Ядерно-геофизические методы Гамма-гамма-методы (ггм)

ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком γ-кван­тов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторич­ного γ-излучения.

Для γ-излучения с энергией до 2 Мэв характерно взаимодействие с эле­к­тро­нами атомов, наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фото­эф­­фект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние γ-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих эле­ментов (Z < 20), макросечение μ_к комп­то­новского рассеяния не зави­сит от Z и пропорционально плотности вещества δ, т.к. для легких элементов Z/M ≈ 0.5 (М – атомная масса вещества, Z – заряд ядра). Число атомов в 1 см³ вещества N = δ*N_A/M (N_А – число Авогадро), следовательно μ_k =N*σ_k = AδZσ_k/M (σ_k – микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M ≈ 0.5, получаем μ_k = N_Aδσ_k/2.

Сечение комптоновского рас­сеяния σ_k при малых энергиях рас­тет, дости­гает максимального значения в интервале 100 – 300 Кэв, а затем медле­нно уменьшается с увеличени­ем энергии γ-квантов.

Для одного и того же вещества для К-оболочки ход сечения фотоэф­фек­та приблизительно оценивается:

при Е_γ > I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ^3.5;

при Е_γ >> I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ.

где Е_γ – энергия γ-кванта, I_K – потенциал ионизации К-оболочки.

Фотоэффект наиболее вероятен в области энергий, близких к потен­циалу ионизации электронных К-оболочек, это для тяжелых элементов (Z > 50) энергия до 100 Кэв, для более легких элементов эта энергия снижается до единиц Кэв. Например, для титана (Z = 22) I_K < 6 Кэв.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определен­ный тип взаимодействия γ-квантов с веществом, а именно комптоновское рассеяние, метод называется гамма-гамма метод плотностной модификации (ГГМ-П). Для исследования изменения состава пород применяется гамма-гамма-метод селективный (ГГМ-С), в основе которого - фотоэффект. Мето­дически оба эти метода сходны – первичное облучение породы потоком гамма-квантов с последующей регистрацией вторичного гамма-излучения. Выбор типа взаимодействия первичного излучения (Комптон-эффект или фотоэффект) решается с помощью выбора источника первичного γ-излуче­ния: при энергии источника Е_γ < 300 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Е_γ > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Чувствительность ГГМ-С к изменению Z_эфф породы определяется энер­гией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника γ-квантов низкой энергии (Е_γ = 50 Кэв) максимальная чувствительность – в области малых значений Z_эфф – до 14, далее чувствительность падает, а при Z_эфф > 20 чувствительность прак­тически равна 0. Такая ситуация реа­ли­зуется при разведке угольных мес­торождений – изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Z_эфф на величины, не более 0.2 ÷ 0.4. При разведке полиметаллических и, осо­бе­нно железорудных, месторождений изменение Z_эфф от вмещающей до рудо­со­держащей породы более значительно – на единицы, а в случае массивных руд, до десяти. В этом случае используется более жесткий источник перви­чного γ-излуче­ния, чтобы перекрыть весь диапазон измерений Z_эфф. Основ­­ным источником первичного γ-излуче­ния в ГГМ-С является изотоп селена Se⁷⁵ (Т = 120 дней; Е_γ = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm¹⁷⁰ (Т = 129 дней; Е_γ = 84,2 Кэв).

ГГМ-П, как было сказано выше, необходимо осуществлять в таких усло­виях, когда преобладает комптоновское рассеяние -излучения, а именно в интервале энергий от 500 Кэв до 2 Мэв. Так как при многократном рассеянии -излучения в среде образуется низкоэнергетическая часть -спектра, которая поглощается при помощи фотоэффекта (вследствие чего образуются низкоэнер­гетичные -кванты характеристического излучения), устранить влияние фото­эффекта можно соответствующим выбором энергии первичного -излучения и использованием детекторов, имеющих в области малых энергий низкую эффек­тивность.

Для реализации ГГМ-П обычно используются источники -квантов Cs¹³⁷ (Е_γ = 0.66 Мэв), Со⁶⁰ (1.25 Мэв), реже Ra²²⁶ (1.7 Мэв). Низкую эффективность в области мягкого -излучения имеют газоразрядные счетчики типа МС и СТС и сцинтилляционные детекторы NaJ (Tl) в металлических фильтрах (корпус прибора).

Если для ГГМ-П очень важно регистрировать наиболее жесткое -излу­чение, то очень важным становится взаимное пространственное расположе­ние источника, исследуемой среды и детектора вторичного -излучения – эне­р­гия -квантов после комптоноского рассеяния сильно зависит от угла рас­сеяния. Взаимное пространственное расположение источника, исследуе­мой среды и детектора вторичного -излучения называют геометрией изме­рения. Геометрия измерений также важно и при ГГМ-С – подобрав правиль­ную геометрию измерения можно резко уменьшить влияние рассеянных -квантов.

В ГГМ наиболее распространены три геометрии измерений. Первый, наиболее простой, но и наименее распространенный –геометрия измерений узким пучком, который можно реализовать только в лабораторных условиях, потому что в данной методике об­ра­зец помещается между источни­ком -квантов и детектором. Узкий пучок -излучения создают свинцо­выми коллиматорами. Оптималь­ные размеры коллимационного канала: диаметр 5 – 10 мм, общая длина 6 – 7 см для источника Cs¹³⁷ и 10 – 15 см для Co⁶⁰. Расстояние между детектором и источником равно 20 – 50 см (в зависимости от размера образца). При помощи этой геометрии в лабораторных условиях измеряют плотность пород с точностью 0.01 г/см³.

Геометрия просвечивания широким пучком. Этот метод применяется в инженерно-геологических исследованиях для определения плотности рых­лых пород (почв, грунтов). Экспериментально доказано, что угол между ли­нией, соединяющей детектор и источник, и пер­пендикуляром к поверхности среды (угол α) не влияет на результаты измерения, если он не пре­вышает 60⁰. Оптимальная толщина просве­чива­емого слоя равна ρd = 40 ÷ 80 г/см², где ρ – пло­тность, d – расстояние между источником и де­те­ктором. Для вычисления плотности необходимо знать интенсивности пер­вичного и вторичного -излучения и d. Жесткая конструкция зонда обес­печи­вает постоянство толщины измеряемой породы и постоянство интенси­вности первичного излучения, поэтому достаточно измерять интенсивность рассея­н­ного излучения и через эталонировочный график определить плотность.

Метод (геометрия) рассеянного λ-излучения. Данная геометрия являет­ся основной при геофизических исследования скважин, при опробовании горных пород в выработках (канавах, шурфах и штольнях). В данной методике применя­ют­ся два типа зондов.

Зонд «2π» применяется на рудных и угольных место­рождениях для исследования скважин диаметром от 59 до 110 мм. Зонды с коллимированием первичного и рассеянного излучений ис­пользуются для изучения скважин большого диаметра (более 200 мм). Кол­лимирование обеспечивает регистрацию однократно-рассеянного γ-излуче­ния. Пружина прижимает зонд к стенке скважины. Свинцовые экраны, закрывающие от прямого излучения источника и от бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток коллимированного зонда – большой диаметр зонда и низкие скорости счета по сравнению с зондом «2π».

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между источником и детектором. В методе рассеян­но­го γ-излуче­ния оптимальное R равно ρd = 40 ÷ 100 г/см² (в массовых едини­цах), так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Длина свинцового экрана должна быть не менее 5 – 7 см для Cs¹³⁷ и 10 – 12 см для Со⁶⁰.

Для выяснения условий применения ГГМ необходимо знать зависимо­сти реально измеряемых потоков рассеянного излучения от геометрии зондов и свойств среды. Самой важной особенно­с­тью измерений в ГГМ геометрией рассея­нного излучения является инверсия зави­си­мости интенсивности рассеянного излу­че­ния от плотности с изменением длины зонда. Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) – функция рассеяния, определяющая интенсивность рассеянного γ-излучения в зависимости от безразмер­ного параметра ξ = μ’ρR, выполненных для 2π-зонда. Произведение массового коэффициента μ’ на плотность ρ есть ли­нейный коэффициент ослабления μ. Величина, обратная μ – это величина, характеризующая длину пробега l γ-кванта (l ≈ 1/μ). Отсюда следует, что параметр ξ представляет длину зонда R/l, выраженную в длинах свободного пробега γ-кванта в веществе.

На рисунке показаны зависимости функция рассеяния от параметра ξ, различные кривые относятся к различным средам с разным коэффициентом μ’. Так как для каждой кривой значение μ’ фиксировано, а длина зонда R со­храняется постоянной при измерениях, графики Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) отражают изме­не­ние интенсивности рассеянного γ-излуче­ния в зависимости от плотности. Из графи­ков видно, что с увеличением плотности интенсивность сначала возрастает, дости­гая максимума в точке инверсии, а затем монотонно уменьшается. Положение точки инверсии для пород с различным μ’ разное.

В ГГМ-П оптимальны заинверсные 2π-зонды с приведенной длиной ξ > 2, для которых характерно монотонное экспоненциальное убывание интенсивности рассеянного излучения с увеличением плотности. Для уменьшения влияния Z_эфф в ГГМ-П необходимо использовать γ-излучения с большой энергией (источники Cs¹³⁷ или Co⁶⁰). С учетом диапазона изменений плотности и μ’ для этих энергий реальная длина зонда R составляет 15 – 40 см. Для сниже­ния влияния Z_эфф в ГГМ-П дополнительно уменьшают вклад мягкой компо­не­нты рассеянного γ-излучения применением железных или свинцовых фильтров, а также отсечкой импульсов малой амплитуды с помощью дискриминатора. Радиус исследования (глубинность) зондов зависит от плотности среды и длины зонда, для большинства горных пород лежит в пределах ρR = 20 ÷ 40 г/см². Принимая плотность пород 2,7 г/см³, а длину зонда 20 см, получим, что глубинность исследований ГГМ-П, в среднем, составляет менее 1 см.

В ГГМ-С выгодно использовать инверсионные зонды с параметром ξ, лежащим в области экстремума функции рассеяния. В этой области показа­ния интенсивности вторичного излучения не зависят, или мало зависят, от плотности пород. Однако влияние плотности, при работе с инверсными зон­дами, исключается лишь в узком диапазоне изменения плотности. С целью расширения области компенсации влияния плотности, при работах методом ГГМ-С, применяют двойные зонды, которые содержат два источника, распо­ло­женных на разных расстояниях от детектора. В этом случае измерения выполняются одновременно с двумя зондами – характеристика одного из них должна лежать в доинверсной, а другого – в заинверсной интервалах кривой Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1). Если правильно подобрать длины зондов, с учетом интервала изменения плотности, то при измерении суммарного сигнала (детектор этих зондов один и тот же) будет осуществляться компенсация изменения интен­сивности вторичного гамма-излучения от изменения плотности в широких пределах. Одновременно с этим, в определенных пределах, исключается влияние зазора между корпусом прибора и пробой (стенки скважины).

Глубинность исследований методом ГГМ-С с использованием источ­ников Se75 и Tm170, в любом случае, не более глубинности ГГМ-П, за счет использования более мягкого первичного гамма-излучения.

Применение ГГМ. Метод ГГМ-П наибольшее распространение полу­чил в скважинном варианте (ГГК-П). Плотностной каротаж позволяет выде­лить в разрезе скважины полезные ископаемые с аномальной плотностью (уголь, горючие сланцы, металлические руды). ГГК-П также применяется на нефтяных и газовых месторождениях с целью изучения пористости пород (по изменению плотности). При инженерно-геологических работах ГГМ-П в различных модификациях применяют как для определения плотности, особе­н­но рыхлых пород, так и для наблюдения за динамикой влажности (по изме­не­нию плотности).

Определение Z_эфф с помощью ГГМ-С позволяет различать породы по вещественному составу. Чувствительность ГГМ-С, по сравнению с ГГК-П, при выделении объектов разного вещественного состава, выше. Выигрыш в чувствительности тем существеннее, чем больше Z_эфф определяемых объек­тов. Так, при исследовании свинцовых руд с содержанием менее 1%, плот­ность (следовательно и изменение интенсивности рассеянного излучения в ГГМ-П) изменяется незначительно, по сравнению с пустой породой. В то же время ГГМ-С дает четкие аномалии.

Принципиальным недостатком ГГМ-С является невозможность разде­ле­ния измеряемых эффектов от различных элементов. Количественное опробование руд с помощью ГГК-С возможно только на монометальных месторождениях и втех редких случаях, когда между несколькими рудными компонентами имеется жесткая корреляция. При исследовании типичных полиметаллических руд (Ba – Pb, W – Mo, Pb – Zn и т.д.) метод ГГМ-С можно использовать для оконтуривания зон оруденения, т.е. как индикатор­ный. Наиболее благоприятные объекты для применения ГГМ-С являются месторождения железных руд, углей и горючих сланцев, на которых методы ГГК-С и ГГК-П используются в разведке месторождений и при подсчете запасов.