6.5.1. Общая характеристика ядерно-физических (радиоизотопных) методов
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 (Iγn). 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 (Iγγ) 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 Iγγ зависит от эффективного атомного номера породы (Zэф), под которым понимается некоторый усредненный атомный номер, определяемый атомными номерами химических элементов в породе (Zi), поглощающих гамма-лучи, и их массовыми долями (qi) 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 (Inn) и вызываемого ими вторичного гамма-излучения (Inγ) 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 (Inα, Inβ, Inγ). Измерив интенсивность вторичного гамма-излучения для разных времен после окончания облучения, по графику зависимости Inγ 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 (Inn) или 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 (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 Inγ. Возможность таких исследований основана на том, что каждый элемент облучаемой породы, захватывая тепловые нейтроны, дает Inγ определенной энергии и спектра. Гамма-спектральный метод применяют для анализа руд, содержащих железо, медь, никель, алюминий, калий, натрий и другие элементы.