Геолого-геофизические изыскания в геофизике

Индивидуальные  различия в накоплении радиоактивных  элементов обусловлены в основном составом магматических пород.

  5.5 Классификация ядерно-геофизических методов.

Основой принятой в настоящее время классификации ядерно-геофизических методов является различие источников радиоактивного излучения и типов регистрируемых полей

Среди методов, основанных на изучении естественной радиоактивности (радиометрических методов), основная роль принадлежит гамма-методу (ГМ). Методы, в которых используют другие виды излучения (α, β), применяют крайне редко из-за малой проникающей способности α- и β-частиц.

В гамма-методе регистрируют либо суммарное γ-излучение всех естественных радиоактивных элементов — урана, тория и калия (интегральная модификация), либо осуществлявляют дельное определение на основе анализа энергетичёского спектра γ-излучения (спектрометрическая модификация).

Эманационный метод (ЭМ) основан  на измерении α радиоактивных газов (радона, торона и актинона) и их живущих продуктов распада.

В методах, основанных на изучении искусственной  радиоактивности, выделяют две основные группы: 1) гамма-методы, в которых  регистрируют излучение, возникающее  в процессе облучения пород источником γ-квантов, и 2) нейтронные методы, связаный с изучением процессов взаимодействия нейтронов с породами и рудами. _:

Рентгенорадиометрический  метод основан на изучении характеристического  рентгеновского излучения, возникающего под действием γ- или рентгеновского излучения источника.

Метод ЯГР основан на регистрации резонансного рассеяния и поглощения γ-квантов ядрами некоторых элементов.

Поисковые возможности ядерно-геофизических  методов ограничиваются их малой глубинностью, которая составляет 1—2 м при регистрации естественной радиоактивности и доли миллиметра при использовании некоторых типов искусственного излучения. Поэтому наземные и дистанционные съемки выполняют только в открытых районах.

Основной  областью применения ядерно-геофизических  методов с использованием искусственных источников излучения является определение вещественного состава и физических свойств пород и руд в условиях естественного залегания. Существенное место занимают ядерно-геофизические методы в комплексе скважинных исследований.

5.6 Радиометрические методы

 Наземная гамма-съемка

Масштабы  наземных съемок определяются целевым  назначением работ (геологическая съемка, поиски месторождений радиоактивных или парагенетически связанных с ними элементов) и стадией, на которой они применяются. Выбор вида съемки (пешеходная, шпуровая, автомобильная, глубинная) зависит в первую очередь от мощности и состава перекрывающих отложений и ландшафтной обстановки.

При проведении поисковых работ  на уран в дополнение к перечисленным материалам составляют каталог аномалий и проводиться, их классификацию.

Эмаиационная съемка

При эманационной съемке концентрация радиоактивных  газов 1 (радона и горона) определяется в подпочвенном воздухе. Эманацнонные съемки выполняют на площадях, перекрытых элювиально-делювиальными отложениями мощностью до 5-10 м. При глубинных съемках пробы подпочвенного воздуха отбирают из скважин глубиной от 2 до 30 м, но не ниже уровня грунтовых вод. Неблагоприятными факторами, ограничивающими применение; эманационного метода, являются обводненность рыхлых отложений, наличие в них глинистых прослоев, экранирующих распространение эманации, развитие многолетней мерзлоты, моренные и щебенистые отложения. Результаты эманационной съемки представляют в виде карт или планов графиков концентрации эманации в беккерелях на; кубический метр.

Воздушная и морская гамма-съемки

Воздушные съемки выполняют в масштабах от 1 : 50 ООО до 1 : 10 ООО при высоте полета не более 75 м.

Благоприятными  для постановки аэрогамма-спектрометрических (АГСМ) съемок являются площади, большая часть которых обнажена или перекрыта маломощным чехлом элювиально-делювиальных отложений.

Измерения осуществляют в четырех энергетических каналах, три из которых соответствуют интенсивным линиям спектра γ-излучения U, Тh и К, а четвертый — предназначен для измерения интегрального потока γ-квантов. Радиометрическое опробование

Радиометрическое опробование служит для определения содержания радиоактивных элементов в рудах в условиях их естественного залегания и в отбитой массе. \

Радиометрическое  опробование, как и другие виды ядерно-геофизического опробования, имеет ряд преимуществ по сравнению с химическим. При ядерно-геофизическом опробовании исключаются такие малопроизводительные операции, как отбор и обработка проб. Существенное значение имеют представительность опробования и быстрота получения данных (экспрессность).

Сеть  наблюдений при всех видах ядерно-геофизического опробования определяется размерами рудных зон и степенью равномерности оруденения.

Радиометрический  анализ.

Анализ  служит для определения содержания радиоактивных элементов в породах, рудах, геохимических пробах и продуктах химической обработки проб. Содержание элементов находят путем сравнения излучения пробы и стандартного образца (эталонной пробы) с известным содержанием анализируемого элемента. При этом возможны определения как истинных, так и эквивалентных концентраций элементов.

5.7 Гамма-гамма методы

Плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П)

Метод основан на регистрации рассеянного горной породой γ-излучения источника, помещаемого в среду или на ее поверхность.

При постоянных условиях измерения поток рассеянного γ-излучения является функцией плотности и атомного номера среды:

При определении плотности выбирают такие условия изменения, при которых влияние вещественного состава минимально.

Глубинность ГГМ-П невелика и зависит от многих факторов. Она возрастает с увеличением длины зондов и энергии γ-квантов и убывает для сред с высокой плотностью. ГГМ-П применяются для определения плотности пород и руд в условиях естественного залегания (обнажения, стенки горных выработок, шпуры, скважины) и при лабораторном анализе штуфных и керновых проб.

Селективный гамма-гамма-метод (ГГМ-С)

Метод служит для определения вещественного состав руд. Регистрацию рассеянного породой γ-излучения от внешнего источника выполняют в условиях, при которых основным процессом

Возможности ГГМ-С определяются связью с содержанием в породе элементов с высоким атомным номером. В связи с этим ГГМ-С обычно применяют для определения содержания в рудах тяжелых элементов, таких как Рb, W, Ва и др.

Селективный гамма-гамма-метод используют для  выделения руд и оценки содержания в них тяжелых элементов в  условиях естественного залегания, в транспортных емкостях и при лабораторном анализе.

Чувствительность  измерений примерно соответствует 0,1—0,2 % для элементов, имеющих атомный номер 80, и 0,2—0,4 % для таких элементов, как Ва, Sb и Sп (Z = 50÷56). При определении содержания элементов со средними атомными номерами (20—30) чувствительность снижается до 0,5 %.

Точность  определения содержаний отдельных элементов зависит в значительной степени от минерального состава руд. Для моноэлементных руд относительная средняя квадратическая погрешность определения тяжелого элемента в рудном интервале длиной 1—2 м обычно составляет 5—20 %. Для богатых железных руд (40—65 % Ре) относительная погрешность определения в рудных интервалах 1—5 м не превышает 2—4 %.

Рентгенорадиометрический  метод (РРМ)

Метод основан на регистрации рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии низкоэнергетического γ-излучения с электронами внутренних оболочек атомов анализируемых элементов.

РРМ находит практическое применение при поисках, разведке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых. На его основе определяют содержание широкого круга элементов (от Са до U) в условиях естественного залегания пород (обнажения, горные выработки, закопушки, скважины), в транспортных емкостях, геохимических пробах, при лабораторном анализе порошковых и штуфных проб.

Глубинность метода очень мала и  меняется в зависимости от свойств источника и среды от первых сантиметров до долей миллиметра. Поэтому при использовании РРМ необходимо устранять или учитывать различного рода помехи, такие как неровности поверхности опробования, окисленность руд и пород, гетерогенность среды и др.

При поисковых работах РРМ используют для определения содержания элементов  в условиях естественного залегания  пород и экспресс-анализа геохимических  проб. Последний выполняют либо непосредственно  на точках поисковой сети, либо в  полевой лаборатории.

Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР)

Метод основан на регистрации резонансного поглощения и рассеяния γ-квантов ядрами некоторых элементов. Поглощение и рассеяние γ-квантов без потерь энергии при взаимодействии с ядром (эффект Мессбауера) при нормальной температуре и сравнительно низкой концентрации наблюдается у ядер изотопов ⁶⁷Fe, ¹¹⁹Sn и некоторых редкоземельных элементов. В практике метод ЯГР применяется при опробовании и анализе олово- и железосодержащих руд.

Источниками излучения служат изотопы, энергия у-квантов которых равна энергии резонансного уровня облучаемых ядер или очень близка к ней. Чтобы выделить резонансное поглощение и рассеяние у-квантов, надо нарушить условия резонанса т. е. изменить энергию излучаемых источником у-квантов. Это достигается перемещением (вибрацией) источника относительно исследуемой среды, что вследствие эффекта Допплера обеспечивает изменение энергии излучаемых у-квантов. Максимум поглощения при неподвижном источнике наблюдается в том случае, когда источник и облучаемая среда имеют одинаковый химический состав.

Глубинность исследований на основе ЯГР изменяется от 1 мм для кварц-касситеритовых руд  до 0,1 мм для галенит-касситеритовых.

Преимущество  метода ЯГР при опробовании руд  олова по сравнению с РРМ заключается в том, что метод ЯГР служит для определения олова только в касситерите, не отражая присутствие этого элемента в других соединениях. По чувствительности и точности метод ЯГР уступает РРМ.

5.8. Гамма-нейтронный метод (ГНМ)

Метод основан на регистрации потока нейтронов, возникающих при облучении горных пород потоком γ-квантов.

Для большинства элементов испускание нейтронов в результате взаимодействия γ-квантов с ядрами происходит при энергии свыше 6—12 МэВ. Исключение составляют ядра бериллия и дейтерия, у которых энергия связи нейтронов в ядре соответственно равна 1,67 и 2,23 МэВ. В связи с этим ГНМ применяют в основном для поисков, опробования и анализа бериллиевых руд. Возможности метода существенно расширяются благодаря тому, что Ве в качестве элемента-спутника встречается во многих типах гидротермальных месторождений.

В качестве источника γ-излучения при анализе на Ве используют изотоп Sb, имеющий период полураспада 60 сут и испускающий γ-кванты энергии 1,69 и 2,09 МэВ.

5.9.Нейтронные методы. Нейтрон-нейтронный метод (ННМ)

Сущность метода заключается в регистрации потока замедлившихся нейтронов от помещенного в среду источника быстрых нейтронов.

Распределение в породах замедлившихся до тепловой или надтепловой энергии нейтронов  зависит от водородосодержания среды и присутствия в породах элементов с аномально высокими сечениями захвата нейтронов. В соответствии с этим ННМ используют для определения: 1) влажности грунтов и почв; 2) пористости пород; 3) содержаний элементов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов.

Изучение  пористости пород с применением  стационарных и импульсных источников нейтронов осуществляют в скважинах  на нефтяных и газовых месторождениях для оценки коллекторских свойств  пород.

Нейтронный гамма-метод (НГМ)

Нейтронный гамма-метод основан на регистрации γ-излучения, возникающего при радиационном захвате нейтронов ядрами

элементов.

Нейтронный гамма-метод применяют в двух модификациях: интегральной (НГМ) и спектрометрической (НГМ-С).

Спектрометрия захватного γ-излучения используется для определения содержания элементов, обладающих большим сечением радиационного захвата нейтронов и имеющих простое строение спектра в области энергии свыше 3—6 МэВ. К таким элементам относятся Сl, Тi, Fе, Сr, Мп, Ni, Си, S, Са, Si.

Интегральную модификацию НГМ используют преимущественно в скважинных исследованиях. В практике наземных работ нейтронную гамма-съемку в комплексе с нейтрон-нейтронной съемкой выполняют в автомобильном варианте.

5.10 Активационный метод (АМ)

Сущность метода состоит в регистрации излучения радиоизотопов, образовавшихся в результате ядерных превращений под действием нейтронов, γ-квантов или заряженных частиц. Наибольшее распространение в ядерно-геофизических методах получила активация нейтронами.

При облучении породы потоком нейтронов вероятность ядерных превращений одного ядра определяется сечением активации σ_а. Из распространенных в природе изотопов наибольшие σ_а характерны для ⁵⁵Мп, ⁶³Си, ⁶⁵Си. Эффект активации зависит от числа активируемых ядер которое пропорционально содержанию элемента в породе и концентрации в нем соответствующего изотопа.

 Активационный метод находит применение при поисковых съемкахш, выделении и изучении руд в условиях скважин и горных лабораторном анализе образцов а проб.

Нейтронно-активационные съемки проводят с целью поисков месторождений фторсодержащих руд, поэтому нередко их называют фторометрическими.

Порог чувствительности нейтронно-активационного метода определения фтора  в полевых условиях равен 0.05%. Глубинность нейтронно-активационной съемки зависит от плотности и влажности среды. Для рыхлых элювиально-делювиальных отложений глубинность составляет около 10 см. 

Высокая чувствительность и избирательность нейтронно-активационного метода определения фтора в полевых условиях способствует применению фторометрических съемок при поисках различных типов месторождений, прежде всего таких, в которых фтор входит в состав минералов, имеющих промышленную ценность (флюорита, апатита, криолита, флогопита и Др.).