6.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств горных пород и руд
6.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств горных пород и руд
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий. Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физических явлений, сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образование электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающиеся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением) (см. 6.1.2). Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии облучателя, гамма-квантов или нейтронов, длительности и длины пути облучения, ядерно-физических свойств горной породы. Обобщенными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с атомами изучаемой горной породы.
6.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород и руд
Основным гамма-лучевым свойством горных пород и руд является их способность поглощать и рассеивать гамма- и рентгеновские лучи.
Суммарное (полное) макроскопическое сечение при гамма-облучении горных пород численно равно полному линейному коэффициенту (μγ) ослабления (поглощения) на единице пути пробега гамма-кванта. Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:
где σγi — микроскопическое сечение (изменение в барнах, 1 барн равен 10–28 м2) взаимодействия атома i-го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента (Ni) и общем числе элементов (k); Iγ, Iγ0 — интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной L. Практически определяют эффективный коэффициент ослабления (μγэф) по экспериментально полученной эффективной интенсивности гамма-излучения:
Макроскопическое сечение взаимодействия, или эффективный линейный коэффициент ослабления, зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева (Z) и массовых чисел (А), т. е. от химического состава радиоактивных элементов, из которых сложена руда или горная порода, а также от их физического состояния (плотности, пористости, водосодержания).
Таким образом, по гамма-лучевым свойствам горных пород и руд, как и по изучению разных ядерных процессов и реакций, происходящих в них, можно судить о химическом составе и физических свойствах горных пород.
6.3.3. Нейтронные свойства горных пород и руд
Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны.
Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения (μn), или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы (см. 6.1.2). Величина μn определяется микроскопическими сечениями (σni) всех составляющих ее химических элементов от i = l до i = k с числом атомов i-го элемента (Ni). Для узкого пучка облучающих нейтронов формулы связи этих параметров имеют вид
где In, In0 — плотность (или интенсивность) нейтронов в конце и начале слоя толщиной L.
Нейтронное микроскопическое сечение ядра (σni), измеряемое в барнах, равно эффективной площади ядра и максимально, например, у химических элементов гадолиния (σni = 46 · 10–25 м2), кадмия (2,25 · 10–25 м2), бора (0,769 · 10–25 м2), ртути (0,38 · 10–25 м2) и др. У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах (0,1–100) · 10–25 м2. Практически коэффициент μn является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породы (μnэф) при облучении ее нейтронами.
Величину, обратную μnэф, называют полной длиной пробега нейтронов (Ln). Она включает длину замедления и длину диффузии. Длина замедления нейтронов (L) определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ). Наименьшей длиной замедления (LЗ < 10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородсодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы, LЗ составляет первые десятки сантиметров.
Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражают через среднюю длину диффузии (LД) или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов (τTn). Наименьшими значениями этих параметров (LД < 5 см, τТn < 5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, марганец, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород LД изменяется от 10 до 30 см, а τTп — от 10 до 3000 мкс. Важным параметром среды является также коэффициент диффузии (D = LД2/τTn).
На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов в зависимости от используемых ядерных реакций основаны разные нейтронные методы поэлементного химического анализа руд и горных пород и их водонефтегазонасыщенности.