Ядерно-геофизические методы
ЯДЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ (а. nuclear-geophysical methods; н. kerngeo- physikalische Methoden; ф. diagraphie nucleaire; и. metodos nucleo-geofisiсоs) — совокупность геофизических методов, основанных на исследовании естественных и искусственно вызванных полей ядерных излучений в горных породах. Изменение полей излучений и взаимодействие радиоактивных излучений с горными породами зависит от состава и свойств горных пород и насыщающих их флюидов (газа, нефти, воды). Ядерно-геофизические методы используются для изучения состава, геологического строения земной коры, процессов, протекающих в недрах Земли, а также поисков, разведки месторождений полезных ископаемых и контроля их разработки. В отличие от других геофизических методов ядерно-геофизические методы дают непосредственную информацию об элементном и радионуклидном составе изучаемых объектов.
Ядерно-геофизические методы различают по виду первичного (возбуждающего) и вторичного (регистрируемого) излучения, типу изучаемой ядерной реакции или эффекта взаимодействия излучения с веществом, способу и режиму измерений. Наиболее распространённый из ядерно-геофизических методов гамма-метод основан на измерении интенсивности потока или спектра гамма-излучения естественных радиоактивных нуклидов, содержащихся в горных породах (главным образом гамма-излучения, продуктов распада урана и тория, а также радионуклида К). В интегральном варианте по данным гамма-метода изучают общую гамма-активность горных пород, в спектрометрическом — гамма-активность отдельных радионуклидов и их концентрацию. Гамма-гамма-методом (ГГМ) измеряют поток или спектр рассеянных горных пород гамма-излучения, возникающего при облучении их гамма-квантами внешнего источника. ГГМ применяют в основном для определения плотности горных пород, в первую очередь при геофизических исследованиях скважин.
Реклама
Нейтронные методы (HM) основаны на облучении горных пород нейтронами внешних источников и регистрации нейтронного или гамма-излучения, возникающего в результате различных реакций взаимодействия нейтронов источника с ядрами элементов, входящих в состав горных пород. Методы, основанные на регистрации естественного нейтронного потока горных пород, не нашли широкого применения. HM включают стационарные и импульсные нейтрон-нейтронные (HHM и ИННМ) и нейтронные гамма- (НГМ, ИНГМ) и нейтронные активационные методы (HAM). Каждая из этих групп методов содержит ряд модификаций. Наиболее информативными являются спектрометрические варианты НГМ, ИНГМ, HAM, в которых по спектрам вызванного нейтронами гамма-излучения определяют элементный состав исследуемых геологических объектов. HM — самые информативные из ядерно-геофизических методов и используются для решения широкого круга геологических задач.
Рентгенорадиометрический метод, применяемый в рудной геофизике, основан на облучении горных пород или руд низкоэнергетическим (до 200 кэВ) гамма-излучением от радионуклидных источников и измерении характеристического рентгеновского излучения атомов. Гамма-нейтронным методом регистрируют фотонейтроны, образующиеся при облучении горных пород гамма-квантами высоких энергий с целью выявления бериллиевых руд. Метод ядерного гамма-резонанса, основанный на эффекте Мёссбауэра, используется при поисках и разведке руд олова и железа.
При проведении ядерно-геофизических съёмок наиболее широко используются гамма-методы (Гамма-съёмка), реже эманационная, радиогидрогеологическая, рентгенорадиометрическая, гамма-нейтронная и др. Для опробования руд применяют гамма-методы, рентгенорадиометрические, нейтронные и гамма-активационные методы. При Геофизических исследованиях в скважинах наибольшим распространением пользуются Гамма-каротаж, Гамма-гамма-каротаж, Нейтрон-нейтронный каротаж и Нейтронный гамма-каротаж. Для изучения динамики подземных флюидов (нефть, вода) и оценки фильтрационных свойств пластов в нефтепромысловой геологии, инженерных и гидрогеологических исследованиях, а также для контроля технического состояния скважин используется метод радиоактивных индикаторов, основанный на закачке трития или радона в скважину и измерении радиоактивности проб воды в соседних скважинах.
Становление ядерно-геофизических методов относится к 20-м гг., когда А. П. Кириковым, Л. И. Богоявленским, А. Г. Граммаковым, Г. В. Горшковым в CCCP были заложены основы поисково-разведочной радиометрии. Дальнейшее развитие ядерно-геофизических методов связано с достижениями ядерной физики, её методов и технических средств. В конце 30-х — начале 40-х гг. были предложены и опробованы нейтронно-активационный анализ (1936, Д. Хевеши, Х. Леви — Венгрия), гамма-каротаж (1937, Г. В. Горшков — CCCP), нейтронный каротаж (1939-41, Б. Понтекорво — США, Я. Г. Дорфман, А. И. Заборовский — CCCP). В концу 40-х — 50-х гг. появились гамма-гамма-каротаж (1947, Ф. Халленбах — ФРГ), рентгенорадиометрический метод (1954, Л. Райфел, Р. Хемфриц — США), импульсный нейтронный каротаж (1955, Г. Н. Флёров — CCCP). В 50-е -60-е гг. сформировались основные направления ядерной геофизики, разработана теория методов и принципы создания аппаратуры, большой вклад в создание и развитие которых внесли советские учёные Ф. А. Алексеев, Ю. П. Булашевич, Д. Ф. Беспалов, Г. М. Воскобойников, Б. Г. Ерозолимский, Б. Б. Лапук, Д. И. Лейпунская, Л. С. Полак, Г. Н. Флёров, Ю. С. Шимелевич, А. Л. Якубович и др.
Источник
Ядерно-физические методы
Как отмечалось выше, ядерно-физические (изотопные) методы—это методы эле- ментного экспрессного химического анализа горных пород, основанные на изучении физических явлений, происходящих при искусственном облучении горных пород ней- тронами или гамма-квантами разных энергий.
Общая характеристика. В искусственных ядерно-физических методах облуче- ние образцов горных пород или стенок горных выработок и обнажении проводят с по- мощью ампульных источников из тех или иных радиоактивных элементов и их смесей или генераторов нейтронов. Для получения излучений разных энергий источники по- мещают в экраны-замедлители, ослабляющие излучения (свинцовые — для гамма- излучений, кадмиевые или парафиновые — для нейтронов). Наибольшее практическое применение ядерно-физические методы получили при геофизических исследованиях скважин (см. гл.7). Ниже рассмотрим лишь несколько лабораторных методов, в кото- рых изучаются образцы или обнажения горных пород.
Нейтронные методы. 1. Активационный анализ. Сущность активационного ана- лиза сводится к облучению образцов горных пород быстрыми или медленными ней- тронами и изучению наведенной искусственной радиоактивности. При этом изменяется как время облучения, так и время изучения наведенной альфа-, бета- или гамма- активности. Например, измерив интенсивность вторичного гамма-излучения для раз- ных времен после окончания облучения, по графику зависимости Iγn (t) от t можно оценить период полураспада и содержание радиоактивного элемента в образце.
Активационный метод характеризуется повышенной чувствительностью к эле- ментам, отличающимся высокой активационной способностью, таким как Al, Cd, C1, Сu, К, Mn, Na, Р, Si и др.
2. Нейтронный анализ. Нейтронный анализ горных пород сводится к облучению их медленными нейтронами и определению плотности потока тепловых нейтронов Innили интенсивности вторичного гамма-излучения Inγ . Графики зависимости Inn (или Inγ ) от расстояния до источника характеризуют поглощающие свойства вещества. По ним выделяют элементы, ядра которых обладают аномально высоким сечением поглощения медленных нейтронов (В, Fe, Cd, Cl, Li, Mn, Hg, редкоземельные элементы и др.). Ши- роко используют автомобильную и пешеходную борометрические съемки для выявле- ния бора в слое толщиной до 25 см.
На выявлении аномально высокого сечения замедления нейтронов основаны ме- тоды изучения водородосодержащих пород. В частности, с помощью влагомеров опре- деляют влажность горных пород, если их плотность определена другими методами (на- пример, ГГМ-П).
3. Гамма-спектральный метод. Гамма-спектральным методом изучают спектраль- ный энергетический состав вторичного гамма-излучения радиационного захвата Inγ . Возможность таких исследований основана на том, что каждый элемент облучаемой породы, захватывая тепловые нейтроны, дает Inγ определенной энергии и спектра. Гам- ма-спектральный метод применяют для анализа руд, содержащих Fe, Cu, Ni, Al, К, Na и другие элементы.
Гамма-методы. 1. Фотонейтронный анализ. Основан на облучении образцов размельченной горной породы жесткими гамма-квантами высоких энергий (свыше 1—
2 МэВ) и определении интенсивности вторичных нейтронов Iγn. Повышение Iγn наблю- дается в присутствии бериллия и дейтерия, поэтому фотонейтронный анализ находит наибольшее применение при анализе содержания этих элементов и, в частности, при изучении водоносных и нефтеносных пород, в которых много дейтерия.
2. Плотностной гамма-гамма метод. Если горные породы облучать гамма- квантами с энергией свыше 0,3 МэВ, то в них преобладает комптоновское рассеяние, которое слабо зависит от состава породообразующих минералов, но определяется их плотностью (см. п. 5.1). Интенсивность Iγγ на расстоянии свыше 20 см от источника из- меняется по экспоненциальному закону в зависимости от плотности. На этом явлении основан плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П), с помощью которого определяют плотность в слое толщиной до 20 см.
3. Селективный гамма-гамма метод. Если горные породы облучать гамма- квантами слабых энергий (меньше 0,3 МэВ), то происходит их фотоэлектрическое по- глощение. Определяемый по Iγγ коэффициент ослабления лучей зависит от эффектив- ного атомного номера породы. На использовании этого явления основан селективный гамма-гамма-метод (ГГМ-С) для определения содержания в образцах, обнажениях и стенках горных выработок тяжелых элементов (Fе, Hg, Sb, Pb, W и др.).
4. Рентгенорадиометрический метод. При облучении горных пород мягким гамма- излучением (энергия меньше 0,1 МэВ) можно наблюдать характеристическое рентге- новское излучение. На его изучении основан рентгенорадиометрический метод (РРМ) определения содержания в породах многих элементов (Fe, Pb, Mn, Mo, Sb, Sn, Cr, W, Zn и др.).
Дата добавления: 2015-06-27 ; просмотров: 2153 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Геофизика
6.5. Ядерно-физические методы
6.5.1. Общая характеристика ядерно-физических (радиоизотопных) методов
В искусственных ядерно-физических (радиоизотопных) методах образцы горных пород, стенки горных выработок, скважин, обнажений облучаются или гамма-квантами от ампульных источников радиоактивных элементов, например, радия, или нейтронами из смеси солей полония и бериллия. Облучать можно также с помощью специальных генераторов нейтронов. Для получения гамма-квантов или нейтронов разных энергий их помещают в экраны-замедлители (свинцовые — для гамма-излучений, кадмиевые или парафиновые — для нейтронов). Меняя источники облучения ( γ или n ), их энергию, длительность облучения, изучая разные ядерные реакции источников облучения с электронами и ядрами атомов облучаемых горных пород и руд, можно получить информацию о их химическом составе, физико-механических свойствах, степени насыщенности пород разными флюидами (нефть, вода). Число ядерно-физических методов велико и каждый из них нацелен на решение определенных отмеченных выше задач, на выделение той или иной группы химических элементов в минералах и горных породах. Наибольшее практическое применение получили лабораторные и скважинные ядерно-физические методы.
6.5.2. Радиоизотопные гамма-методы
К радиоизотопным гамма-методам относятся методы изучения физико-химических свойств горных пород путем облучения их источниками гамма-квантов разных энергий. Рассмотрим некоторые из них.
1. Фотонейтронный анализ, или гамма-нейтроннный метод (ГНМ) , основан на облучении образцов размельченной горной породы жесткими гамма-лучами высоких энергий (свыше 1–2 МэВ) и измерении потоков вторичных нейтронов ( I γ n ). Потоки фотонейтронов оказались практически измеряемыми в присутствии в породе или руде бериллия и дейтерия . Для их измерения применяются специальные приборы — бериллометры , с помощью которых ведется изучение содержания бериллия в поверхностных отложениях, горных выработках, скважинах, транспортных емкостях. Фотонейтронный анализ используется для выявления водоносных и нефтеносных пород, в которых присутствует дейтерий .
2. Плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П) основан на облучении горных пород и руд гамма-квантами с невысокими энергиями (0,3–1,3 МэВ), когда преобладает комптоновское рассеяние . Оно практически не зависит от состава породообразующих минералов, но определяется их плотностью . Интенсивность рассеянного вторичного гамма-излучения ( I γγ ) на расстоянии свыше 20 см от источника изменяется по экспоненциальному закону обратно пропорционально плотности . На этом явлении построены различные плотностномеры , используемые как при анализе проб пород, так и изучении пород в естественном залегании (горные выработки, скважины и др.).
3. Селективный гамма-гамма метод (ГГМ-С) основан на облучении пород и руд гамма-квантами слабых энергий (меньше 0,3 МэВ), когда преобладает фотоэлектрическое поглощение. В этом случае I γγ зависит от эффективного атомного номера породы ( Z эф ), под которым понимается некоторый усредненный атомный номер, определяемый атомными номерами химических элементов в породе ( Z i ), поглощающих гамма-лучи, и их массовыми долями ( q i ) в ней, т. е.:
где N — общее число изученных в породе элементов. ГГМ-С применяется для изучения концентрации таких элементов, как железо, свинец, олово и др.
4. Рентгенорадиометрический метод (РРМ) основан на облучении горных пород мягким гамма-излучением (энергия меньше 0,1 МэВ), когда наблюдается характеристическое рентгеновское излучение. С помощью РРМ определяется содержание в рудах многих элементов (железа, свинца, марганца, молибдена, цинка, хрома, меди и др.). Существуют и другие ядерно-физические методы определения физико-химических свойств пород на образцах и в массиве.
6.5.3. Радиоизотопные нейтронные методы
В радиоизотопных нейтронных методах изучаемые породы облучаются нейтронами при разных энергиях, удалениях и временах облучения и измерения плотности потоков тепловых нейтронов ( I nn ) и вызываемого ими вторичного гамма-излучения ( I n γ ) и др.
1. Активационный анализ (НАК) сводится к облучению образцов руд быстрыми или медленными нейтронами и изучению наведенной искусственной радиоактивности. При этом изменяется как время облучения, так и время изучения наведенной альфа-, бета- или гамма-активности ( I n α , I n β , I n γ ). Измерив интенсивность вторичного гамма-излучения для разных времен после окончания облучения, по графику зависимости I n γ от t можно оценить период полураспада и содержание радиоактивного элемента в образце. Активационный метод характеризуется повышенной чувствительностью к элементам, отличающимся высокой активационной способностью, таким как алюминий, кадмий, калий, марганец, натрий, фосфор, медь и др.
2. Нейтронный анализ (ННМ и НГМ) сводится к облучению их медленными нейтронами и определению плотности потока тепловых нейтронов ( I nn ) или интенсивности вторичного гамма-излучения ( I n γ ). Графики зависимости I nn (или I n γ ) от расстояния до источника характеризуют поглощающие свойства вещества. По ним выделяют элементы, ядра которых обладают аномально высоким сечением поглощения медленных нейтронов ( бор, железо, кадмий, хлор, марганец, ртуть, редкоземельные элементы и др .). На выявлении аномально высокого сечения замедления нейтронов основаны методы изучения водородсодержащих пород . В частности, с помощью влагомеров определяют влажность горных пород, если их плотность определена другими методами (например, ГГМ-П).
3. Гамма-спектральным нейтронным методом (ГН-С) изучают спектральный энергетический состав вторичного гамма-излучения радиационного захвата I n γ . Возможность таких исследований основана на том, что каждый элемент облучаемой породы, захватывая тепловые нейтроны, дает I n γ определенной энергии и спектра. Гамма-спектральный метод применяют для анализа руд, содержащих железо, медь, никель, алюминий, калий, натрий и другие элементы.
Источник
