 |
|
Теоретические основы радиометрии
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
________________________________________________________________
Школьный Факультет
И.Д. Васильев, К.В. Новиков
ОСНОВЫ РАДИОМЕТИИ
Для юных геологов
Москва
Оглавление
От авторов. 3
1. Введение. 4
2. Теоретические основы радиометрии. 5
3. Место радиометрии в комплексе наук о Земле. 10
4. Аппаратура. 12
5. Геологические предпосылки гамма-съемки. 16
6. Методика работ. 20
7. Методика построения карт изолиний гамма-активности. 24
8. Правила конкурса «Радиометрия» на слетах Школьного Факультета РГГРУ. Характерные ошибки участников. 27
9. О безопасности радиометрии. 30
Словарь терминов. 31
Список сокращений. 33
Список литературы.. 33
От авторов
Данное методическое пособие предназначено для школьников, обучающихся в кружках юных геологов и изучающих основы одного из методов радиометрии – гамма-съемки. В нём изложены теоретические основы метода, освещен вопрос физических основ и геологических предпосылок. В пособии разобраны методика съемки и построения карт изолиний гамма-активности, подробно рассказано об устройстве радиометра. В заключении приводятся правила конкурса по радиометрии и описаны характерные ошибки участников соревнования. Пособие так же может быть полезно для всех интересующихся и занимающихся гамма-съемкой.
Все приведенные ниже результаты измерений гамма-активности получены в процессе поездок и экспедиций авторами, являющимися руководителями кружков Школьного Факультета РГГРУ (МГРИ) и их юными коллегами.
Авторы выражают большую благодарность Вс.В.Аристову (РосГео), учащимся кружка ШФ-112 и лично Р.В.Красникову, А.М. Шмонову, А.В. Шмыгиной, А.И. Пасько. А так же своим соратникам, руководителям кружков ШФ РГГРУ А.В. Фатееву и А.А. Шпекторову.
Введение
Геофизика – комплекс наук, исследующих физическими методами строение нашей планеты. Она является одной из самых молодых и самых перспективных в цикле наук о Земле. В настоящее же время Геофизика – основной источник знаний о внутреннем строении нашей планеты, так как лишь она позволяет вести глубинные исследования её недр. Например, открытые горные выработки (карьеры, шурфы, канавы и т. д.), дают лишь поверхностное представление о геологическом строении местности, имея глубину до 500 метров. Шахты имеют гораздо большую глубину. Так самая глубокая шахта была недавно введена в эксплуатацию в ЮАР, она спускается вниз почти на три тысячи метров! Обычно глубина скважин составляет 200-300 метров, а самая глубокая (Кольская сверхглубокая) – достигает более 12-ти тысяч метров. И при всем этом данные, полученные при подобных исследованиях, не дают должных знаний о внутреннем строении Земли. Только Геофизика позволила человеку заглянуть в недра третьей планеты от Солнца.
Геофизика включает в себя комплекс методов: сейсмологический, магнитометрический, гравиметрический, электрометрический, геотермический, ядерно-геофизический и многие другие. Геофизические методы широко используются при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых.
Одним из важнейших направлений в ядерной геофизике является радиометрия. В. И. Вернадский дал первое научное определение целей и задач этой науки: «Радиогеология изучает ход радиоактивных процессов в нашей планете, их отражение и их проявление в геологических явлениях» [1]. В настоящее время эта область необыкновенно важна, так как в связи с научно-техническим прогрессом главенствующую роль приобретает радиоактивное сырье, поиском и разведкой которого и занимается радиометрия. Потребление радиоактивного сырья с каждым годом возрастает, оно идет на нужды военно-промышленного комплекса, используется как топливо для атомных электростанций, употребляется в сфере науки. Однако в последнее время в нашей стране становится актуальной проблема дефицита радиоактивного сырья, основным видом которого, на сегодняшний день, является уран.
Теоретические основы радиометрии
Из многих геофизических методов, наиболее доступным для юных геологов является радиометрия, точнее одна из ее разновидностей – пешеходная гамма-съемка. Это связано с относительно невысокой стоимостью аппаратуры, простотой измерения и интерпретации.
Радиометрия – это комплекс методов ядерной геофизики, основанный на измерении естественной радиоактивности горных пород и минералов. В основе радиометрии лежит явление радиоактивности – способности ядер некоторых атомных элементов самопроизвольно переходить в более устойчивое энергетическое состояние и превращаться в ядра других химических элементов с испусканием альфа (α), бета (β) и гамма (γ) частиц [2].
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Анри Беккерелем, обнаружившим испускание солями урана (U) каких-то неизвестных лучей. Он установил это случайно, оставив фотопластинку в ящике стола с урановой солью. Когда же пластинка была проявлена, оказалось, что на месте урановой соли остались темные пятна. Вскоре Беккерель установил, что и минералы, содержащие уран дают тот же эффект. Несколько позже английский физик Эрнест Резерфорд пришел к выводу, что эти лучи имеют сложный состав и содержат, по крайней мере, два компонента, отличающихся проникающей способностью. Излучение с меньшей проникающей способностью он назвал a-лучами, а с большей – b-лучами. А в 1900 году французский физик П. Виллар открыл третий компонент радиоактивного излучения, имеющий наибольшую проникающую способность, – g-лучи. Все эти виды лучей составляют радиоактивное излучение, которое является следствием радиоактивности [4].
a-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия (He), проникающая способность которых очень мала. Они не могут «пробить» даже обычный листок бумаги. b-излучение обладает большей проникающей способностью и представляет собой поток электронов. g-излучение (g-кванты) – это высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Для них характерна наибольшая проникающая способность (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах). Именно поэтому на практике чаще всего регистрируют именно их.
Наиболее интенсивной радиоактивностью обладают элементы с порядковым номером в таблице Менделеева равным или превышающим 92, то есть, начиная с урана (U), а так же различные радиоактивные изотопы (разновидности атомов одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре). При переходе в другие элементы и наблюдается a-излучение, b-излучение, g- излучение, то есть явление радиоактивного распада [7].
Самыми долгоживущими радиоактивными элементами являются уран-238 (U-238), торий-232 (Th-232) и изотоп калия (К-40). Их период полураспада-Т1/2, то есть время за которое распадется половина первоначального количества атомов, составляет 4.5´109, 1.39´1010 и 1.4´1010лет соответственно. В итоге, они превращаются в нерадиоактивные элементы – свинец, гелий, стронций, аргон. Например, уран-238 (U-238) переходит в свинец-206 (Pb-206).
Э. Резерфорд и П. Кюри высказывали предположение, что радиоактивный распад можно использовать как эталон времени, так как он имеет постоянную скорость. Это свойство В. И. Вернадский и А. Холмс использовали при определении возраста пород и минералов. Оно же легло в основу абсолютной геохронологии – изучения возраста горных пород [7]. Для определения возраста породы проводят химический анализ, устанавливая количество элемента, образовавшегося в результате распада, а также оставшееся количество радиоактивного элемента. В зависимости от продуктов распада выделяют свинцовый, гелиевый, аргоновый, кальциевый, углеродный и прочие методы абсолютной геохронологии. Данные радиоактивного анализа позволяют определить возраст самых разнообразных горных пород.
Немаловажным вопросом являются проблемы количественной оценки радиоактивного излучения. В физике для этого используют величину Беккерель, названую по имени французского физика Анри Беккереля. Обозначается Бк. 1 Бк равен активности атома в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 распад, т. е. 1 Бк = 1 с−1.
Однако для количественной оценки содержания радиоактивных элементов в породах и минералах проводят измерения дозы или мощности дозы радиоактивного излучения. Доза радиоактивного излучения – это энергия, которую передает ионизирующее излучение веществу, а мощность дозы – это доза, полученная в единицу времени, т.е. чем больше мощность дозы, тем быстрее растет и полученная доза излучения. Выделяют несколько основных видов дозы радиоактивного излучения: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная. Остановимся на экспозиционной дозе и мощности дозы излучения, так как именно они применяются в радиометрической практике.
Экспозиционная доза излучения (X, Dэ) используется в качестве количественной меры рентгеновского и гамма-излучения, которая определяется зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm):
Dэ = dQ/dm
В СИ единица экспозиционной дозы – Кулон/килограмм (Кл/кг), внесистемная единица – Рентген (Р). Рентген – это экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения, при котором при котором в 1 см3 сухого воздуха при t=0°C и давлении p=760 мм рт. ст. вторичное корпускулярное излучение образует ионы общим зарядом в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Соответственно мощность экспозиционной дозы Pэ (интенсивность g-излучения) излучения будет равна отношению экспозиционной дозы ко времени: Pэ = D/t [Р/ч].
Чаще всего для оценки радиоактивных свойств горных пород и минералов используется внесистемные единицы мощности экспозиционной дозы, а именно рентген/час (Р/ч) или чаще меньшая величина микрорентген/час (мкР/ч). 1 Р/ч = 1×106 мкР/ч. Далее наряду с термином мощность экспозиционной дозы будем применять термины интенсивность гамма-излучения (g-излучения), или просто мощность дозы.
Все горные породы и минералы обладают радиоактивностью, это было установлено ещё В.И. Вернадским. Из всех известных радиоактивных элементов в земной коре наблюдается повышенное содержание урана, тория и калия, именно поэтому в радиометрии изучают именно их. Они встречаются в горных породах в рассеянном состоянии, в виде примесей, а также входят в состав различных минералов. Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше в них концентрация U, Th, K и определяется она, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов.
Наибольшей радиоактивностью обладают магматические горные породы, в которых содержится до 95% всех радиоактивных элементов (табл. 1). Максимальные значения радиационного фона можно наблюдать над гранитными интрузиями, гидротермальными жилами, содержащими радиоактивные минералы.
В среди магматических пород, наибольшей радиоактивностью обладают кислые (гранит, диорит), а наименьшей – ультраосновные породы (дунит, перидотит, см. табл. 1). Так же наблюдается зависимость между их радиоактивностью и возрастом. Максимальные значения радиоактивности будут характерны для молодых кислых разностей.
Для осадочных пород наибольшая концентрация U, Тh, К будет характерна для глин благодаря их абсорбционным («впитывающим») свойствам. Высокое содержание радиоактивных элементов также наблюдается в породах с конкрециями фосфоритов. Наименьшие содержания радиоактивных элементов характерны для известняков и осадков выпаривания (галит, ангидрит, гипс).
Содержание радиоактивных элементов в почвах определяется радиоактивностью коренных пород и совокупностью последующих процессов почвообразования. Наибольшие концентрации U, Тh, К соответствуют почвам, развитым на кислых магматических породах, глинах. Радиоактивность черноземных почв выше, чем лесных и подзолистых. По мере увеличения глинистой фракции в почвах возрастает и их радиоактивность.
Из минералов наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (уранинит, настуран) и тория (торит, ураноторит). Основным источником природного урана является минерал уранинит (UO2). Скрытокристаллические плотные разновидности называются настураном, а рыхлые и аморфные – урановой чернью [5].
Таблица 1 [7].
Среднее содержание урана (U), тория (Th) и калия (К) в природе.
(Выделены наиболее радиоактивные горные породы и элементы земной коры)
| I. Горные породы | U,10-4% | Th,10-4% | К-40,% |
| 1. Магматические: | |||
| 1.1 Граниты (Риолиты) | 4-6 | 18-25 | 3,34 |
| 1.2 Диориты (Андезиты) | 1,8 | 2,3 | |
| 1.3 Габбро (Базальты) | 0,6-0,7 | 1,8-4,3 | 0,83 |
| 1.4 Перидотиты (Пирок сениты) | 0,03 | 0,08 | 0,03 |
| 2. Осадочные: | |||
| 2.1 Известняки | 1,2 | 2,5 | 0,4 |
| 2.2 Глины | 3,5 | 7,0 | 2,3 |
| 2.3 Песчаники | 2,1 | 9,0 | 2,1 |
| 2.4 Соли | 0,1 | 0,4 | 0,1 |
| II. Земная кора | 2,3 | 8,0 | 2,4 |
| 1. Земная кора (Гранитный слой) | 3,6 | 15,5 | 3,6 |
| 2. Земная кора (Базальтовый слой) | 1,0 | 3,3 | 1,0 |
| III. Почвы | 2,1 | 6,0 | 1,4 |
Уранинит встречается в виде зернистых масс и натечных агрегатов, изредка образуются в отдельных кристаллах. Минерал имеет темно-зеленый, смоляно-черный цвет, цвет черты – черный, а твердость – 5–6, блеск – полуметаллический, плотность – 10,3–10,6. Главным диагностическим признаком минерала является сильная радиоактивность. Уранинит встречается в пегматитовых жилах (гранитовых и сиенитовых), где наблюдается вместе с цирконом, полевыми шпатами, слюдой и турмалином. В рудных жилах и гидротермальных месторождениях он встречается в ассоциациях с серебро-кобальтовыми и серно-мышьяковыми минералами, а также галенитом, баритом и касситеритом [6].
Низкая радиоактивность характерна для кварца, кальцита, гипса, ангидрита, угля. А так же для каменных солей, что является важным поисковым признаком для данного вида сырья. Средними значениями отличаются магнетит, лимонит, сульфиды и многие другие минералы.
Следует отметить, что радиоактивные элементы встречаются не только в горных породах и минералах, но также и в воздухе, растениях. В человеке весом 70 килограмм содержится 0,002 грамм урана.
Один из главных принципов радиометрии упрощенно можно сформулировать так: интенсивность регистрируемого гамма-излучения обратно пропорционально квадрату расстояния до источника излучения (Рис.1).
Рис. 1. Зависимость интенсивности гамма-излучения от расстояния до источника.