Ядерно-физические свойства горных пород

Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород по- нимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий. Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физи- ческих явлений, сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и яд- рами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образо- вание электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающиеся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением). Вероятность того или иного взаимо- действия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, расстояния от источника до облучаемой горной породы 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.

Суммарное (полное) макроскопическое сечение при гамма-облучении слоя гор- ных пород единичного объема и толщины численно равно полному линейному коэф- фициенту μγ ослабления (поглощения). Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:

k

mg =

åsgi N i ,

i =1

Ig =Ig0

e-mV L ,

(5.4)

где σγ i — микроскопическое сечение взаимодействия атома i-го химического эле-

мента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента Ni , и общем чис-

ле элементов k; Iγ, Iγ0 — интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощаю- щего слоя толщиной L. Практически определяют эффективный коэффициент ослабле- ния μγэф по экспериментально полученной эффективной интенсивности гамма- излучения:

Igэф

=Ig0

×e-mgэфL

. (5.5)

Макроскопическое сечение взаимодействия или эффективный линейный коэффи- циент ослабления зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделее- ва и массовых чисел химических элементов горной породы, а также ее плотности σ. На изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности рассеянного гамма-излучения (Iγγ = Iγ0). Суммарное (полное) нейтронное макроскопическое сечение горной породы единичного объема μn определяется микроскопическими сечениями σni всех составляющих ее химических элементов от i = l до i = k с числом атомов i-го элемента Ni. Для узкого пучка облу- чающих нейтронов формулы связи этих параметров имеют вид

k

i =1

n i Ni ,

I n =I

e-mn L , (5.6)

где In, In 0 — плотность (или интенсивность) нейтронов в конце и начале слоя толщиной L. Нейтронное микроскопическое сечение ядра σni равно его эффективной площади, которая обычно больше его геометрического сечения. Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10-28 м2). Наибольшими нейтронными сечениями обла- дают редкоземельные элементы (например, для гадолиния σni =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—100)·10-25 м2.

Практически коэффициент μn является эффективным коэффициентом, характери- зующим и замедляющие и поглощающие свойства горной породы μn эф при облучении ее нейтронами. Величину, обратную μn эф, называют полной длиной пробега нейтронов Ln. Она включает длину замедления и длину диффузии.

Средняя длина замедления нейтронов LЗ определяется способностью ядер рас- сеивать 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 (LЗ < 10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородсодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы LЗ составляет первые десятки сантиметров.

Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диф- фузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражают через среднюю длину диффу- зии LД или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов τT n. Наи- меньшими значениями этих параметров (LД < 5 см, τT n < 5 мкс) отличаются руды, со- держащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкозе- мельные, кадмий, бор, ртуть, железо, марганец, хлор и др.), и рыхлые осадочные поро- ды, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород LД изменяется от 10 до 30 см, а τT п — от 10 до 3000 мкс.

На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов осно-

ваны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазона-

сыщенности. Они базируются на изучении плотности (интенсивности) тепловых ней-

тронов In n или вторичного гамма-излучения In γ .