Радиометрические методы разведки

Радиометрические методы разведки (радиометрия) — это методы поисков, раз- ведки радиоактивных руд, их радиометрического опробования, а также решения других картировочно-поисковых задач, основанные на изучении естественной радиоактивно- сти руд и горных пород.

Общая характеристика радиометрии. Возможность радиоактивной разведки обусловлена, с одной стороны, разной радиоактивностью руд и пород, а с другой — миграцией радиоактивных элементов и продуктов распада с помощью подземных вод и подпочвенного воздуха. Так как глубинность радиометрии невелика (до 1 м), объектом поисков чаще являются ореолы рассеяния радиоактивных элементов. Из всех видов ра- диоактивных излучений наибольшей проникающей способностью обладают гамма- кванты, поэтому в радиометрии применение нашли в основном методы гамма-съемки. Эти методы изучают интенсивность естественного гамма-излучения, а чаще — его спектральный энергетический состав.

Эффективность обнаружения радиоактивных руд с помощью гамма-съемки зави- сит не только от интенсивности гамма-излучения Iγ разведываемых руд, но и от уровня нормального фона Iнф. Он обусловлен натуральным фоном радиоактивности перекры- вающих рудное тело пород Iнфп и остаточным фоном за счет космического излучения и

«загрязненности» прибора Iост, т.е. Iнф = Iнфп + Iост . Средний нормальный фон опреде-

ляют на заведомо безаномальных участках:

N

I нф =å I нф i / N ,

i =1

где Iнф i — интенсивность гамма-излучения в любой i-й точке из всех N точек, приня- тых для расчета нормального фона. Аномалиями в результате гамма-съемки (ΔIγi = Iγi -Iнф) считают значения, в 3 раза и более превышающие среднее квадратиче- ское отклонение от нормального фона:

-I )2 / (N -1),

НФ å

i =1

нф i нф

и выявленные более чем на трех точках (правило «трех сигм и трех точек»).

При использовании гамма-съемки для картирования из наблюденных фоновых значений Iнф i вычитают остаточный фон Iост, т.е.

ΔIγi=Iγi - Iнф – Iост

Остаточный фон определяют по данным гамма-съемок на участках, где располо- жены заведомо нерадиоактивные породы (известняки, кварцевые пески), или на по- верхности акваторий рек и озер.

К методам радиометрии относятся воздушная, автомобильная, пешеходная, глу- бинная гамма-съемки, радиометрический анализ проб горных пород, эманационная съемка, а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации ра- диоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. В горных выработках изу- чают также жесткую компоненту космического излучения.

Аэрогамма-съемка — один из наиболее быстрых и экономичных методов радио- метрии, применяется обычно в комплексе с магниторазведкой, а иногда и электрораз- ведкой для оценки перспективности поисков радиоактивных руд. Для работ использу- ют комплексные аэрогеофизические станции (АГС-48М2, АГС-71С, «СКАТ» и др.), в которых имеется аэрогамма-спектрометр для измерения интенсивности излучения раз- ных энергий (см. п.5.1).

Методика аэрогамма-съемки сводится к непрерывной регистрации интенсивности естественного гамма-излучения Iγ разных энергий. Работы проводят либо по отдельным маршрутам, либо по системе параллельных маршрутов, равномерно покрывающих раз- ведываемую площадь. Длина маршрутов до 30 км. Расстояние между маршрутами при площадной съемке изменяется от 100 до 250 м, что соответствует масштабам съемки

1:10000 и 1:25000. Скорость полета станции 100— 200 км/ч, высота полета h от 25 м в условиях ровного рельефа и хорошей погоды до 75 м при работах в гористой местно- сти. Чем меньше высота, тем выше чувствительность и возможность выявления анома- лий меньшей интенсивности. Однако с уменьшением высоты полета уменьшается зона действия приборов, т.е. ширина разведываемой полосы земной поверхности (она обыч- но изменяется от 2h до 4 h). Кроме непрерывной регистрации Iγ h и ведут автоматиче- скую запись высоты полета станции.

Привязку маршрутов проводит штурман по ориентирам или радионавигационны- ми способами. Широко используют аэрофотосъемку на выявленных перспективных участках. Над аномалиями задаются детализационные маршруты. До 5 % маршрутов повторяют для определения погрешности съемки.

Регистрируемое гамма-поле зависит от концентрации, состава радиоактивных элементов, размеров рудных тел, мощности наносов и высоты полета. Для учета высо- ты полета с помощью специальных поправочных коэффициентов Iγ h; пересчитывают на уровень земной поверхности Iγ. Например, при высоте полета 100 м интенсивность примерно в 2 раза меньше, чем на поверхности Земли. В современных аэрогамма- спектрометрах имеется блок для автоматического приведения высот. Далее вычисляют аномалии интенсивности гамма-излучения ΔIγ за счет коренных пород и наносов как разность между Iγ и остаточным фоном Iост, т.е. ΔIγ = Iγ - Iост. Остаточный фон измеря- ют при полетах станции над водными бассейнами или на высоте 600—700 м. В совре- менных станциях фон компенсируется автоматически.

В результате аэрогамма-спектрометрической съемки рассчитывают аномалии разных энергий, позволяющие выделить урановую, ториевую и калиевую составляю- щие радиоактивного поля. Наибольшими значениями энергии гамма-излучения отли- чаются элементы ториевого ряда, меньшими — уранового, еще меньшими — калиево- го. Для повышения надежности выделения аномалий используют статистические прие- мы обработки с привлечением ЭВМ. Далее строят карты графиков, а иногда карты ΔIγ .

Аэрогамма-съемка — это поисковая съемка, которая служит для выявления по аномалиям крупных радиоактивных рудных тел. Радиометрические аномалии прове- ряют наземной гамма-съемкой, после чего делают заключение об их геологической

природе. Поскольку гамма-кванты поглощаются слоем перекрывающих пород в не- сколько метров, то практически при воздушной съемке изучают радиоактивность нано- сов, которые благодаря миграции элементов и эманаций сами становятся радиоактив- ными.

Автогамма-съемка — скоростная наземная гамма-съемка, выполняемая автома- тически во время движения автомобиля. Работы проводят с помощью автогамма- спектрометров (АГС-3, АГС-4). Чувствительность автогамма-съемки значительно выше, чем у аэрогамма-съемки, благодаря приближению станции к объекту исследова- ния. С ее помощью проводят как детализацию аэрогамма-аномалий, так и их первич- ный поиск.

Методика автогамма-съемки сводится к профильным и площадным наблюдениям на участках, доступных для автомашин высокой проходимости. Расстояние между профилями зависит от возможности проезда машин, масштаба, съемки, предполагае- мых размеров разведываемых объектов. Масштабы площадной автогамма-съемки из- меняются от 1:2000 до 1:10000 при расстоянии между профилями соответственно от 20 до 100 м. Скорость съемки — 3-15 км/ч. Работы можно выполнять при разной высоте поднятия кассеты с чувствительным элементом над земной поверхностью. С высоко поднятой кассетой увеличивается ширина зоны разведки, с низко расположенной — возрастают интенсивность поля и детальность разведки. Профили наблюдений привя- зывают визуально, по ориентирам и карте, а также с помощью специальных курсо- прокладчиков.

Результаты автогамма-съемки представляют в виде лент аналоговой регистрации ΔIγ = Iγ - Iост (с автоматическим учетом остаточного фона) для разных энергий гамма- излучений. Выявленные аномальные участки закрепляют на местности, «привязывают» инструментальным способом и проверяют точечными наблюдениями при остановке на несколько минут автомашины и замеров интенсивности излучения, а также наземными гамма-спектрометрическими съемками. После первичной обработки материалов строят карты графиков и карты ΔIγ. На них, пользуясь правилом «трех сигм и трех точек», визуально (или с помощью ЭВМ) выявляют аномалии. Сравнивая их с геологическими картами и другой информацией, оценивают перспективность на радиоактивные эле- менты.

Пешеходная (наземная) гамма-съемка — один из основных поисковых и разве- дочных методов радиометрических исследований. Ее проводят с помощью полевых ра- диометров и спектрометров (СРП-68, СП-4) (см. п.5.2). Радиометры или спектрометры с помощью стандартных образцов (эталонов) гамма-излучения периодически градуи- руют. Это необходимо для определения цены деления шкал интегральной или спек- тральной радиоактивности. По данным градуировки можно определять мощность экс- позиционной дозы гамма-излучения (в мА/кг или мкР/ч, 1 мкР/ч = 0,0717 мА/кг). Реко- мендуется ежедневно проверять режим работы прибора с помощью малых контроль- ных ториевых или радиевых источников.

Радиометрические съемки бывают как самостоятельными, выполняемыми при площадных исследованиях масштаба 1 : 10000 и крупнее (при расстояниях между про- филями меньше 100 м), так и попутными, проводимыми совместно с маршрутными геологическими съемками в масштабах 1:25000 — 1 : 50 000. При попутных и поиско- вых работах гильзу выносного зонда полевого радиометра располагают на высоте 10—

20 см от поверхности и оператор в движении «прослушивает» радиоактивный фон по- род в полосе нескольких метров по направлению движения. Через каждые 5—50 м (шаг съемки) или при аномальном повышении фона гильзу с детектором опускают на землю на 0,5—1 мин и по стрелочному прибору снимают средний отсчет интенсивности поля.

Цель попутных и поисковых гамма-съемок—выявление рудных полей и месторо- ждений. Аномальные участки обследуют детальными гамма-съемками в масштабах крупнее 1:10000 (до 1:1000) при густоте сети около 100х10 м (до 10х1 м).. В результате выявляют отдельные рудные тела и оценивают промышленную перспективность.

1 — породы песчано-сланцевой толщи;

2 — ороговикованные породы;

3 — диабазовые порфириты;

4 — двуслюдяные мусковитовые граниты;

5 — порфировидные мусковитовые граниты;

6 — амазонит-альбитовые граниты

В результате наземной гамма-съемки строят графики, карты графиков и карты ин- тенсивности ΔIγ , эквивалентные гамма-активности пород ΔIγ = Iγ – Iнф (интегральной или спектральным). Обработка данных спектрометрической гамма-съемки сводится к вычислению концентраций урана qU , тория qTh и калия 40К по скоростям счета Iγ на разных энергиях. На рис.5.2 приведен пример обработки результатов спектрометриче- ской гамма-съемки в Восточной Сибири, в результате которой удалось выявить в гра- нитах танталониобиевую минерализацию. Так как в среднем глубинность пешеходной гамма-съемки не превышает 1 м, для повышения глубинности изучения перспективных на радиоактивные руды участков проводят глубинную гамма-съемку, при которой гам- ма-излучение пород определяют в шпурах (бурках) глубиной до 1 м, а иногда в сква- жинах глубиной до 25 м. Измерения проводят или пешеходными, или скважинными радиометрами.

Радиометрический анализ проб горных пород и стенок горных выработок служит для оценки содержания в них урана, радия, тория и других радиоактивных эле- ментов. Чаще всего изучают порошкообразные пробы из истолченных образцов пород. Бета- и гамма-активность одинаковых объемов пробы и эталона (например, урановая слаборадиоактивная руда) измеряют с помощью любого радиометра. Сравнивая интен- сивность излучений по приборам и зная содержание радиоактивного элемента в этало- не, можно оценить эквивалентное содержание этих элементов в пробе горных пород. Раздельное содержание в образцах пород урана, тория, калия может быть определено с помощью гамма-спектрометрического анализа.

С помощью специальных или полевых радиометров можно измерять гамма- излучение стенок горных выработок в рудниках, канавах, шурфах. Подобный гамма экспресс-анализ (ГЭА) широко применяют при разведке и разработке месторождений

радиоактивных руд, изучении концентратов на обогатительных фабриках (в том числе на конвейерной ленте, в вагонетках и т. п.).

Задачи, решаемые гамма-съемкой. Гамма- и спектрометрические гамма-съемки используют не только для поисков и разведки радиоактивных руд, но и нерадиоактив- ных полезных ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с ними. Например, к месторождениям редкоземельных элементов, боксита, олова, бериллия приурочено повышенное содержание тория; к месторождениям ниобия, тантала, вольфрама, молибдена — урана; к некоторым полиметаллическим месторождениям — калия.

В комплексе с другими геофизическими методами гамма-съемку можно приме- нять для поисков твердых полезных ископаемых, особенно тех, в которых акцессорны- ми минералами могут быть радиоактивные, а также для поисков нефти и газа. Гамма- съемку можно использовать для решения задач геологического картирования. Вследст- вие различной естественной радиоактивности, а также поглощающей и эманирующей способности пород их можно расчленять по литологии, степени разрушенности (облег- чающей миграцию радиоактивных элементов), заглинизированности (затрудняющей миграцию), выявлять тектонические нарушения (по скоплению радиоактивных элемен- тов в них) и решать другие задачи.

Эманационная съемка — это изучение содержания эманаций, т.е. газообразных продуктов распада радиоактивных веществ, в подпочвенном воздухе или в воздухе, за- полняющем скважины и горные выработки. Наибольшим периодом полураспада из ра- диоактивных газов обладает радон (3,82 дня), поэтому эманационная съемка фактиче- ски является радоновой. Эманирование пород или их способность выделять эманации радона в подпочвенный воздух или подземные воды определяется не только наличием и количеством радиоактивных элементов ряда урана, но и строением породы, их плот- ностью, разрушенностью, трещиноватостью, влажностью, температурой и другими факторами. Степень отдачи породой эманаций характеризуется коэффициентом эмани- рования СЭ (см. п.5.1).

Кроме эманирования пород появление эманаций обусловлено их диффузией в сторону пониженных концентраций радона и конвекцией к земной поверхности. Эти причины приводят к резким изменениям концентрации эманаций в верхнем слое, свя- занным с метеорологическими и другими условиями, и лишь на глубинах около 1 м она определяется эманированием пород. Методика полевой эманационной съемки сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины до 0,5—1 м и определению с помо- щью эманометра концентрации радона в нем (см. п.5.2). Для этого зонд эманометра по- гружают в почвенный слой, с помощью насоса в камеру закачивают подпочвенный воздух и измеряют концентрацию радона СЭ. С помощью жидких образцовых источни- ков радона эманометр не реже 1 раза в месяц градуируют для определения цены деле-

ния прибора (в Бк/дм3).

Эманационная съемка может быть маршрутной и площадной. Масштабы работ изменяются от 1:2000 до 1:10000. Расстояния между профилями при площадной съемке изменяются соответственно от 20 до 100 м, а шаг—от 2 до 10 м. Детальную эманаци- онную разведку проводят в виде площадной съемки по сети (10—50)х(1—5) м.

В результате эманационной съемки строят графики и карты равных концентраций радона СЭ и на них выделяют аномалии — участки повышенного содержания радона. Над месторождениями радиоактивных руд аномалии достигают сотен и тысяч беккере- лей на кубический дециметр. Над участками с эманированием, повышенным за счет раздробленности и трещиноватости пород, аномалии составляют десятки беккерелей на кубический дециметр, нормальный фон — обычно около 30 Бк/дм3.

Эманационную съемку применяют для разведки радиоактивных руд и ореолов рассеяния радиоактивных элементов. Кроме того, ее используют для выявления участ- ков с повышенной способностью пропускать радон (зоны сбросов, дробления, трещи- новатости, закарстованности) и участков экранирования, где залегают газонепроницае- мые пласты (глины, сланцы, мерзлые породы). В целом глубинность эманационной съемки не превышает 5—10 м. Однако, за счет зон, хорошо проводящих радон (сбросы, зоны интенсивной циркуляции подземных вод и др.), она может достигать десятков метров. Изучение концентрации радона в скважинах нашло применение в исследовани- ях по прогнозу сильных землетрясений в тектонически активных районах.

Подземные методы, изучения естественной радиоактивности. К этим мето- дам изучения естественной радиоактивности, кроме гамма-методов, можно отнести ме- тод подземной регистрации космических излучений (ПРКИ) или геокосмический ме- тод. Он основан на изучении жесткой (мю-мезонной или мюонной) компоненты косми- ческого излучения в горных выработках. Мюоны составляют значительную долю (на уровне моря около 70%) вторичных космических лучей, образующихся при прохожде- нии ядер первичного излучения в атмосфере. Мюоны характеризуются большой про- никающей способностью. Однако из-за наличия даже слабого электромагнитного по- глощения в веществе поток мюонов затухает с увеличением глубины. Затухание опре- деляется в основном плотностью пород. Поэтому, например, мюоны могут распростра- няться в воде на глубины до 9 км, а в породах — до 3—4 км. Глубину их проникнове- ния принято оценивать в метрах водного эквивалента, т.е. в метрах толщи водного слоя, в котором поглощение мюонов такое же, как в изучаемой толще пород.

Для измерения потока мюонов в горных выработках используют геокосмические телескопы. Они представляют собой наборы кассет (до 16 штук), в каждой из которых смонтировано до десяти газоразрядных счетчиков (см. п. 5.2), что необходимо для по- лучения узкой диаграммы направленности прибора и высокой чувствительности. С по- мощью специальной электронной схемы и самопишущего устройства в течение не- скольких часов автоматически регистрируют поток мюонов. Наблюдения проводят вдоль выработок с шагом, несколько меньшим глубины выработки. Телескопы ориен- тируют вертикально, чтобы изучить поток мюонов сверху.

После введения поправок за вариации поля, за рельеф земной поверхности и ряд других для каждой точки рассчитывают интенсивность потока мюонов в единицу вре- мени Iμ. С помощью специальных градуировочных кривых графики Iμ вдоль профилей наблюдений пересчитывают в глубины водного эквивалента HВ. Если по данным маркшейдерской привязки известны истинные глубины расположения пунктов наблю- дения Н, то можно определить среднюю плотность пород между земной поверхностью и точкой наблюдения:

σ = HВ / Н

Таким образом, основным параметром пород, получаемым в геокосмическом ме- тоде, является средняя плотность пород над выработкой. Изменение средней плотности вдоль выработки свидетельствует об изменении литологии, пористости, трещиновато- сти, закарстованности, обводненности пород, наличии полезных ископаемых над выра- боткой.

Определение абсолютного возраста пород. Для определения абсолютного воз- раста горных пород используют ядерную (или изотопную) геохронологию. В ее основе лежит вывод о постоянстве скорости радиоактивного распада во все геологические эпохи. Зная период полураспада и определив количество материнских и дочерних (NM и NД) элементов тех или иных радиоактивных семейств в горной породе, определяют ее возраст tабс по формуле, полученной из выражений (5.1) и (5.2):

tабс = 1,44·ТМ

·ln(1+N

/N ) (5.7)

1/2 Д М

Эту формулу можно применять, если известен период полураспада материнской ТМ породы и есть уверенность, что изучаемые элементы не выносились и не добавля- лись. Точность определения tабс зависит от точности аналитических, как правило, масс-спектрометрических определений количества изотопов NД и NМ .

Существует свыше десяти ядерно-геохронологических методов. При исследова- нии древних пород используют ряды радиоактивных элементов с большим периодом полураспада (урано-свинцовый, рубидиево-стронциевый, калий-аргоновый и другие методы). При изучении молодых горных пород применяют радиоактивные элементы с небольшим периодом полураспада (радиоуглеродный, иониево-протактиниевый и дру- гие методы).

По ядерно-геохронологическим измерениям метеоритов и образцов горных пород синтез химических элементов в наблюдаемой части Вселенной завершился около 11 млрд. лет назад, возраст Солнечной системы — около 4,7 млрд. лет, возраст Земли —

4,55 млрд. лет, а возраст самых древних пород Земли и Луны превышает 4 млрд. лет.