Главная | Обратная связь

Место радиометрии в комплексе наук о Земле

 

Радиометрия включает в себя методы поисков и разведки, радиоактивных руд по их естественной радиоактивности (непосредственно, радиометрия), которая, объясняется распадом радиоактивных элементов, находящихся в горных породах, рудах, воде и газовых включениях. При помощи радиометрии можно решать ряд важнейших геологических задач, таких как поиски радиоактивных руд и руд генетически связанных с радиоактивными элементами, геологическое картирование, выделение разрывных нарушений, определение геологических границ, районирование.

Радиометрия, включает ряд методов: гамма-съемка, непосредственно интересующая нас; эманационная съемка (эманирование ­– процесс выделения в окружающую среду твердыми веществами, содержащими радий (Rn), радиоактивных газов – радон, торон, актинон); а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации радиоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. Широкое развитие метод получил в связи с необходимостью поиска урановых руд. Создан он была в начале 20 годов ХХ века. Возможность применения радиометрии обусловлена, с одной стороны, разной радиоактивностью горных пород, а с другой стороны, миграцией элементов и продуктов распада при помощи подземных вод или подпочвенного воздуха.

Радиометрические методы применяют для поиска и разведки месторождений, как радиоактивных полезных ископаемых, так и нерадиоактивных, парагенетически или пространственно связанных с ними. Например, к месторождениям редкоземельных элементов, боксита, олова, бериллия приурочено повышенное содержание тория. Повышенная концентрация урана может косвенно указывать на наличие месторождений вольфрама, молибдена, а калия на некоторые полиметаллические. Гамма-каротаж (съемка в скважине) совместно с другими методами ядерной геофизики, применяют для выделения продуктивных нефте- и газонасыщенных пластов, обладающих пониженной радиоактивностью. Используют гамма-съемку и для решения задач геологического картирования. Вследствие различной естественной радиоактивности, а также поглощающей и эманирующей способности горных пород их можно расчленять по литологическому составу, степени разрушенности (облегчающей миграцию радиоактивных элементов), глинистости (затрудняющей миграцию), выявлять тектонические нарушения [8].

В подпочвенном воздухе, в верхней рыхлой части осадочного слоя, всегда содержатся газообразные продукты распада радиоактивных веществ. Это газы тарон (Tn), актинон (An), радон (Rn), являющиеся изотопами радиоактивного элемента радия (Ra), образующегося при распаде урана (U). Накапливаясь в породах, трещинах и порах, газы, вследствие диффузии и своих физических свойств, хорошо распространяются от эманирующего объекта, являющегося их источником, в направлении убывания концентрации, т.е. все дальше от объекта. Поэтому эманационый метод является наиболее глубинным из всех радиометрических (до 10 метров). Часть эманации (радиоактивных газов) выделяется в воздух. Понятно, что концентрация газов будет зависеть от количества радиоактивных элементов, содержащихся в породе. Но так же она будет определяться плотностью и пористостью породы, её влажностью, температурой [5].

Таким образом, в местах с повышенным содержанием радиоактивных газов можно обнаружить радиоактивные аномалии. Эманационый метод широко применяется при картировании разрывных нарушений, которые часто оказываются скрытыми под толщей осадочных пород. Разломы являются ослабленными зонами, где целостность горных пород оказывается нарушена. Именно эти зоны дробления, трещины, обладают повышенной способностью пропускать радиоактивные газы, образующиеся в глубинах Земли. Отсюда следует, что в местах разрывных нарушений могут фиксироваться радиоактивные аномалии.

Широкое распространение получил и другой радиометрический метод – гамма-спектрометрия, задачей которого является раздельное определение концентраций U, Th и K в породах и рудах. Это позволяет получить количественные критерии оценки радиометрических аномалий для последующего выделения перспективных площадей и локальных аномалий. Для горных пород характерно неравномерное распределение радиоактивных элементов не только в разных типах и возрастных группах, но и внутри одного класса и даже в пределах единого интрузивного тела или стратиграфического комплекса.

Значение аномалий зависят от размеров объектов, состава и строения покровных отложений, в связи с этим гамма-аномалии над урановыми рудными телами в определенных геологических условиях могут быть равным или даже меньше по интенсивности гамма-аномалий, обусловленных повышенным содержанием U, Th и K в горных породах. Поэтому при поисках месторождений урана для определения природы аномалий большое значение имеет раздельное определение этих элементов с помощью гамма-спектрометрии. Раздельное определение U, Th и K основано на различии величин энергии испускаемого ими гамма-излучения.

Существуют различные модификации гамма-методов. Самым широко распространенным методом радиометрии является пешеходная гамма-съемка.

При гамма-съемке, как следует из названия метода, регистрируют гамма-излучение, обладающие наибольшей проникающей способностью. Но, несмотря на это, глубинность метода очень невелика – около одного метра. Надо отметить, что фиксируемое гамма-излучение является суммарным от U, Th, K.

 

Аппаратура

 

 

Рис.2 Общий вид радиометра СРП-68-01.

1 –измерительный пульт, 2 – Блок детектирования

 

При поисках полезных ископаемых, картировании, геоэкологических работах для регистрации гамма-излучения используют специальные приборы – радиометры (рис.2), состоящие, как правило, из 2 двух блоков: детектора (рис.3) и регистрирующего устройства (Рис.4) соединенных кабелем. Одним из самых распространенных в геологоразведочной отрасли является СРП-68-01 . Цифра «01» означает, что прибор предназначен для пешеходной гамма-съемки. Существуют также СРП-68-02, применяемый для гамма-каротажа скважин; СРП-68-03 используемый для шпуровой гамма-съемки. СРП-68 отличаются высокой надежностью и простотой применения. Также применяются приборы СРП-88, имеющие меньший вес, размер и оснащенные цифровым экраном, с которого снимаются полученные в результате измерения, значения. СРП-88 имеет больший диапазон измерений. Но СРП-88 менее надежен, чем свой предшественник (СРП-68-01) [4].

Последними модификациями прибора являются СРП-97 и СРП-98. Однако принципы работы у всех поисковых радиометров одинаковы.

Первичная регистрация гамма-излучения происходит с помощью прибора, который называет детектором. Детектором – прибор, преобразующий энергию радиоактивного излучения в сигнал удобный для измерения и обработки. Принцип работы радиометра базируется на преобразовании гамма-излучения в электрические сигналы с дальнейшим измерением их параметров. Роль преобразователя выполняет сцинтилляционный детектор, выполненный из кристалла иодида натрия активированного таллием – NaI(Tl), преобразующий гамма-излучение в световые импульсы и фотоэлектронный умножитель, преобразующий световые сигналы в электрические. Эти кристаллы обладают уникальным физическим свойством – под действием g-излучения в этих веществах возникают вспышки, называемые сцинтилляциями.

Рис.3. Схема детектора

1 – сцинтилляционный кристалл NaI(Tl), активированный таллием, 2 – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

 

Изначально гамма-кванты попадают на кристалл NaI(Tl), расположенный в передней части трубки. В нем возникает световая вспышка (сцинтилляция). Поток образовавшегося света падает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), и выбивает из него электрон. В ФЭУ происходит «лавинообразное» увеличение количества электронов. Получившийся сигнал преобразуется в электрический ток, в зависимости от величины которого и отклоняется стрелка индикатора. Таким образом, чем больше величина фиксируемого гамма-излучения, тем больше показания прибора.

Сигналы, снимаемые с фотоэлектронного умножителя, после усиления фильтруются от помех и превращаются в последовательность сигналов, средняя частота повторения которых пропорциональна измеряемой физической величине. Данная последовательность поступает на измеритель, показания которого выводятся на стрелочный прибор, его шкала отградуирована в единицах потока и мощности экспозиционной дозы g-излучения.

На выходе получается сигнал, определяющий количество импульсов в единицу времени (С^-1) Но на практике используется другая величина, приблизительно отражающая получившееся соотношение – микрорентген/час (мкР/ч). То есть 1 микрорентген=1´10^-6 рентген. Напомним, что рентген – это единица экспозиционной дозы гамма-излучений, определяемая по их ионизующему действию на воздух. Она названа в честь первого нобелевского лауреата по физике Вильгельма Рентгена.

СРП-68-01 достаточно прост в обращении. Со стрелочного индикатора (1) снимаются значения, полученные в процессе работы. На нем имеются 2 шкалы – кратная трем (нижняя) и десяти (верхняя). В зависимости от интенсивности гамма-излучения используются различные диапазоны измерения, изменяемые переключателем (2), а соответственно и шкалы: («30») от 1 до 30 мкР/ч (значения снимаются с нижней шкалы), («100») 1-100 мкР/ч (верхняя шкала), («300») 1-300 мкР/ч, («1000») 1-1000 мкР/ч, («3000») 1-3000 мкР/ч (максимальное значением, которое способен зафиксировать СРП-68). Для каждого диапазона измерения цена деления шкала своя. Переключатель (4) предназначен для изменения режимов работы и проверки работоспособности прибора. В положение «ВЫКЛ» прибор отключен. «БАТ» – показывает заряд батарей.

Рис.4. Измерительный пульт.

1 – стрелочный индикатор, 2 – переключатель диапазонов измерения, 3 – кнопка «контр» (предназначена для проверки работоспособности прибора), 4 – переключатель режимов работы, 5 – корректировочный винт, 6 – вход для подключения наушников.

 

При полном заряде стрелка индикатора находиться в крайнем правом положении. (Питание радиометра осуществляется от девяти элементов типа 343, или LR14). Комплект питания допускает восьмичасовую непрерыв­ную работу прибора без недопустимых отклонений показателей и обеспечивает работу прибора на протяжении 120 ч [9].

Основной рабочий режим радиометра находится в положении переключателя «2,5». Значение «2,5» – это время необходимое для снятия измерения, оно достаточно мало, поэтому точность отсчета, из-за постоянного колебания стрелки, невелика и составляет 1 мкР/ч. Наиболее точный результат можно получить, переведя переключатель в положение «5». Это связано с увеличением времени регистрации гамма-квантов. Режим работы «5», как правило, используется для более точного определения значений аномалий гамма-активности и их детализации. Цифры «2,5» и «5» означают время в течение, которого прибор суммирует регистрируемые импульсы.

При положении переключателя на «5В» и нажатой кнопки «контр» (3) осуществляется проверка работоспособности фотоэлектронного умножителя. Стрелка должна находиться в средней части индикатора. В случае её резкого отклонения в левую сторону прибор нуждается в ремонте и не пригоден для работы. Корректировочный винт (5) используется, если требуется установить стрелку индикатора на ноль. К радиометру можно подключить наушники через специальный вход (6) для звукового контроля измерений. В случае обнаружения аномалии сигнал станет более интенсивным и резким для слуха. Наушники удобно применять при длительных маршрутных наблюдениях.