Ядерно-физические методы

Как отмечалось выше, ядерно-физические (изотопные) методы—это методы эле- ментного экспрессного химического анализа горных пород, основанные на изучении физических явлений, происходящих при искусственном облучении горных пород ней- тронами или гамма-квантами разных энергий.

Общая характеристика. В искусственных ядерно-физических методах облуче- ние образцов горных пород или стенок горных выработок и обнажении проводят с по- мощью ампульных источников из тех или иных радиоактивных элементов и их смесей или генераторов нейтронов. Для получения излучений разных энергий источники по- мещают в экраны-замедлители, ослабляющие излучения (свинцовые — для гамма- излучений, кадмиевые или парафиновые — для нейтронов). Наибольшее практическое применение ядерно-физические методы получили при геофизических исследованиях скважин (см. гл.7). Ниже рассмотрим лишь несколько лабораторных методов, в кото- рых изучаются образцы или обнажения горных пород.

Нейтронные методы. 1. Активационный анализ. Сущность активационного ана- лиза сводится к облучению образцов горных пород быстрыми или медленными ней- тронами и изучению наведенной искусственной радиоактивности. При этом изменяется как время облучения, так и время изучения наведенной альфа-, бета- или гамма- активности. Например, измерив интенсивность вторичного гамма-излучения для раз- ных времен после окончания облучения, по графику зависимости Iγn (t) от t можно оценить период полураспада и содержание радиоактивного элемента в образце.

Активационный метод характеризуется повышенной чувствительностью к эле- ментам, отличающимся высокой активационной способностью, таким как Al, Cd, C1, Сu, К, Mn, Na, Р, Si и др.

2. Нейтронный анализ. Нейтронный анализ горных пород сводится к облучению их медленными нейтронами и определению плотности потока тепловых нейтронов Innили интенсивности вторичного гамма-излучения Inγ . Графики зависимости Inn (или Inγ ) от расстояния до источника характеризуют поглощающие свойства вещества. По ним выделяют элементы, ядра которых обладают аномально высоким сечением поглощения медленных нейтронов (В, Fe, Cd, Cl, Li, Mn, Hg, редкоземельные элементы и др.). Ши- роко используют автомобильную и пешеходную борометрические съемки для выявле- ния бора в слое толщиной до 25 см.

На выявлении аномально высокого сечения замедления нейтронов основаны ме- тоды изучения водородосодержащих пород. В частности, с помощью влагомеров опре- деляют влажность горных пород, если их плотность определена другими методами (на- пример, ГГМ-П).

3. Гамма-спектральный метод. Гамма-спектральным методом изучают спектраль- ный энергетический состав вторичного гамма-излучения радиационного захвата Inγ . Возможность таких исследований основана на том, что каждый элемент облучаемой породы, захватывая тепловые нейтроны, дает Inγ определенной энергии и спектра. Гам- ма-спектральный метод применяют для анализа руд, содержащих Fe, Cu, Ni, Al, К, Na и другие элементы.

Гамма-методы. 1. Фотонейтронный анализ. Основан на облучении образцов размельченной горной породы жесткими гамма-квантами высоких энергий (свыше 1—

2 МэВ) и определении интенсивности вторичных нейтронов Iγn. Повышение Iγn наблю- дается в присутствии бериллия и дейтерия, поэтому фотонейтронный анализ находит наибольшее применение при анализе содержания этих элементов и, в частности, при изучении водоносных и нефтеносных пород, в которых много дейтерия.

2. Плотностной гамма-гамма метод. Если горные породы облучать гамма- квантами с энергией свыше 0,3 МэВ, то в них преобладает комптоновское рассеяние, которое слабо зависит от состава породообразующих минералов, но определяется их плотностью (см. п. 5.1). Интенсивность Iγγ на расстоянии свыше 20 см от источника из- меняется по экспоненциальному закону в зависимости от плотности. На этом явлении основан плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П), с помощью которого определяют плотность в слое толщиной до 20 см.

3. Селективный гамма-гамма метод. Если горные породы облучать гамма- квантами слабых энергий (меньше 0,3 МэВ), то происходит их фотоэлектрическое по- глощение. Определяемый по Iγγ коэффициент ослабления лучей зависит от эффектив- ного атомного номера породы. На использовании этого явления основан селективный гамма-гамма-метод (ГГМ-С) для определения содержания в образцах, обнажениях и стенках горных выработок тяжелых элементов (Fе, Hg, Sb, Pb, W и др.).

4. Рентгенорадиометрический метод. При облучении горных пород мягким гамма- излучением (энергия меньше 0,1 МэВ) можно наблюдать характеристическое рентге- новское излучение. На его изучении основан рентгенорадиометрический метод (РРМ) определения содержания в породах многих элементов (Fe, Pb, Mn, Mo, Sb, Sn, Cr, W, Zn и др.).