Класифікація родовищ будівельних гірських порід по природній радіоактивності корисної копалини

Відповідно до "Тимчасових методичних вказівок за радіаційно-гігієнічною оцінкою корисної копалини при виробництві геологорозвідувальних робіт на родовищах будівельних матеріалів" всі родовища будівельних матеріалів по ступеню радіоактивності і характеру розподілу порід з різним змістом радіоактивних елементів підрозділяються на три групи. Перша група родовищ цілком представлена корисними копалини з низькою радіоактивністю. Всі гірські породи, що складають родовища, придатні для виробництва будматеріалів, використання яких можливо у всіх видах будівництва. Друга група родовищ представлена слаборадіоактивними гірськими породами з дайками, лінзами, жилами, прошарками порід з підвищеною радіоактивністю. Такі родовища потребують селективного відробітку і основна маса порід, що здобуваються, може використовуватися для виробництва будівельних матеріалів першого класу, вживаних у всіх видах будівництва. З порід підвищеної радіоактивності (що складають в родовищі локальні ділянки), що попутно здобуваються, можливе виготовлення будматеріалів другого, третього і четвертого класів. Третя група родовищ представлена переважно гірськими породами з підвищеною радіоактивністю, які можуть використовуватися для виробництва будівельних матеріалів і виробів, вживаних, в основному, в дорожньому і промисловому будівництві. І лише в окремих випадках при селективній виїмці низько радіоактивних порід можливе виготовлення з них в обмежених об'ємах будматеріалів, використовуваних в житловому і культурно-побутовому будівництві.

При виробництві будівельних матеріалів з родовищ другої і третьої груп повинна бути документально оформлена згода споживача на сировину для виробництва будівельних матеріалів підвищеної радіоактивності. [13]

Способи визначення радіоактивності будівельних гірських порід

Радіаційно-гігієнічна оцінка облицювальних гірських порід включає визначення потужності дози гамма-випромінювання, що створюється радіоактивними елементами гірських порід на місці їх залягання, і встановлення величини сумарної питомої активності радіонуклідів в породах. Саме за цими двома показниками оцінюється можливість використання будівельних гірських порід для виробництва будівельних виробів першого і інших класів. Потужність гамма-випромінювання визначається гамма-методом шляхом вивчення радіоактивності каменя в 2 геометрії вимірювань по природних оголеннях і в 4 геометрії при каротажі свердловини. Сумарна ж питома активність радіонуклідів встановлюється по вмісту радіоактивних елементів в породах, які визначаються на підставі обробки даних гамма-каротажа, в результаті гамма-спектрометричних вимірювань. Родовища обов'язково оцінюються по радіаційно-гігієнічних характеристиках, але значна частина родовищ розвідані раніше, коли вимоги за радіаційно-гігієнічною оцінкою були відсутні. Частина з цих родовищ розробляються. Все це вимагають ефективних методів і способів радіаційно-гігієнічної оцінки будівельних гірських порід, як на стадії розвідки, так і на стадії розробки родовищ. Радіаційно-гігієнічна оцінка корисних копалини на родовищах будівельних гірських порід при виробництві геологорозвідувальних робіт регламентується спеціальними тимчасовими методичними вказівками Мінгео України. А ось затвердженої методики радіаційно-гігієнічної оцінки сировини в кар'єрах, що діють, немає.

У зв'язку з цим узагальнення кращого досвіду в даному питанні може сприяти розробці єдиною нормативно технічній документації і бути корисним багатьом підприємствам, добувним будівельні гірські породи. Існує багато способів визначення радіоактивності гірських порід, але перевага, як відомо, віддається радіометричним методам, фізичною основою яких є наступні закономірності розпаду радіоактивних ядер:

- при - розпаді ядро викидає - частинку, унаслідок чого нуклід, що утворився, займає в періодичній системі елементів місце на дві клітки лівіше початкового, а його масове число зменшується на 4 одиниці;

- при - розпаді ядро випускає електрон і знов утворюється нуклід з таким же масовим числом, як і у нукліда, що розпався, з атомним номером на порядок вище;

- при електронному захопленні електрон захоплюється ядром радіонукліда зі своєї оболонки. Нуклід, що утворився, займає в періодичній системі елементів місце на одну клітку лівіше за початковий нуклід. В цьому випадку один протон в ядрі початкового нукліда перетворюється на нейтрон. Місце, що звільнилося, в електронній оболонці заповнюється електронами з іншої оболонки, внаслідок чого випускається характеристичне гамма-випромінювання.

Найбільш ефективними методами вивчення природної радіоактивності гірських порід є методи, засновані на реєстрації, - випромінювань із-за їх великої проникаючої здатності. Для планомірного і якісного вивчення кар'єрного поля геофізичними методами і способом буріння необхідний комплекс підготовчих топо-маркшейдерских робіт. Як планово-графічна основа доцільно використовувати маркшейдерський (топографічний) план родовища масштаб не менше 1:1000. Для виробництва детальною гамма-зйомки кар'єра виконується вішання паралельних профілів з відстанями через 20м з розбиттям по ним пікетажу (відстань між пікетами 10 м). По маркшейдерському плану здійснюється геофізична прив'язка проектованих свердловин колонкового буріння і пунктів геофізичних спостережень, винесення в натуру яких виконується тахеометричним способом.Вивчення радіоактивності нижніх горизонтів корисної копалини, не розкритих кар'єром, проводиться за допомогою буріння свердловин з подальшим гамма-каротажем і літохімічними випробуваннями кернового матеріалу. Свердловини буряться колонковим бурінням верстатом УКБ 200/300 з початковим діаметром 93-76 мм і кінцевим 59 мм до відмітки затверджених запасів. Зміна діаметрів буріння проводиться після проходки свердловиною вивітреного граніту. Осадові породи, дресва і каолін розбурюються армованими коронками діаметром 93 і 76 мм з промивкою глинистим розчином і обсадженням стовбура свердловин. Буріння гранітів виконується діамантовими коронками діаметром 59 мм з промивкою водою. Вихід керна 80-90%. По всіх свердловинах здійснюється детальний порейсовий опис керна (рейси нормальні - 1-4 м).

Гамма-каротаж свердловин найдоцільніше виконувати польовим радіометром типу СРП 68-03 з точковою реєстрацією радіоактивності по стовбуру свердловини через 1 м, з безперервним прослуховуванням між точками фіксованих вимірювань, з деталізацією аномалій, з кроком вимірювання - 0,1 м. За результатами вимірювань будуються графіки гамма-каротажу. [13]

Радіометричну профілізацію стінок кар'єру доцільно виконувати приладом СРП-68-01 по профілях через 10 м з узяттям двох фіксованих вимірювань на кожному профілі (одне біля підніжжя стінки, інше на висоті 2,5 м) при безперервному прослуховуванні між точками фіксованих вимірювань. У місцях підвищеної радіоактивності порід мережа вимірів згущується до 0,2 х 0,2 м. Детальна гамма-зйомка дна і у уступів кар'єру проводиться також приладом СРП-68-01 з безперервним прослуховуванням між точками фіксованих вимірювань. У місцях підвищеної або такої, що різко змінюється радіоактивності проводиться згущування мережі спостережень до 5 х 5 м.

За наслідками радіометричної профілізації стінок і детальною гамма-зйомки дна і уступів кар'єру складається план радіометричної зйомки кар'єру і зарисовка його стінок. Підприємства, добувної і переробної промисловості будівельних гірських порід, мають, як правило, наступні склади готової продукції: склад сировини; склад будівельної продукції; склад продукції, що отримується від комплексної переробки відходів.

В процесі вимірювання гамма-фону на складах сировини встановлено, що його виробництво на складі блоків і тесано-полірованих виробів є малоефективним, а на складах сипких - достатньо ефективним. Найбільш ефективним є вимірювання гамма-фону на складі щебеню, при цьому необхідно на кожному конусі брати не менше 10 відліків на крапках біля підніжжя конуса і на доступній висоті. Фіксовані точки вимірювання слід розташовувати через 90 градусів (у геометрії 4 ) із зануренням детектора в щебінь на глибину не менше 0,7 м.

Літохімічне випробування є основним методом, за результатами якого проводять радіаційно-хімічну оцінку порід. З метою вивчення радіаційної характеристики родовища необхідно виконувати його випробування як за площею (випробування кар'єру), так і на глибину (випробування керна свердловин). Вибір способу випробування залежить від виду корисної копалини, характеру його розподілу, вхідних в його склад елементів точності і якості вживаних методів аналізу і отримуваних результатів.

Для контролю і підвищення достовірності визначення змісту радіонуклідів в породі використовуються також лабораторні методи. Цими методами визначають вміст радіоактивних елементів, по яких розраховують радіаційну характеристику порід. Для лабораторних досліджень використовують проби будівельного каменя, відібрані з місць із значеннями гамма-активності, що перевищують параметри радіоактивності будматеріалів першого класу, а також проби товарної продукції, загальна кількість яких визначається виходячи з системи розробки родовища і наміченої продукції з урахуванням результатів польових радіометричних робіт. З результатами лабораторних досліджень на радіонукліди в будівельних породах повинні бути пов'язані свідчення гамма-активності порід і підсумки інтерпретації даних гамма-каротажа, що дозволяє упевнено виділяти гірські породи різних класів радіоактивності за площею і в розрізі родовища. Для визначення вмісту радіонуклідів в пробах гірських порід можуть застосовуватися гамма-спектрометричний, рентгеноспектральний, хімічний, радіохімічний і нейтронно-активаційний методи лабораторних досліджень.

Гамма-спектрометричний метод найбільш прийнятний для вивчення проб гірських порід на радіоактивність з метою отримання їх радіаційної характеристики. Цим методом визначається роздільний вміст радіоактивних елементів (²²⁶Rа, ²³⁸U, ²³²Th і ⁴⁰К) в одному навішуванні масою 500 г при розмірі частинок не більше 1 мм. Дослідження ведуться стандартною апаратурою, або блоками аналізуючої апаратури, що серійно випускаються.

Для визначення вмісту в породі урану і торія може бути використаний рентгеноспектральний метод, при якому вимірювання ведуться по малих навішуваннях (3-4г). При цьому використовується серійна рентгеноспектральна апаратура типу ФРА-4, АРФ-4М, АРФ-6, ФРС-2 та інші. Метод характеризується високою продуктивністю і низькою вартістю аналізу.

При масових дослідженнях проб будівельних гірських порід на радіоактивні елементи нейтронно-активаційний, хімічний і радіохімічний методи поки не знаходять широкого застосування. Нейтронно-активаційний і хімічний методи зрідка використовуються для визначення концентрації урану і торія, а радіохімічний - радію і торія. Нейтронно-активаційний метод вимагає для аналізу складного устаткування (ядерні реактори), а хімічний і радіохімічний методи вимагають попереднього розділення і концентрації радіоактивних елементів. До того ж ці методи трудомісткі і малопродуктивні тому вони використовуються рідко. Методи, що дозволяють аналізувати зміст тільки урану і торія або радію і торія, доповнюються визначенням калію способом полум'яної фотометрії. Радіаційна характеристика будівельної сировини дається по сумарній дозі випромінювання, обумовленій радієм, торієм і калієм. У разі визначення концентрації урану, а не радію, в розрахунках цієї характеристики дається використання даних по урану. Але слід пам'ятати, що розрахунок величини сумарної питомої активності радіонуклідів за вмістом урану є достовірним, якщо в досліджуваній породі збережений стан радіоактивної рівноваги між ураном і радієм.

При вимірюванні гамма-активності будівельних гірських порід в кар'єрах визначається загальна радіоактивність (у 2 -геометрії). Дані вимірів гамма-активності порід використовуються для виділення в покладі мінеральної сировини з радіаційними параметрами будматеріалів першого і інших класів. Гамма-активність порід заміряється радіометрами типу СРП-68-01 і іншими з сцинтиляційними детекторами. Вимірювання радіоактивності гірських порід ведеться по поверхні оголень, стінкам і дну кар'єру. При прослуховуванні визначається загальний характер гамма-поля, визначаються ділянки з аномальною радіоактивністю. На ділянках з нормальним фоном гамма-випромінювання фіксовані вимірювання ведуться по мережі 1 х 1 м (1 х 2 м), на аномальних ділянках із згущуванням точок спостережень до 0,2 х 0,2 м (0,1 х 0,1 м). На великих за площею оголеннях і в кар'єрах визначення радіоактивності каменя шляхом прослуховування на телефон ведеться по 2-образних маршрутах. Труднодоступні ділянки вивчаються за допомогою телефону по лінійному маршруту уздовж підстави вертикальної поверхні порід. Виміри гамма-активності каменя, що фіксуються, проводяться по профілях, що орієнтуються по можливості навхрест простягання порід. Профілі вимірів прокладаються через дно і стінки і по периметру кар'єру. Уступи кар'єрів і вертикальні стінки оголень обстежуються по профільних лініях шляхом подовження гільзи в два прийоми в нижній і верхній частинах обриву або, при необхідності, за допомогою каротажної апаратури. Відстані між профілями вибираються залежно від геологічних, особливостей обстежуваного покладу, мінливості гамма-поля, розмірів оголень і кар'єрів. Вони можуть змінюватися від 2-5 до 2.5-50 м. Відстані між точками вимірів на профілях змінюються від 1-2 м до 5 м з суцільним прослуховуванням проміжків. Виявлені аномалії деталізують шляхом зменшення фіксованих інтервалів до 0,2-0,1 м з визначення контуру аномальних ділянок за межами профілю. Обстеження гамма-активності порід на родовищі ведеться так, щоб були охарактеризовані всі зустрічні різновиди порід. Жили, зони дроблення, разсланцювання, гідротермальної переробки, мінералізації і області контактів між різними породами обстежуються особливо, із згущуванням мережі гамма-вимірів. Отримані дані перевіряють 10%-им об'ємом контрольних вимірювань, виконаних тим же методом, але іншим приладом. Середньоквадратична відносна погрішність вимірів не повинна перевищувати ±10%. Значення гамма-активності порід в точках вимірів показуються на планах або зарисовках кар'єрів і оголень, або на накладних кальках, які поєднуються з цими планами або зарисовками. На підставі набутих значень радіоактивності порід по кар'єру або оголенні виділяють ділянки розвитку гірських порід, відповідних по гамма-активності будматеріалах першого і інших класів. На ділянках поклади, на яких радіоактивність перевищує перший клас, намічаються місця для гамма-спектрометричних досліджень і випробування на радіоактивні елементи. [13]

Визначення гамма-активності будівельних гірських порід по свердловинах при його пошуках, попередній, детальній і експлуатаційній розвідках проводиться за допомогою гамма-каротажу, при якому потужність дози гамма-випромінювання, що створюється породами, визначається уздовж осі свердловини (у 4 -геометрії), що дає можливість використовувати результати вимірювань для отримання даних про вміст радіоактивних елементів в породах. При гамма-каротажі вимірювання радіоактивності порід по свердловині здійснюється сцинтиляційною апаратурою (СРП-68-02, СРП-68-03, КУРА-1, КУРА-2, РУР-1, РУР-2, РСК-М, РСЬК-У, ДРСА, ДРСТ-3-60, ДРСТ-1 і інший). Реєстрацію гамма-активності порід ведуть шляхом безперервного або точкового запису. Після обробки даних вимірів і внесення в них поправок на поглинання гамма-випромінювання буровим розчином і обсадними труба; отримані результати відображають на геологічному розрізі по свердловині у вигляді кривої гамма-активності порід.

Деякі особливості розповсюдження радіонуклідів в породах, приурочених до Українського кристалічного щита

Основна маса родовищ природних каменів, таких як граніти, лабрадорит, габбро і інших, приурочена до Українського кристалічного щита, одному з найбільших геоструктурних регіонів мінерально-сировинної бази. Вивержені кристалічні породи Українського кристалічного щита, що вилилися, і особливо, його північно-східній частині, характеризуються, як правило, підвищеною радіоактивністю. Найбільш значна частина родовищ каменя України приурочена до Житомирсько-Кіровоградського комплексу. Кам'яні породи переважно представлені гранітами. На вигляд це масивні, рідше за гнейсовидні породу сірий або світло-сірий кольори, що складаються з польового шпату (мікроклину, ортоклазу і плагіоклазу від альбіт-олігоклазу до олігоклазу), кварцу, біотиту, і невеликої кількості мусковита. З другорядних мінералів присутні апатит, магнетит, турмалін, рідко епідот, титаніт, гранат.

Характерно, що з гранітами Житомирсько-Кіровоградського інтрузивного комплексу пов'язані утворення пегматитових жил невеликої потужності, що лише рідко досягають 0,5-1,0 м. Найчастіше потужність їх не перевищує декількох сантиметрів. Пегматитові жильні утворення січуть породи, що вміщають їх, під різними кутами. Пегматит складається з кристалів польових шпатів, що досягають 3--4 см в поперечнику, між якими спостерігаються листочки біотиту, що досягають 2-3 см. Структура ж пегматиту грубозерниста, пегматондна, а текстура масивна. Родовища облицювальних гранітів Корнінського, Коростишевського, Осиково-Копецького і інших родовищ характеризуються виділеннями порфіробластових средньозернистих гранітів і плагіо-гранітів. Ділянки залягань средньозернистих порід характеризуються густішим розвитком тріщин окремості, площини яких покриті тонким шаром каоліну і забарвлені в буро-жовтий колір гідр оксидами заліза.

Радіаційно-гігієнічна характеристика вищеназваних родовищ вивчалася за даними гамма-промера керна (по 15-25 свердловин на кожному з них) і досліджень 10-14 літохімічних проб. Граніти згаданих родовищ мають наступні особливості геологічної радіаційно-гігієнічної будови:

Ø наявність радіоактивних мінералів (ортіт, моноцит, циркон, апатит, і ін.), які асоціюють в плеохроїчних зонах навколо біотиту;

Ø наявність пегматитових жил, до яких часто приурочений підвищений вміст радіоактивних елементів, особливо урану і торія;

Ø різноманітний і часто мінливий минералого-петрографічний склад гірських порід родовищ (порфіробластовий гранує, плагіограніт, гнейс і так далі).

Згідно вимог національних норм радіаційної безпеки будівельні матеріали, як вже наголошувалося раніше, підрозділяються на 5 класів по можливих видах їх використання залежно від концентрації в них природних радіонуклідів в пКі/кг, так званій питомій активності А. Так як питома активність А, яку ще часто називають еквівалентним вмістом природних радіонуклідів (С_ЕКВ), є нормативним показником, що визначає клас і область застосування будівельних матеріалів. Вивчення радіаційно-гігієнічних властивостей сировини для виробництва будівельних матеріалів повинне бути направлене на визначення С_ЕКВ, його зміни і кореляцію як за площею, так і по глибині родовища. [13]

Враховуючи все вищесказане і особливості геологічної будови родовищ Житомирсько-Кіровоградського інтрузивного комплексу, вивчення радіаційно-гігієнічних властивостей корисної копалини проводилося в кар'єрах, що діяли, із застосуванням комплексу методів геологорозвідувальних і геофізичних робіт:

* проектування, що обґрунтовує методики і об'єми робіт стосовно родовищ досліджуваного інтрузивного комплексу;

* буріння свердловин, необхідне для вивчення літологічного розрізу, вивчення керна, проведення геофізичних робіт в свердловинах;

* геофізичні роботи, що полягають у виділенні інтервалів випробування для визначення С_ЕКВ по графіках гамма-каротажу свердловин, кореляція меж класів між літохімічними пробами (С_ЕКВ) за площею кар'єру і по глибині;

* випробування і лабораторні роботи, що полягають у визначенні концентрації радіонуклідів урану, торія і окисду калія, а також визначення С_ЕКВ;

* топографічні роботи по планово-висотній прив'язці свердловин і точок географічних спостережень;

* камерні роботи, що полягають в обробці матеріалів попередніх робіт і виділенні класів корисної копалини.

В процесі камеральної обробки польових і лабораторних матеріалів визначалися наступні параметри, які характеризують радіоактивність гірських порід Житомирсько-Кіровоградського інтрузивного комплексу:

¨ С_ЕКВ - еквівалентна концентрація, радіонуклідів (пКі/г) - за наслідками лабораторних робіт літохімічних проб (вона ж питома активність А):

¨ U, Th, К - поелементна концентрація природних радіонуклідів n*10^-4 за наслідками лабораторних робіт літохімічних проб;

¨ Ам - потужність експозиційної дози гамма-випромінювання по гамма - каротажу і гамма-зйомки кар'єра, визначена як середня потужність в інтервалі випробування.

Дослідження виконувалися за широкою програмою, що охоплює методику радіаційно-гігієнічної оцінки корисних копалини при виробництві геологорозвідувальних робіт на родовищах будівельних матеріалів і методику радіаційно-гігієнічної оцінки сировини в кар'єрах, що діють, з комплексом дослідження даних і їх математичної обробки. Отримані в результаті досліджень експериментальні дані є випадковими величинами статистичних сукупностей, при аналізі яких доцільно використовувати апарат математичної статистики. Велику роль в радіаційно-гігієнічній оцінці має аналіз одновимірної статистичної сукупності, для виконання якого доцільно складати гістограми для розподілу випадкових величин окремо для кожного параметра (С_ЕКВ, U, Th, К).

Вимоги до оформлення документації за радіаційно-гігієнічною оцінкою будівельних гірських порід

У звіті по геологорозвідувальних роботах результати радіаційно-гігієнічної оцінки корисної копалини висловлюють в спеціальному розділі "радіаційно-гігієнічна оцінка гірських порід". У цьому розділі слід відобразити мету постановки радіометричних робіт, їх виконані види і об'єми, вживану апаратуру, методику досліджень, а також привести відомості по випробуванню на радіоактивні елементи. У звіті розглядають радіоактивність всіх петрографічних різновидів порід, що складають родовище, за наслідками лабораторних досліджень проб на радіоактивні елементи і даним радіометричного обстеження гірських вироблень, оголень і свердловин, підсумкам інтерпретації кривих гамма-каротажу.

За наслідками виконаних досліджень визначають групу родовища по ступеню радіоактивності порід, що складають його, частку гірських порід кожного класу в межах блоків підрахунку запасів природного каменя різних категорій. У звіті необхідно також приводити характеристику радіоактивності запланованої до виробництва товарної продукції, вказувати її клас і області можливого використання.

Текс розділу радіаційно-гігієнічної оцінки повинен супроводжуватися необхідними таблицями, малюнками і графічними матеріалами. У текстових застосуваннях поміщаються журнали кількісної інтерпретації даних гамма-каротажу, випробування і лабораторних аналізів проб на радіоактивні елементи і результатів розрахунку сумарної питомої активності природних радіонуклідів в породах. Текст радіаційно-гігієнічної оцінки повинен супроводжуватися графічними матеріалом, основним з яких є план радіометричної вивченості родовища, який складається на геолого-петрографічної (літологічної) основі з вказівкою місць відбору проб для лабораторних аналізів, даних по еквівалентному вмісту радіонуклідів в породах і віддзеркаленням контурів гірських порід різних класів. У графічних застосуваннях повинні бути геологічні розрізи і колонки свердловин з результатами гамма-каротажу, промера керна і лабораторних аналізів. Для родовищ II і III груп додаються також плани підрахунку запасів з розділенням по класах радіоактивності. [13]