Ядерная геофизика

Ядерная геофизика объединяет методы исследования горных пород и руд по их естественной радиоактивности (радиометрия или радиометричес­кая разведка) и изучения вызванной, т.е. предварительного облучения, радиоактивности с целью определения состава или различных физических свойств пород и руд (ядерно-физические методы).

Прямые задачи ядерной геофизики связаны с изучением пространст­венно-энергетического и пространственно-временного распределения излучения в веществе при известных: сечениях элементарных процессов взаимодействия излучения с веществом; свойствах вещества; заданных геометрических условиях. Теоретическое решение прямых задач основано на использовании математических моделей переноса излучения в заданных средах. Наряду с теоретическим моделированием необходимым является экспериментальное моделирование, которое является критерием оценки точности теоретических исследований, а в ряде случаев – единственно возможным решением прямых задач в ядерной геофизике.

Обратные задачи ядерной геофизики представляют собой определение элементного состава или других свойств среды (плотность, пористость, влажность и др.) по данным измерения интегральных или спектральных характеристик полей ядерного излучения.

Как правило, регистрируемая плотность потока ядерного излучения зависит от целого ряда параметров среды – ядерное излучение, в процессе его переноса в веществе, может испытывать десятки элементарных процессов взаимодействия. Именно этим объясняется широкое разнообразие методов ядерной геофизики, классификация которых базируется на учете особеннос­тей физических процессов и типа регистрируемого излучения.

Роль и место ядерной геофизики в науках о Земле

Сравнивая ядерно-геофизические методы с другими методами разведочной геофизики, можно отметить следующее.

Находясь на стыке между геофизикой и геохимией, она по своей сущности, методике и технике наблюдений относится к геофизическим методам, хотя решает не­которые геохимические задачи. Ядерная геофизика отличается «близкодействием», т.е. малой глубинностью исследований вследствие быстрого поглощения ядерных из­лучений окружающими породами и воздухом. Однако продукты радиоактивного рас­пада способны мигрировать, образуя вокруг пород и руд газовые, водные и механиче­ские ореолы рассеяния, по которым можно судить о радиоактивности коренных пород.

Принципиальная особенность ядерно-геофизических методов состоит в том, что они дают информацию непосредственно о вещественном составе горных пород и руд. И если классические методы геофизической разведки (гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка) можно назвать «геологическими» (они дают сведения об условиях залегания анома­льных объектов, оценивают их форму и геологические структуры), то ядер­ная геофизика стоит ближе к геохимии, поскольку решает геологических задачи путем выявления закономерностей распределения в геологических образованиях петро- и рудогенных элементов.

В отличии от методов лабораторной химической аналитики, на которые до недавнего времени опирались все геологические исследования, ядерно-геофизические методы являются чисто инструментальными, следовательно, более объективными, экспрессными.

Особое достоинство ядерно-геофизических методов состоит в том, что они позволяют вести количественные определения целого ряда элементов таблицы Менделеева непосредственно в естественных условиях. Это качество методов ядерной геофизики имеет принципиальное значение и делает их незаменимым средством интенсификации геологоразведочных работ. Ядерно-геофизические методы представляют также основу для решения задач экологии, уменьшения потерь полезных ископаемых при их обогащении и более полного комплексного их извлечения из недр.

Краткие характеристики основных методов ядерной геофизики

I. Радиометрические методы.

Основными методами радиометрии являются гамма-съемка (ГС или гамма-метод ГМ), при которой изучают интенсивность гамма-излучения, и эмана­ционная съемка (ЭС), при которой по естественному альфа-излучению поч­венного воздуха определяют концентрацию в нем радона — радиоактивного газа. Гамма-методы (ГМ) служат для поисков и разведки не только радиоак­тив­ных руд урана, радия, тория и других элементов, но и парагенетически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископа­емых (редкоземельных, металлических, фосфатных и др.). С их помощью можно определять абсолютный возраст горных пород. Гамма- и эманацион­ную съемки используют также для литологического и тектонического карти­рования и решения других задач. К радио­метрии условно можно отнести так называемый геокосмический метод, основанный на подземной регистрации космических излучений (ПРКИ).

II. Гамма-гамма методы (ГГМ).

1. Плотностной ГГМ-П основан на комптоновском рассеянии γ-квантов, применяется при определении плотности пород.

2. Селективный ГГМ-С основан на фотоэлектрическом поглощении γ-квантов, применяется для определения Z_эфф пород.

3. Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) – основан на резонансном поглощении и рассеянии γ-квантов на ядрах атомов (эффект Мес­сбауэра). Применяется при фазовом анализе пород и руд на содержание железа и олова.

III. Рентгеновский эмиссионный метод. Наибольшее распространение полу­чил рентгенрадиометрический метод (РРМ) с использованием радиоактив­ного источника или рентгеновской трубки, с помощью которых возбуждают характеристическое рентгеновское излучение, Регистрируют линии K- или L-серии спектра характеристического излучения. Применяется для количест­вен­ного элементного анализа горных пород и руд.

IV. Нейтронные методы.

1. Нейтрон-нейтронный метод по тепловым (ННМ_т) или надтепловым (ННМ_нт) нейтронам. Основан на замедлении надтепловых и диффузии тепловых нейтронов. В нефтегазовой геофизике используется для определения влажности и пористости пород. В рудной геофизике – для оценки содержания в породах поглощающих элементов (B, Mn, редкие земли и др.).

2. Нейтронный-гамма метод (НГМ) – испускание γ-излучения при радиационном захвате нейтронов ядрами атомов, используется для определения пористости, газонасыщенности.

3. Фотонейтронный метод (ГНМ). При облучении породы γ-квантами определенной энергии происходит поглощение γ-кванта ядром атома с последующим испусканием нейтрона (реакция γ,n), регистрируются вторичные нейтроны. Используется для определения содержания Be в породах.

4. Нейтрон-активационный метод (НАМ). Основан на возбуждении стабильных ядер горной породы под действием нейтронов. Регистри­руются вторичные γ-кванты. Используется для элементного анализа пород. Характеризуется очень высокой чувствительностью.

Методы ядерной геофизики подразделяют, по условиям проведения, на: аэрокосмические; полевые; подзем­ные; лабораторные; наибольшее применение находят скважинные ядерные методы.

Исторический очерк развития ядерной геофизики.

Идея использования ядерных свойств элементов, входящих в состав горных пород, возникла непосредственно за открытием явления радиоак­тивности. Уже в 1902 году Пьер Кюри, а затем Э. Резерфорд, высказали мысль о том, что скорость радиоактивного распада элементов может быть использована в качестве эталонов времени для определения абсолютного возраста горных пород. В 1907 году эта идея получила практическое осу­ществление ( Б. Болтвуд).

Параллельно с разработкой радиологических методов определения возраста пород, исследуется распределение естественных радиоактивных элементов в земной коре и тепла, выделяющегося при их распаде. Первое обобщение результатов этих исследований приводят в 1905-1907 гг. англий­ских ученых Рэлее и Джолли к мысли о том, что радиоактивные элементы играют важную роль в геологической истории Земли. Появляются ряд гипотез о роли радиоактивности в тепловом режиме Земли, в динамике земной коры, в генезисе нефти и т.д.

В 1910 году по инициативе и под руководством В.И. Вернадского в России была организована Радиевая экспедиция Академии Наук. Ста­но­в­ление ядерной геофизике относится к 20-ым годам 20-ого столетия. Тогда А.П. Кириковым, А.Н. Богоявленским, А.Г. Граммаковым и др. были заложены основы поисково-разведочной радиометрии, которая особо развилась в нашей стране и за рубежом в послевоенные годы в связи с решением проблемы ядерного сырья. Создание полевой радиометрии и гамма-каротажа в 50-ые годы (Г.В. Горшков, Л.М. Курбатов, В.А. Шпак) можно считать началом формирования методов ядерной геофизики.

Собственно ядерно-геофизические методы возникли несколько позд­нее. Появление их, прежде всего, обязано развитию атомной энергетике, когда стало возможным получение разнообразных изотопных источников. Разработка новых методов ядерной геофизики следовала за открытиями и достижениями ядерной физики, совершенствованию методов регистрации и измерения ядерных излучений.

Первым таким методом был нейтрон-гамма-каротаж (НГК), который был предложен Б. Понтекорво в 1941 году, вскоре после открытия нейтрона Д.Чедвиком (1932 г.). Примерно в это же время Г. Хевеши и Х. Леви зало­жи­ли основы нейтрон-активационного анализа (НАА). В 1947 году Дж. Холен­бах предложил гамма-гамма-метод (ГГМ), основанный на регистрации гор­ными породами гамма-излучения радиоизотопного источника. В 1956 году Г. Флеров обосновал импульсный нейтронный метод (ИНМ), который явился началом использования в ядерной геофизике искусственных генераторов нейтронов. В 1949 году был создан гамма-нейтронный метод (ГНМ) опреде­ления бериллия, основанный на ядерном фотоэффекте (Б. Айдаркин, Г. Гор­ш­ков, А. Граммаков).

Начало 50-х годов характеризовался интенсивными исследованиями по усовершенствованию ГГМ. В начале ГГМ, благодаря способности дифферен­цировать горные породы по плотности, был ориентирован на изучение нефтя­ных коллекторов. В1954 году ГГМ впервые был успешно испытан для выделения в скважинах сульфидных руд (М. Соколов, А. Очкур и др.), а с 1955 года стал использоваться и в угольном каротаже. В 1957 году Г. Воско­бойников предложил модификацию ГГМ с источниками мягких гамма лучей (селективный ГГМ). В теорию и практику ГГМ существенный вклад внесли Е. Филиппов, В. Арцыбашев, И. Дядькин и др.

В качестве важного этапа развития методов, основанных на взаимодей­ст­вии гамма-излучения с веществом, следует отметить исследования Рейфола и Хемфрода по рентгенфлюоресцентного анализа с радиоизотопными источ­никами. В 1958 году А. Якубович и В. Залесский, используя эту идею, созда­ли методику рентген-радиометрического анализа (РРА).

Почти одновременно с возникновением РРА в ядерную геофизику вошла мёссбауеровская спектроскопия, основанная на ядерно-резонансном поглощении гамма-излучений (ЯГР). Первым промышленным приложением ЯГР в геологии было создание методики для исследования оловянных руд (В. Гольданский, А. Доленко и др.). К 70-м годам большого разнообразия дости­гли нейтронные методы. К этому времени дополнительно к НГК, были созда­ны нейтрон-нейтронный каротаж с регистрацией тепловых нейтронов (ННК-Т) и с регистрацией надтепловых нейтронов (ННК-НТ) (Л. Полак, Х. Холл).