опробования поверхностей горных выработок, шту-фных образцов, керна скважин и отбитой горной массы с целью определения Cr и Fe в хромитовых рудах, Mn и Fe в марганцевых рудах, Pb и Zn в свинцово-цинково-мо-либденовых рудах, а также Sb, W, Sn, Mo и др. Для этой цели выпускают двухканальные и 4-х канальные анализаторы, в которых можно использовать как сцинтилляционные (на элементы с Z> 40), так и пропорциональные (на элементы с Z=30-40) детекторы характеристического излучения.

Для уменьшения влияния изменения вещественного состава вмещающей породы и руды используют способ спектральных отношений. Сущность его заключается в том, что измеряют отношения скоростей счета в двух участках спектра, один из которых выбирают в пределах энергии характеристического излучения, а второй - в области рассеянного излучения. Спектральное отношение- h линейно зависит от содержания анализируемого элемента.

Глубинность метода не превышает 10-12 мм. Предел обнаружения в зависимости от атомного номера исследуемых элементов составляет n (10 ^-1- 10^-2)%. Относительная погрешность РРМ- опробования по сравнению с бороздовым не превышает ± 20% на интервал 1-3 м.

Применение РРМ перспективно для повышения эффективности геохимических поисков. С его помощью можно определять суммарное содержание халькофильных элементов (Cu, Zn, As, Pb) с пределом обнаружения (2-3) 10^-3 % путем опробования пород в естественном залегании или экспресс - анализа отобранных рыхлых образований. Эти элементы - характерные индикаторы полиметаллического, золото - сульфидного и других типов оруденения. Они формируют геохимические ореолы над рудными телами. Предпосылкой успешного применения РРМ для определения суммарного содержания Cu, Zn, As, Pb является возможность возбуждения и одновременной регистрации рентгеновского излучения К - серии Cu, Zn, As и L-серии Pb в энергетическом интервале 7-12, 6 КэВ.

 

Гамма-гамма методы (ГГМ).

ГГМ в полевом варианте применяют главным образом для определения плотности пород и руд (плотностной гамма-гамма метод ГГМ-П) и концентрации некоторых тяжелых элементов (селективный гамма-гамма метод ГГМ-С). Для облучения среды в обоих случаях применяют точечные источники, g-поле которых в конкретных условиях является функцией плотности среды s и ее эффективного атомного номера Z _эф. Под Z _эф породы понимают атомный номер такой моноэлементной среды, для которой полный коэффициент ослабления g- излучения равен таковому для сложной среды. При определенных условиях влияние s и Z _эф можно выделить отдельно. На этом основано применение двух модификаций гамма-гамма методов.

Изучение плотности ГГМ-П производят помещая на поверхность породы или внутрь нее зонд, состоящий из корпуса и источника g-излучения с его приемником, разделенных свинцовым экраном. Расстояние между источником и детектором называют длиной зонда R. Обычно R=20-60 cм. Если влияние вещественного состава минимально, (Z _эф =const), то рассеяние g -излучения будет только функцией плотности. Из всех процессов взаимодействия g - излучения с веществом, только комптоновское рассеяние ( Е > 0, 5 МэВ) не зависит от Z _эф. Поэтому в качестве источников используют радионуклиды 137Cz (0, 66 МэВ) и 60Co (1, 17 и 1, 33 Мэв). Для регистрации рассеянного излучения применяют газоразрядные и сцинтилляционные детекторы в металлических фильтрах, имеющие малую эффективность регистрации в низкоэнергетической области g-излучения. Характер зависимости рассеянного g-излучения Р_р от поверхностной плотности s R показан на рис.. Кривая имеет максимум (область инверсии), образовавшийся благодаря двум процессам: накоплению рассеянных квантов при комптон - эффекте ( слева от максимума при малых s ) и их поглощению в породе в процессе фотоэффекта (справа от максимума). Положение максимума зависит от энергии первичного излучения и длины зонда R. Плотность большинства пород определяют, используя спадающую ветвь кривой, выбирая " заинверсионный" зонд, когда мощность дозы рассеянного излучения обратно пропорциональна плотности. ГГМ-П применяют для определения плотности пород и руд в обнажениях, выработках, шпурах и скважинах, а также при лабораторном анализе проб. Погрешность определения плотности различна для разных плотномеров и достигает ± 0, 1 г/см³ для плотномера ПГП-2 и интервала плотностей 1, 0 - 2, 3 гсм^-3. Глубинность исследований составляет 6-10 и 10-15 см для источников 137Cz и 60Co, соответственно.

В ГГМ-С используют мягкое g-излучение (Еg < 0, 3 МэВ), для которого существенную роль играет фотоэлектрическое поглощение рассеянного излучения в горных породах. В этом случае регистрируемая активность рассеянного излучения будет зависеть от s и Z _эф пород, который однозначно связан с примесями тяжелых элементов. ГГМ-С применяют для опробования руд в обнажениях и горных выработках с целью определения концентрации таких элементов как Fe, Sn, Sb, Ba, W, Pb и другие элементы.

В качестве источников мягкого g-излучения применяют 75Se(Еg=136 и279 кэВ), 170Tm(тулий), 57Co. Детекторами служат сцинтилляционные счетчики с тонкими кристаллами NaJ (Tl). Источник и детектор помещают в зонд, корпус которого пропускает g-излучение с Еg < 0, 3 МэВ. Для уменьшения влияния плотности на результаты ГГМ-С используют следующие приемы: одновременно регистрируют g-излучение с Еg < 0, 3МэВ и Еg > 0, 5 МэВ; проводят измерения в области инверсии, применяют двойной зонд, в котором одновременное действие до- и заинверсионной областей будет компенсировать изменение плотности пород в интервале ± 1г/см³.

Для опробования используют радиометры, предварительно отградуированные на рудных моделях. По полученному градуировочному графику определяют концентрацию искомого элемента. Глубинность исследований зависит от энергии g-излучения источника, длины зонда, и Z эф руды или породы. Так при использовании источников 170Tm и 57Co глубинность не превышает 1-3 г/см3. Предел обнаружения Fe- около 0, 5%, а Sn, Sb и Ba 0, 2-0, 4 %. Погрешность определения этих элементов на рудный интервал 1-2 м < ± 20%.

 

Гамма - нейтроный метод (ГНМ)

Метод основан на регистрации нейтронов, возникающих в результате фотонейтронной реакции (g, n), заключающейся в расщеплении ядер элементов под действием жестких g-квантов при облучении горных пород или отобранных из них проб. Фотонейтронная реакция (g, n) имеет порог, равный энергии связи нейтронов в ядре ( для большинства элементов 6-12 МэВ). Только для 9Ве и 2Н она мала настолько, что реакцию (g, n) можно провести с помощью изотопных источников.

Для возбуждения ядер Ве наиболее подходящим является источник 124Sb (T_1/2= 60 сут., Е=1, 69 и 2, 09 МэВ). Проникающее в породу g-излучение в случае наличия в ней Ве образует поток нейтронов, величина которого пропорциональна концентрации в ней Ве. Для изучения ореолов Ве на поверхности пород и опробования руд применяют переносные приборы-бероллометры.

Благоприятным условием для поисков руд Ве по ореолам рассеяния является довольно спокойный фон нейтронного излучения.

 

Радиоизотопные нейтронные методы.

 

К нейтронным методам в ядерной геофизике относят методы, основанные на взаимодействии нейтронов с породами и рудами и на последующей регистрации вторичных нейтронов, возникающих в результате ядерных реакций, либо вторичного g-излучения, возникающего под воздействием нейтронов. В этих методах применяются изотопные( ампульные) источники, генераторы нейтронов и ядерные реакторы. Наиболее удобные из них - ампульные источники нейтронов, для которых характерны небольшие размеры и сравнительно небольшая мощность. В этих источниках нейтроны образуются в результате ядерных реакций типа (a, n). Мощность применяемых для исследований Pu+Be источников обычно колеблется в пределах (1-2)106с^-1,

Ро+Ве -(1-3) 10 6 с^-1.

Нейтрон - нейтронные методы

Использование нейтрон - нейтронных методов основано на том, что распространение нейтронов в горных породах зависит от замедляющих и поглощающих свойств этих пород. Замедление нейтронов определяется, в основном, содержанием Н в горных породах, а поглощающие свойства- наличием элементов с высоким сечением поглощения тепловых и надтепловых нейтронов: В, Li, Cd, Mn, Cl и др.

О п р е д е л е н и е в л а ж н о с т и г о р н ы х п о р о д. Для определения влажности горных пород и грунтов используют приборы-влагомеры, с зондами небольшой длины (5-10 см), в которые помещают источник и детектор нейтронов, разделенные свинцовым и парафиновым фильтрами. В качестве источников применяют Po+Be и Pu+Be, а в качестве детекторов - пропорциональные борные и сцинтилляционные детекторы тепловых нейтронов. Кожух, в который помещен зонд (обычно алюминиевый), является одновременно фильтром, поглощающим тепловые и замедляющим надтепловые нейтроны.

Приборы, используемые для измерений, предварительно градуируют на типичных грунтах с различной влажностью, котрую определяют независимыми методами. Градуировочный график строят для среднего значения плотности сухого грунта, а изменения плотности при полевых исследованиях учитывают, вводя соответствующую поправку. Глубинность исследований при определении влажности грунтов составляет 140 г/cм² при нулевой влажности и 30-50 г/cм² при влажности 10-40%. Относительная погрешность ее определения 2-10%.

Определение э л е м е н т о в с в ы с о к и м с е ч е н и е м п о г л о щ е н и я нейтронов. Наиболее полно разработана методика определения В в лабораторных и полевых условиях. Используются зонды с Ро+Ве источниками нейтронов и пропорциональными ( в автомобильном варианте) или сцинтилляционными ( для пешеходного варианта ) детекторами нейтронов. Предел обнаружения В2О3равен 0, 01%. В борометрах на сцинтилляционном детекторе тепловых нейтронов, источник (Ро+Ве) помещен в парафиновый блок для их термализации. Глубиннность метода 15-25 см. Перед измерениями приборы любого типа градуируют на искус-ственных пластах толщиной 30-40 см с известной концентрацией В2О3. При поисках В нейтронным методом присутствие мешающих элементов (Cl, Fe, Cd ) искажает результаты. Влияние Cl устраняется применением надтепловых нейтронов, которые практически не захватываются хлором. Влияние железа на порядок меньше ( в 13 раз), чем хлора, и чтобы исключить его влияние на борометрическую съемку, предварительно для каждого типа руд определяют его содержание.

 

Нейтронно - активационный метод

Нейтроно -активационным методом называют способ определения элементного или изотопного состава вещества, основанный на измерении наведенной активности искусственных радиоактивных нуклидов, образующихся при облучении горных пород нейтронами. В нейтронно-активационным методе различают активацию т е п л о в ы м и нейтронами (n, g) и б ы с –

т р ы м и нейтронами (n, p), (n, a). Образующийся радиоактивный нуклид характеризуется определенным периодом полураспада, видом и энергией излучения, что используется для идентификации элементов, входящих в горную породу.

Наведенная активность образца или горной породы Аt, которую регистрирует прибор в процессе измерений, определяется массой анализируемого нуклида m, потоком активирующего нейтронного излучения Ф, макроскопическим сечением активации S и временем активации ta.

At = Ф S m ( 1 - e -lta),

где l-постоянная распада активированного радионуклида.

При бесконечном времени активации (ta ®¥ ), будет наблюдаться максимальная наведенная активность( активность насыщения): А¥ =Ф Sm. При меньшем времени активации ta активность At = А¥ ( 1 - e -lt_a). Последнее выражение можно представить в виде

A_t / А¥ = ( 1 - e -lt_a) = 1 - e -( t_a/T_1/2) ln2,

где T_1/2=(ln2/l ) - период полураспада радионуклида.

 

На рисунке ниже приведен график зависимости A_t / А¥ от t_a / T_1/2 из которого видно, что при t_a = T_1/2, активность At достигает 0, 5 А¥ .и т.д. Увеличение времени облучения более чем на 3-4 Т1/2незначительно влияет на увеличение активности, т.к. количество активированных ядер компенструется их распадом. После окончания активации наведенная активность радионуклида уменьшаеься по закону e -lt_a. а ее изменение во времени определяется выражением

At = А¥ ( 1 - e -lta) e -lt₀,

где t₀-время остывания.

Выбирая соответствующее время активации или остывания можно уменьшить влияние мешающих нуклидов, присутствующих в горной породе. Раздельно определить анализируемый и мешающий элементы можно также по виду или энергии испускаемых g -квантов при использовании g-спектрометрии.

Нейтронный активационный метод применяют для анализа образцов и для полевой активационной съемки на F, а также при поисках месторождений W, Mo, Hg. В основе метода определения F лежит ядерная реакция 19F(n, a ) 16N — bg- ®16O. Радионуклид 16N ( Т_1/2=7, 4 с) в

 

 

Рис. График зависимости At/А¥ от t_a / T_1/2.

результате b-распада превращается в стабильный 16O; b-распад сопровождается испусканиемg-квантов с энергией 6, 14 МэВ. В качестве источников нейтронов используют Ро + Ве. Наведенную g -активность измеряют переносными гамма - спектрометрами в режиме пороговой или дифференциальной дискриминации.

Съемку выполняют по точкам профиля в закопушках по 20-30 см. На каждой точке измеряют фоновое g-излучение, затем в течение 30 с породу облучают нейтронами, выдерживают паузу в 5с и проводят измерение в течение 15 с. Предел обнаружения F для указанных режимов измерений и мощности источника 10⁷ с^-1 составляет 0, 05%, т.е. ниже кларковых концентраций F в земной коре (0, 066%). Глубинность исследований не превышает 10 см.

 

Список литературы

 

 

9.ТЕРМОРАЗВЕДКА

 

Термическая разведка основана на изучении распределения теплового поля Земли с целью исследования строения ее коры и поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. По сравнению с другими геофизическими методами терморазведка пока не находит широкого применения, но в определенных геолого-геофизических ситуациях удачно дополняет комплексы геофизических исследований (рис. ). Ведущим этот метод является при поисках г е о т е р м а л ь н ы х источников энергии.

 

Рис.?????

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: