Радиоактивность минералов и горных пород

Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана, тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.

1. Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первич-ные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.

2. Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).

3. Средней радиоактивностью отличаются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.

4. Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.

В этой классификации радиоактивность соседних групп возрастает примерно на порядок.

Радиоактивность горных пород определяется, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:

1. породы практически нерадиоактивные (U< 10^-5 %);

2. породы средней радиоактивности (U< 10^-4 %);

3. высокорадиоактивные породы и убогие руды (U< 10^-3 %);

4. бедные радиоактивные руды (U< 10^-2 %);

5. рядовые и богатые радиоактивные руды (U< 0,1 %).

К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы.

Средней радиоактивностью отличаются кислые изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде.

Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов.

Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород (C_э), являющимся отношением количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим Т_1/2) к общему количеству эманаций.

В массивных породах C_э = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых C_э = 40 - 50 %, т.е. C_э увеличивается с ростом коэффициента диффузии.

Кроме общей концентрации радиоактивных элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром.

Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ (меггаэлектрона-вольт), а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).

Таким образом, по суммарной интенсивности гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию радиоактивных элементов, а анализируя спектральную характеристику (энергетический спектр), можно определить концентрацию урана, тория или калия-40 в отдельности.

7.3. Искусственная радиоактивность, используемая в ядерной геофизике.

Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий /4,6,8,9/.

Эти свойства вытекают из физических явлений, которые сопровождают взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов или нейтронов с ядрами атомов.

Наиболее вероятные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом являются:

· фотоэлектрическое поглощение;

· неупругое рассеяние на свободных электронах (комптоновское взаимодействие)

· полное поглощение излучения в поле ядра (образование электронно-позитронных пар).

К взаимодействию нейтронного излучения с веществом относится неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением.

Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, от пути проходящего излучения в горной породе и ее ядерно-физических свойств. Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.

Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μ_γ или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы.

Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:

, (7.4, 7.5)

где σ_γi - микроскопическое сечение взаимодействия атома i -го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента в единице объема N_i и общем числе элементов K; I_γ,I_γ0 - интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной L. Практически определяют эффективный коэффициент ослабления μ_γэф по экспериментально полученной интенсивности вторичного гамма-излучения:

(7.6)

Макроскопическое сечение взаимодействия, или эффективный линейный коэффициент ослабления, зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева и массовых чисел химических элементов всей горной породы, а также ее плотности σ.

На изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности вторичного (рассеянного) гамма-излучения:

(7.7).

При этом комптоновское рассеяние зависит от плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических элементов

Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μ_п или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы.

Величина μ_п определяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами (σ_пi) всех составляющих ее химических элементов от i = 1 до i = k с числом атомов i -го элемента в единице объема N_i по формуле:

(7.8)

где (7.9)

Здесь I_п, I_п0 - плотность потока нейтронов в конце и начале слоя толщиной L. Нейтронное микроскопическое сечение рассеяния и поглощения σ_пi измеряется в барнах и равно эффективной площади ядра, которая обычно больше его геометрического сечения.

Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10^-25 м²). Наибольшими нейтронными сечениями обладают редкоземельные элементы, например, гадолиний (46*10^-25 м²), кадмий (2,25*10^-25 м²), бор (0,769*10^-25 м²), ртуть (0,38*10^-25 м²) и др. У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах (0,1 - 10)*10^-25 м². Практически коэффициент μ_п является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породы μ_пэф при облучении ее нейтронами. Величину, обратную μ_пэф, называют полной длиной пробега нейтронов (L_п). Она включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов (L_з) определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ).

Наименьшей длиной замедления (L_з <10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородосодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы, L составляет первые десятки сантиметров.

Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата нейтронов сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражаются через среднюю длину диффузии L_д или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов τ_тп. Наименьшими значениями этих параметров (L_д < 5 см, τ_тп <5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород L_д изменяется от 10 до 30 см, а τ_тп - от 10 до 3000 мкс.

Важным параметром среды является также коэффициент диффузии

(7.10)

Постоянными величинами диффузионных параметров характеризуются неглинистые и незагипсованные карбонатные отложения. Доломитизация известняков, сопровождающая повышенным содержанием магния, увеличивает значение τ. Чистые кварцевые песчаники и доломиты характеризуются наибольшими значениями времена жизни нейтронов. Минимальными значениями τ обладают гипсы, ангидриты и глинистые породы. Существенное влияние на величину коэффициента диффузии тепловых нейтронов в скелете оказывает наличие кристаллизационной воды. При содержании ее в породе более 5% величина D практически не зависит от минерального состава скелета.

На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности (интенсивности) тепловых нейтронов I_пп или вторичного гамма-излучения I_пγ.

Контрольные вопросы к главе 7

1. Дайте характеристику естественной радиоактивности наиболее распространенных типов осадочных пород.

2. Какие минералы обладают наименьшей длиной замедления?

3. При каких условиях коэффициент диффузии не зависит от минерального состава пород?