Лекция 16. Ядерная геофизика. 5.1 Физико-геологические основы гамма - и нейтронных методов (стр. 2 )

Концентрация радиоактивных элементов в земной коре невелика: 2,5·10-4% U, 1,3-10-3% Тh и 2,5%К. В небольших количествах они имеются в живых организмах. Так, в организме человека находится около 2·10-5гр U, 10-10 гр Rа и около 140гр К.

5.1.3 Радиоактивность горных пород и подземных вод

Первичным источником радиоактивных элементов в земной коре являются горные породы магматического происхождения. В них концентрация радиоактивных элементов находится в прямой зависимости от концентрации SiO2 и в связи с этим закономерно убывает от кислых пород к ультраосновным (табл.5.2).

Таблица 5.2-Концентрация U, Ra, Th, K, Si в магматических горных породах (по )

Основность пород	CU·104	CRa·104	CTh·104	CK·104	CSi·104	CTh/CU·104
Кислые	3,5	1,20	18	3,34	32,3	5,1
Средние	1,8	0,60	7	2,31	26,0	3,9
Основные	0,5	0,27	3	0,88	24,0	3,7
Ультраосновные	0,003	0,01	0,005	0,03	19,0	1,7

В таблице 5.2 даны дифференцированные по типам пород концентрации, в которых допущено значительное усреднение. Для различных разновидностей пород эти цифры могут значительно изменяться. Например, радиоактивность пород гранитного состава розовых и красных разновидностей больше радиоактивности пород серого цвета. В эффузивных породах содержание урана обычно больше, чем в интрузивных. При сравнении разновозрастных пород одного петрографического состава большей радиоактивностью обладают более молодые породы.

Концентрация радиоактивных элементов в горных породах осадочного происхождения очень изменчива и не находится в прямой связи с радиоактивностью первичных пород, так как при разрушении и переносе материала магматических пород в бассейны накопления осадков уран переходит в растворенное состояние и дальнейшие его миграция и накопление могут проходить не по тем путям, по которым проходит миграция обломочного материала. Кроме того, в последующие геологические эпохи процессы миграции приводят к обогащению или разубоживанию осадочных пород ураном. Несмотря на отсутствие генетической связи между видами осадочных пород и концентрацией урана в них, для осадочных пород также наблюдаются некоторые закономерности нахождения в них урана (табл.5.3).

Таблица 5.3-Средние концентрации U, Th и K, CTh/CU в осадочных породах

Порода	CU·104	CTh·104	CK·104	CTh/CU·104
Глины и сланцы	4,0	11,0	3,2	2,8
Песчаники	3,0	10,0	1,2	3,3
Известняки	1,4	1,8	0,3	1,3
Хемогенные породы (галит, гипс, ангидрит)	0,1	0,4	0,1	4,0

Концентрация урана в осадочных породах подчиняется следующим закономерностям. В породах одного типа концентрация урана больше в разновидностях, характеризующихся меньшим размером частиц (для обломочных пород), большим содержанием органического вещества, главным образом битума, высоким содержанием фосфора. Так как уран попадает в осадочные породы в растворенном виде, а торий, образующий труднорастворимые соединения, может попасть в процессе осадконакопления в виде минеральных включений в обломках, торий-урановое отношение в осадочных породах характеризуется меньшими величинами, чем в магматических породах.

В метаморфических породах, особенно в случаях участия магматических продуктов в процессах метаморфизма, концентрация урана может быть выше, чем в осадочных породах, но все же ниже, чем в магматических.

Большой интерес представляет концентрация урана в почвах. Здесь она находится в прямой зависимости от концентрации урана в почвообразующих минералах и зависит от размеров частиц почвы - в глинистых почвах урана больше, чем в песчанистых. Так как ториевые минералы практически не растворяются, происходит обогащение верхних горизонтов почвы торием и торий-урановое отношение в почвах значительно колеблется (от 4,4 до 80), но всегда в почвах выше, чем в почвообразующих породах. Отношение содержания урана и радия в почвах подчинено не законам накопления радия из урана, а химизму почв. Часто уран оказывается более подвижным, чем радий, и легче вымывается из почв, в связи с чем Крр таких почв может значительно превышать 1,0. Однако в некоторых болотистых почвах наблюдается преобладание урана по сравнению с радием (Крр<1).

Уран в горных породах может находиться в различных формах: в виде урановых минералов, в изоморфных примесях в так называемых «урансодержащих минералах», в том числе в акцессорных минералах магматических пород, а также в рассеянном состоянии. Форма нахождения урана в горных породах практически не оказывает влияния на их радиологические характеристики. Но при радиометрическом изучении урановых руд приходится считаться с формой нахождения урана в руде.

Соединения 6-валентного урана (UO22+) легкорастворимы в воде. Благоприятными условиями для перехода урана из 4-валентной формы в 6-валентную являются либо низкие, либо высокие значения рН воды. При низких рН, например рН-4 (кислая среда), растворенный уран (U") мигрирует в горных породах до соприкосновения с восстановителями, понижающими окислительно-восстановительный потенциал до Еh=0,1В. Такими восстановителями являются сероводород, вещества органического происхождения, главным образом битумы, фосфор, железо. В образовавшемся на пути ураноносных растворов геохимическом барьере изменяются физико-химические условия, и уран осаждается из водного раствора в виде труднорастворимых соединений. При рН>8 (щелочная среда) уран также хорошо растворяется и мигрирует в виде соединений типа Na4UO2(HCO3)3. Эти соединения устойчивы при низком или высоком рН. В зоне нейтрализации растворимость комплексных соединений уменьшается, комплексы разрушаются. Например, при уменьшении рН от 8 до 7 растворимость [(UO2) (СО3)3]4- уменьшается более чем в 10 тыс. раз, в связи с чем образуются урановые минералы, содержащие уранильную группу UO22+. В результате в проницаемых для подземных вод породах возникают скопления урановых минералов, во многих случаях представляющие промышленный интерес. Процессы растворения подземными водами, переноса и отложения урана изучаются радиогидрогеологией, но количественные измерения радиоактивных элементов в подземных водах осуществляются радиометрическими методами.

Концентрация радиоактивных элементов в воде измеряется в беккерелях на метр кубический и в беккерелях на литр (Бк/м3 и Бк/л), но во всех литературных источниках она дана в традиционных единицах - кюри на литр, в граммах на литр (Ки/л, г/л). В таблице 5.4 приведены сведения из разных источников, позволяющие судить о порядке величин.

Радий в подземных водах встречается в различных концентрациях, что обусловлено большой зависимостью растворимости радия от типа вод и особенно от содержания в воде ионов СО32- и SiO42-.

Соединения тория, как наиболее труднорастворимые, практически отсутствуют в подземных и поверхностных водах. В поверхностных водах концентрация изотопов тория лежит в пределах 10-9 – 10-7 г/л.

Газообразные продукты радиоактивных превращений - радон и торон - присутствуют в достаточно больших концентрациях в водах месторождений урана и в породах, богатых ураном.

Таблица 5.4-Объемные активности и концентрации U, Ra и Rn в подземных и поверхностных водах

Вид вод	Объемная активность, Бк/л
CU, г/л	CRa, г/л	CRn, Ки/л
Подземные воды урановых месторождений	2,5·10-3 – 110 (2·10-6 – 9·10-2)	0,3-75 (8·10-12 – 2·10-9)	2·102 – 2·105 (5·10-9 – 5·10-6)
Подземные воды вне месторождений урана	2,5·10-5 – 4·10-2 (2·10-8 – 3·10-5)	0,04-370 (1·10-12 – 1·10-8)	3,7 – 1,5·103 (1·10-10 – 4·10-8)
Воды крупных рек СНГ	2,5·10-4 – 1,2·10-2 (2·10-7 – 1·10-5)	9·10-3 – 0,15 (2·10-13 – 1·10-12)	-
Воды озер	2,5·10-4 – 50 (2·10-7 – 4·10-2)	4·10-4 – 0,3 (1·10-13 – 8·10-12)	-
Воды морей и океанов	5·10-5 – 3·10-3 (4·10-8 – 4·10-6)	1·10-4 – 1 (3·10-15 – 3·10-11)	-
Примечание: концентрации указаны в скобках

Дифференциацию горных пород по концентрации в них радиоактивных элементов, вынос радиоактивных элементов в почву и повышенную концентрацию их в подземных водах вблизи урановых месторождений можно рассматривать как основные предпосылки для поисков месторождений урана радиометрическими методами.

5.1.4 Гамма-излучение горных пород и руд

При производстве радиометрических поисков на современном этапе главную роль играет γ-излучение горных пород - активность горных пород в точке измерения и спектральный состав излучения. Многообразие форм залегания пород и условий измерения определяют сложные картины наблюдаемых γ-полей. Это многообразие сводится к трем элементарным формам: бесконечной излу-чающе-поглощающей среде, полубесконечной излучающе-погло-щающей среде и излучающе-поглощающей среде ограниченных размеров.

Измерения γ-излучения производятся либо на поверхности излучающего тела, либо на поверхности неактивной среды, экранирующей излучающее тело, либо внутри излучающего тела (в шпуре, в скважине), иногда с дополнительным экранированием детектора излучений.