Лекция 16. Ядерная геофизика. 5.1 Физико-геологические основы гамма - и нейтронных методов (стр. 4 )

КЭМ = АRn выд/АRn равн (5.15)

где АRn выд - активность свободного радона, выделившегося из образца; АRn равн - активность радона, находящегося в равновесии с радием в исследуемом образце.

Численные значения КЭМ колеблются от сотых долей - для монолитных пород до 0,9 и более - для рыхлых, влажных пород и руд. Значительное эманирование приводит к нарушению радиоактивного равновесия, к уменьшению активности γ-излучения руд, что учитывается при количественных измерениях.

Радон и его изотопы, будучи газообразными в обычных условиях веществами, легко перемещаются в горных породах вследствие диффузии - перемещения в направлении уменьшения концентрации. Движению радона в горных породах способствуют также газовые струи и подземные воды. Конечным результатом перемещения радона по трещинам и пустотам, имеющимся в горных породах, является его равновыделение в тектонические трещины и рыхлые отложения, которые перекрывают эманирующие породы.

Альфа-частицы радона, обладая энергией 876,8 фДж, способны производить механическое воздействие на поверхности твердых веществ. Например, на гладкой поверхности ацетилцеллюлозных пленок в результате облучения их α-частицами радона возникают механические повреждения, которые после специальной обработки пленки становятся хорошо видимыми при относительно небольшом увеличении микроскопа. Число таких следов-треков на единице площади пленки зависит от объемной активности радона в воздухе, находящемся в пустотах горной породы, и от времени экспозиции. При постоянстве экспозиции число треков на единице площади может быть мерой объемной активности радона в воздухе породы. Так как время экспозиции выбирается большим, метод может быть использован при неуловимо малых объемных активностях радона, измерение которых обычной радиометрической аппаратурой невозможно.

5.1.6 Распределение радона в рыхлых горных породах

Под рыхлыми породами подразумеваются автохтонные и аллохтонные отложения, перекрывающие породы, в которых залегает объект поисков - радиоактивное рудное тело. Наличие радона в рыхлых породах может иметь двоякое происхождение: за счет эманирования самой рыхлой породы и за счет радоновыделения руд или нижележащих пород. Эманирование может создавать значительные концентрации радона в воздухе, содержащемся в рыхлых породах (часто его называют «почвенным воздухом»).

Подсчет объемной активности радона может быть выполнен по формуле:

(5.16)

где avRn - объемная активность радона в Бк/л; aRa - удельная активность радия в материале горной породы в Бк/кг; kэм - коэффициент эманирования породы в отн. ед.; kп - коэффициент пористости породы в отн. ед.

Для определения коэффициентов эманирования и пористости отбирается образец породы, свойства которого соответствуют средним значениям пористости, плотности, структуре, условиям залегания породы и т. д. Образец помещается в герметически закрывающийся сосуд, из которого можно, не нарушая герметичности, отобрать воздух для анализа на радон. Такой отбор пробы производится через 8-10 сут после герметизации образца. В отобранном воздухе определяется активность радона (АRnвыд) выделившегося из образца в воздух сосуда. Образец извлекается и методом радиохимического анализа определяется активность радия в образце (АRаравн). По этим величинам находится коэффициент эманирования kэм.

Для определения коэффициента пористости образец парафинируется и определяется его объем Vобр, а затем образец измельчается и находится объем твердых частиц Vтв. Коэффициент пористости рассчитывается по формуле:

kп = (Vобр - Vтв)/Vобр (5.17)

Сравнивая значения объемной активности радона, вычисленных по (5.16) и практически измеренных при съемке, можно сделать выводы о наличии или отсутствии эманирующих рудных пород под толщей рыхлых отложений.

Если объемные активности радона, вычисленные по формуле (5.16) и определенные при эманационной съемке с помощью эманометра, примерно одинаковы, это указывает на то, что объемная активность радона обусловлена только эманированием пород, из которых отобрана проба воздуха. Если измеренная объемная активность радона значительно превышает вычисленную, можно допустить наличие дополнительного источника радона. Таким дополнительным источником радона могут быть рудные эманирующие породы и открытые тектонические нарушения.

Теория распространения радона в горных породах и перекрывающих их рыхлых отложениях разработана , , и . Выведены формулы, по которым можно определять объемную активность радона в любом пункте наносов, если известно содержание радия в коренных породах и перекрывающих их рыхлых отложениях, коэффициент эманирования коренных пород и рыхлых отложений, коэффициент газовой диффузии в рыхлых отложениях, период полураспада эманации и расстояние от поверхности коренных пород до пункта, в котором определяется концентрация радона.

Если рыхлые отложения имеют однородное строение и перекрывают коренные породы с кларковым содержанием в них радия, то объемная активность радона с увеличением глубины отбора проб будет постепенно увеличиваться, достигнет максимальной величины на глубине около 3м, после чего перестанет изменяться. Глубина H, на которой объемная активность радона будет иметь постоянное значение, зависит от коэффициента газовой диффузии (Рис.5.2).

Рисунок 5.2 - Изменение объемной активнсоти радона в воздухе, содержащемся в рыхлых породах

Для пористых пород (кривая 2) коэффициент газовой диффузии будет больше, чем для плотных малопористых пород, следовательно, в пористых породах объемная активность радона будет иметь постоянное значение на большей глубине, чем в плотных породах, а две точки в насосах «а» и «б» с отношением объемной активности радона, например, 5/4 в пористых породах будут находиться, дальше друг от друга, чем в плотных малопористых насосах (кривая 1).

Если основным источником радона являются залегающие нанекоторой глубине и перекрытые безрудными рыхлыми отложениями горные породы, обогащенные радием, объемная активность радона на поверхности таких пород будет величиной постоянной и может быть определена по свойствам породы.

Благодаря диффузии эманация распространяется по направлению к дневной поверхности, а ее объемная активность уменьшается так быстро, что графически это можно изобразить, применив по оси концентрации логарифмический масштаб.

График зависимости объемной активности радона от глубины отбора проб, построенный в нормальном масштабе, из-за резкого увеличения объемной активности радона будет представлять собой кривую, обращенную выпуклой стороной к оси глубин (кривая 3).

Расстояние, на которое удаляется эманация от поверхности коренных эманирующих пород, зависит от скорости ее распространения в рыхлых отложениях и от средней продолжительности жизни эманации. Теоретические расчеты и опытные данные говорят о том, что для радона (τ = 5,52сут) это расстояние в среднем равно 5-6м. Им и определяется глубинность радонового метода. При наличии в насосах механических и солевых ореолов, содержащих радий, глубинность эманационного метода несколько увеличивается.

Торон и актинон, в связи с малой продолжительностью жизни атомов этих изотопов не могут удаляться на сколько-нибудь значительное расстояние от источника своего образования. Поэтому глубинность торонового и актинонового методов практически равна нулю и определяется глубиной отбора пробы почвенного воздуха.

5.1.7 Взаимодействие ядерных излучений с веществом

Взаимодействие нейтронов с веществом определяется, в первую очередь, отсутствием электрического заряда у этой частицы, вследствие чего нейтрон легко проникает в любые ядра, даже в самые тяжелые. Достигая ядра, поток нейтронов вызывает ядерные реакции: упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват, ядерное расщепление.

Упругое и неупругое рассеяние - это процесс, при котором нейтрон передает большую часть своей энергии ядру и, как следствие, замедляет скорость своего движения

Неупругое рассеяние наблюдается при движении нейтрона через внешнюю оболочку ядра. Оно тем больше, чем тяжелее ядро, т. е. чем дальше место элемента в периодической системе элементов . Упругое рассеяние происходит при движении нейтрона через более глубокие зоны ядра. При упругом рассеянии потеря энергии и замедление скорости нейтрона тем больше, чем меньше масса ядра. Потерявший энергию нейтрон захватывается ядром (поглощается), вследствие чего возбуждается искусственная радиоактивность ядра; процесс поглощения сопровождается испусканием гамма-квантов, протонов, альфа-частиц; в самых тяжелых ядрах (уран, торий) под действием нейтронов может происходить деление.

Таким образом, поток нейтронов, проходя через вещество, замедляется и теряет часть нейтронов, захваченных ядрами атомов. И замедление, и интенсивность потока, а также вновь появившееся радиационное излучение могут быть оценены количественно, т. е. измерены.

Источником нейтронов чаще всего служат естественные радиоактивные элементы - смеси радия и бериллия (Rа-Rе), полония и бериллия (Rо-Ве), плутония и бериллия (Рu-Ве) и др. - или искусственные источники, например ядерные реакторы. В зависимости от вида источника энергия нейтронов меняется в широких пределах. В соответствии с энергетической характеристикой нейтроны подразделяются на быстрые (более 0,5 МэВ), промежуточные (0,001-0,5 МэВ), медленные (менее 0,ОО1 МэВ), резонансные (1-10 эВ), надтепловые (0,05 эВ), тепловые (0,025 эВ). При исследовании пород нейтронными методами чаще используют быстрые нейтроны.

Замедление нейтронов породами оценивается длиной замедления L, т. е. таким расстоянием, на котором энергия нейтронов уменьшается в определенное число раз (Еo/Еn=соnst). Параметр L характеризует содержание в породе легких элементов, в первую очередь водородсодержащих (вода, нефть, газ), сильно замедляющих нейтроны. Ослабление интенсивности потока при рассеянии и поглощении нейтронов, зависит от квантомеханических характеристик ядер, пропорциональных размеру ядер. Эти характеристики определяются коэффициентом пропорциональности, который называется нейтронным эффективным сечением σэф и численно равен вероятности ядерной реакции за 1с при бомбардировке одного ядра потоком нейтронов с плотностью в 1 нейтрон на 1см2. Коэффициент σэф особенно велик у пород, содержащих бор, хлор, марганец, редкоземельные элементы. Измерение наведенной радиоактивности позволяет определить содержание многих элементов в одном облученном образце путем измерения состава излучения, периодов полураспада и других параметров.