Полевые радиометрические методы

Радиометрические методы являются важной частью комплекса поиско­во-разведочных методов на руды радиоактивных элементов, а также полез­ных ископаемых, находящихся в парагенетической связи с радиоактивными элементами (фосфориты, редкие и редкоземельные элементы, осадочные руды ванадия, молибдена и др.).

Радиометрические методы исследования горных пород в усло­виях их естественного залегания можно разделить на две группы:

1. Полевые радиометрические методы (радиометрическая съем­ка), применя­емые для приближенной оценки радиоактивности горных пород;

2. Методы радиометрического опробования, позволяющие более точно опре­делять радиоактивность горных пород в условиях их естественного залега­ния (в скважинах, шурфах, обнажениях и т. п.)

В основе радиометрических методов лежит обнаружение раз­личных поисковых признаков в виде коренных выходов руд и орео­лов рассеяния вокруг рудного тела.

Рассмотрим кратко классификацию ореолов рассеяния, их формирова­ние и важнейшие особенности. Различают открытые ореолы, выходящие на дневную поверхность, и закрытые, разви­вающиеся лишь на некоторой глу­бине от поверхности.

По генети­ческим признакам различают:

1. Первичные (эндогенные) ореолы, образовавшиеся одновременно с форми­ро­ва­нием рудного тела.

2. Вторичные ореолы, образующиеся при пре­образовании руд и первичных ореолов в приповерхностных частях геологического разреза.

Элементный состав первичных ореолов близок к составу самих руд. Их формы подобны формам рудных тел, а размеры значительно превышают раз­меры залежи, распростра­няясь над крутопадающими телами до 100—200 м и более, а в сто­роны от нее до нескольких десятков метров.

Вторичные ореолы могут образовываться в резуль­тате переноса радио­активного вещества и элементов-спутников в твердой, жидкой или газообраз­ной форме. Эти ореолы можно классифицировать по виду вещества, содержа­щего радиоактивные элементы.

Механические ореолы — это область вокруг руд­ного тела, покрытая ру­д­­ными обломками, образовавшимися при физическом выветривании и устойчивыми в поверхностных усло­виях. Образование ме­ханических ореолов урана возможно также за счет устойчивых вторичных скоплений урансодер­жа­щих гидроокислов железа, марганца, глинистых минералов или органи­че­с­ких соединений.

Водные ореолы образуются за счет растворения урана и радия в подзе­мных водах, омывающих рудное тело, и вы­носа их во вмещающие породы.

Солевые ореолы образуются за счет выпадения растворенного в воде урана при взаимодействии вод с вмещающими горными породами или при испарении воды. Солевые ореолы имеют более низкую концентрацию, чем механи­ческие, но гораздо большие размеры (до многих десятков метров, считая от границ залежи). На образование солевых ореолов большое влияние оказывают режим приповерхностных почвенно-грунтовых вод и клима­тичес­кие условия.

Рассеяние газообразных продуктов распада вокруг рудного тела или же вокруг механического и солевого ореолов приводит к образованию газовых (эманационных) ореолов.

Отдельные полевые радиометрические методы поисков на­правлены на обнаружение поисковых признаков, связанных с различными ореолами рас­сеяния радиоактивных элементов.

Радиометрическими методами поисков иногда называют методы, осно­ва­н­ные на изучении радиацион­ных ореолов. Вследствие распространенности закрытых ореолов важной характеристикой полевых (поисковых) методов является их глу­бинность, т. е. максимальная мощность неактивных отложе­ний, перекрывающих рудное тело или ореол рассеяния, при которой возмож­но обнаружение последних. Для повышения надежности поисков радиоме­три­че­ская съемка проводится в комплексе с другими геофизическими, геоло­гическими, гидрохимическими и геохимическими исследованиями. Роль ме­тодов общей геофизики (электро-, магнито-, гравиразведка) осо­бенно велика при поисках месторождений, не имеющих выхода на дневную поверхность. Однако ведущее место при этом остается за радиометрическими методами, среди которых основными являются авиационный, пешеходный и автомо­бильный гамма-методы.

Пешеходный гамма-метод. При поисках месторождений радиоак­тив­ных элементов и со­путствующих им полезных ископаемых применяется пешеходный гамма-метод (гамма-съемка). Широкое применение метода обус­ловлено:

1. Простотой методики, портативной, достаточно чувстви­тельной, простой в обращении аппаратуры;

2. Высокой результа­тивностью и относительно небольшой стоимостью съемки;

3. Воз­можностью применения в любых геоморфологических и климати­чес­ких условиях, включая горные и иные районы, недоступные для авиацион­ных и автомобильных гамма-методов.

В зависимости от задач выделяют рекогносцировочную, маршрутную и пло­щадную съемки.

Глубинность гамма-метода. Для ее оценки рассчитаем поток у-квантов от бесконечного полупростран­ства, перекрытого неактивными наносами мощностью h. Учитывая приближенный характер расчетов, будем исходить из следующей упрощенной модели, в которой необходимо рассчитать поток γ-квантов от бесконечного по простиранию пласта, перекрытого неактивными наносами мощностью h. γ-излучение каждого элемен­тарного объема dV представляется в виде шести пучков, параллельных осям координат и имеющих интенсивность (I₀/6)*dV, где I₀ – интенсивность γ-излучения элементарного объема. Поток γ-излучения на поверхности земли от тонкого активного слоя толщиной dz, лежащего на глубине z от подошвы наносов, равен:

где μ_н и μ_п – эффективные коэффициенты поглощения γ-квантов в наносах и в пласте.

Поток излучения от всего полупространства:

где Ф_γ0 = I₀/(6μ_п) – поток излучения при нулевой мощности наносов.

За глубинность метода принимается мощность наносов hmax, осла­бляющая интенсивность излучения в 20 раз.

В среднем для наносов μ_н ≈ 0.07 см^-1, отсюда h_max ≈ 45 см.

Дальнейшее увеличение глубины исследования возможно лишь за счет развития ореолов рассеяния над активными объектами.

Методика проведения пешеходной съемки. По данным рекогносци­ро­вки, пред­шествующей проведению поисков, уточняются природные условия ведения работ, мощность и характер рыхлых отложений, условия формирова­ния в них ореолов рассеяния, нормальные значения радиоактивности отде­ль­ных типов горных пород. Выделяются наиболее перспективные по геоло­ги­ческим данным участки, намечаются маршруты, обычно в крест простирания геологических структур, зон тектонических нарушений, контролирующих оруденения.

Густота точек наблюдения намечается, исходя из масштаба поисков и сложности геологического строения. На участках простого строения с небо­ль­шим изменением радиоактивности по маршруту расстояние между точками наблюдения достигает 20 м при масштабе съемки 1:10 000 и 40 - 50 м при более мелком масштабе съемки. В пределах зон тектонических нару­шений, на участках частой смены пород и при больших колебаниях радиоак­тивности это расстояние уменьшается вдвое.

Пешеходную гамма-съемку по маршрутам проводят путем непрерыв­ного прослушивания излучения пород с помощью телефона и отсчета показа­ний по стрелочному прибору радио­метра в отдельных точках. Оператор мед­ленно передвигается (скорость 1—2 км/ч) по маршруту, держа выносной датчик на высоте 5—10 см от поверхности земли. На намеченных для на­блюдения точках датчик прикладывается к обследуемой поверх­ности. Отсчет записывается в мкР/ч или иногда в делениях шкалы. Кроме измерений по маршруту оператор отклоняется от него в полосе шириной до 100 м для обследования имеющихся там горных выработок, обнажений пород, крупных валунов, осыпей и т. п.

При обнаружении на маршруте точки с повышенным γ-излучением про­водится более тщательное обследование окружающей зоны. После нахо­ж­дения точки с максимальным в этой зоне γ-излучением проводится изме­ре­ние γ-излучения в закопушах с целью обнаружения высокоактивного образ­ца. Аномальные точки отмечаются на местности репером. Для определения размера аномалии проводят дополнительные профили, параллельные мар­шру­ту (основному профилю). На поисковом этапе параллельно проводят геологические наблюдения, отбирают образцы пород, пробы воды, растений, донных осадков для после­дующего лабораторного изучения.

Разновидностью пешеходной гамма-съемки является шпуровая гамма-съемка. Она проводится на площадях, где рудные тела или их ореолы пере­крыты рыхлыми неактивными отложениями мощностью 1—3 м и более и недоступны для обычной гамма-съемки, а применение более глубинных методов (эманационного и др.) нецелесообразно (обводненность отложений, выход на поверх­ность непроницаемых для эманации пород и т. д.). Изме­ря­ют γ-излучения в шпуре (мелкой скважине) через каждые 10—20 см с помощью радиометров с телескопическим зондом.

Обработка и интерпретация результатов. Этот этап работ включает:

1. Перевод показаний, зарегистрированных в делениях шкалы, в мкР/ч (с помощью эталонировочного графика или переводной таблицы), и вычита­ние натурального (при измерениях на поверх­ности) или остаточного фона (при измерениях в шпурах).

2. Нанесение на радиометрическую карту результатов измерений, включая радиоактивность обнажений, горных выработок и водопунктов.

3. Графическое изображение результатов съемки в виде карты, профилей инте­н­сивности излучения, карты изолиний интенсивности γ-излучения.

4. Геологическая интерпретация результатов: изучение нор­мального рас­пре­деления радиоактивных элементов в различных комплексах пород; выявление участков повышенной активности среди однотипных пород с целью проведения на этих участках детальных исследований; выявление локальных аномалий γ-поля и их перспективная оценка.

За аномалию принимают превышение активности над средним фоном пород более чем на утроенную величину среднеквадратического отклонения нормального фона. Аномалии γ-поля делят на три группы:

1. Рудные аномалии, связанные с рудными ско­плениями радиоактивных элементов или ореолами их рассеяния. Подразделяются на урановые, уран-ториевые и ториевые.

2. Аномалии, связанные с потоками рассеяния.

3. Безрудные аномалии, связанные с изменением нормальной радиоактив­ности горных пород, степени их обнажения и т. п.

По интенсивности g-излучения выделяют малоинтен­сивные (до 3 - 4 мкР/ч), средней интенсивности (4 - 8 мкР/ч) и интенсивные (более 8 мкР/ч) аномалии. По протяженности аномалии разделяют на локальные (до 0,35 км) и нело­кальные.

Оценка аномалий — завершающий этап наземных поисков, имеющий исключительное значение для определения эффектив­ности поисковых работ. Из большого числа аномалий, выявлен­ных при съемке, лишь несколько про­цен­тов оказываются связан­ными с рудопроявлением, а из последних лишь небольшая часть (несколько десятков процентов) оказываются промышлен­ными месторождениями.

Критерии выделения, перспективных на поиски урана, аномалий:

1. Боль­шинству выходов урановых тел и ореолов рассеяния соответствуют относительно небольшие размеры аномалий - от десятков до 500 м. Поэтому небольшая протяженность аномалий является критерием оценки ее перспективности. Однако, локальные ано­малии наблюдаются также над пегматитами, и обнажениями пород с повышенными кларками радиоактивных элементов, например тория.

2. Достаточно высокая интенсивность γ-излучения, соответствующая содер­жанию урана в приповерхностном слое более 0,01%, является признаком перспективности аномалии.

3. Аномалии, с содержанием урана в 2 - 3 раза выше содержания урана во вме­щающих породах, в некоторых случаях могут при­ниматься за перспек­тивные.

Эманационная съемка используется в основ­ном при крупномасштаб­ных поисках на участках, закрытых рыхлыми отложениями мощностью до 5—8, иногда до 10 м. Пре­имуществом съемки является относительно высокая глубинность исследований, а недостатком - резкое падение эффективности в условиях малопроницаемых, сильно увлажненных и мерзлых грунтов.

Физические основы. Часть атомов эманации (Rn, Tn), образующихся при распаде изотопов радия, из минеральных зерен породы попадает в поро­вое пространство, заполненное газом или жидкостью. В результате диффу­зии, а также движения подземных вод, эманации могут уноситься на значи­тельное расстояние, создавая вокруг рудных тел газовые ореолы рассеяния.

Отношение количества эманации, выделяющихся из породы в ее поры, ко всему количеству образующихся эманации назы­вается коэффициентом эманирования К_э. По­следний колеблется от долей процента в породах с плот­ной кри­сталлической решеткой до 95 - 98% в сильно разрушенных породах. Большой диапазон изменения коэффициента эманиро­вания затрудняет интер­претацию результатов эманационной съемки.

Удельная активность эманации С_э, в порах бесконечной однородной среды определяется по формуле:

С_э = (С_хК_эρ)/К_п

где С_х - удельная активность радиоактивного элемента, из ко­торого образу­ется эманация; К_п - коэффициент пористости в до­лях от объема породы; ρ - плотность породы, г/см³.

Если величину С_х выразим в Ки/г, значение С_э получим в Ки/см³. Эта формула пригодна для оценки концентрации эманации лишь на достаточно большой глубине, на которой отсутствует влияние утечки в атмо­сферу. По мере удаления от рудного тела или другого источника эманации их концен­трация убывает тем быстрее, чем меньше период полураспада и чем ниже коэффициент диффузии в породе.

Рассмотрим количественно распределение эманации в наносах, покры­вающих плоский активный пласт, предполагая, что мигра­ция эманации обу­словлена только диффузией:

где С_э0 – концентрация эманаций на границе эманирующего пласта; С_э – кон­центрация эманаций в точке с координатами (x, y, z); λ – постоянная распада радона; D – коэффициент диффузии эманаций в наносах.

На рисунке показано изменение концентрации радона в зависимости от расстояния до рудного тела. Мощность наносов h = ∞ (сплошная линия) и h = 2 м (пунктир). Коэффициент диффузии d = 0.01 см²/сек, λ = 3.05*10^{- 6} с^-1 (для радона).

Глубина отбора проб подпочвен­но­го воздуха 0.8 – 1 м, в зависимости от типа покрышки (почвы), глубинность метода составляет, в среднем, от 3 до 7 метров. При наличии механических и солевых ореолов глубинность метода возрастает. Основным фактором, опре­де­ляю­щим глубинность съемки для данного изотопа, является коэффициент диффузии D. Он растет с увеличением пористости и проницаемости пород и почв, а также с уменьшением их влажности. Именно низким значением D обусловлена неэффективность эманационных поисков в условиях заболочен­ности, вечной мерзлоты, моренных отложений, а также частично при обнаже­ниях плотных коренных пород с низкой проницаемостью.

Наиболее благоприятны для проведения эманационной съемки площа­ди развития рыхлых отложений однородного состава с от­носительно посто­ян­ной мощностью (в пределах 1—5 м) и неболь­шими колебаниями нормаль­ного эманационного поля. При мощности малопроницаемых наносов 1,5—2 м обычные эманационные съемки малоэффективны и вместо них используют глубинные поиски.

Методика исследований. Различают эманационные исследова­ния реко­г­носцировочные, площадные и детальные.

Рекогносцировочная (маршрутная) съемка в плохо изученных районах на первом этапе поисковых работ для выявления перс­пективности на уран площадей, закрытых рыхлыми отложениями, и выделения благоприятных рудоконтролирующих структур и пород. Расстояние между профилями до нескольких километров, расстояние между точками наблюдения 10 - 25 м.

Площадная съемка в масштабе 1:25 000 (сеть наблюдений: профили через 200м, точки наблюдения – через 10 м) или чаще 1:10 000 (сеть наблю­де­ний 100м; 10 м) используется для непосредственных поисков новых руд­ных полей и отдельных месторождений.

Детальная съемка в масштабе 1:5000 (сеть наблюдений 50м; 5 м) или 1:2000 (сеть наблюдений 20м; 2,5 м) используется с целью исследования выявленных радиометрических аномалий и оконтуривания рудных тел.

Обработка и интерпретация результатов. Результаты эманационной съе­м­ки изображают в виде графиков концентрации эма­нации по профилям, на которые наносится схематическая геологическая основа. По результатам детальных работ строят карты изоэман.

Задачей интерпретации является выделение среди обнаруженных анома­лий тех из них, которые представляют интерес для дальней­шего исследо­ва­ния, т. е. рудных и ореольных. При оценке аномалий учитывают следующие факторы:

1. Концентрация эманации является надежным признаком руд­ной или ореольной аномалии лишь при ее значениях свыше 1000 эман.

2. Одним из наиболее информативных факторов является изменение концен­трации аномалий с глубиной в шпурах и мелких скважинах . Для рудных аномалий характерен непрерыв­ный рост, причем с глубиной градиент концентраций растет. Для аномалий эманирования концентрация по глу­бине остается постоянной. Для остальных типов аномалий харак­терно выполаживание кривой или нере­гулярные изменения с глубиной.

3. Ореольные аномалии характеризуются широким площадным распростра­нением и изометрической формой.

Комплекс радиометрических исследований на разных ста­диях пои­с­ков и разведки месторождений радиоактивных руд. Выбор ком­п­лекса методов исследования должен учитывать геологические, гидрогео­ло­ги­чес­кие, геоморфологи­ческие особенности района.

1. Из геологи­ческих факторов наиболее сильное влияние на эффективность радиометрической съемки оказывают тектоническое строение, неоднород­ность поверхностных отложений и мощность наносов. От этого зависит постоянство нормального фона, эманирующая способность пород, осла­бление γ-излучения и эманации наносами. Поэтому параллельно с радио­ме­т­ри­чес­кими исследо­ваниями поисково-разведочные работы включают также изучение состава, свойств пород, их тектоники и т. п.

2. Из геоморфологи­ческих особенностей района основное значение имеет степень обна­женности пород, определяющая возможность применения методов той или иной глубинности.

3. Развитие гидросети в исследуемом районе, способствуя раз­витию водных и солевых ореолов, часто способствует применению различных методов радиометрической съемки. Свободный обмен подземных и поверхностных вод способствует нарушению радиоактивного равновесия с недостатком радия, что ограничивает возможность применения гамма-метода. Высокий уровень грунтовых вод снижает эффективность эманационной съемки. Районы с вечной мерзлотой и повышенной влажностью не благоприятны для эманационной съемки.

Выбор комплекса радиометрических методов базируется на райо­ниро­вании территории по условиям ведения поисково-разведочных работ. С учетом степени расчленения рельефа, условий эрозионного вскрытия пород, вмещающих рудные тела, характера четвертич­ного покрова и ряда других факторов выделяют четыре типа районов:

1. Горные области с сильно пересеченным рельефом; породы с урановым оруденением хорошо обнажены.

2. Предгорные и некоторые горные области с рельефом сред­ней сложности. Коренные породы, несущие оруденения, частично обнажены, частично покрыты четвертичным покровом.

3. Районы со слабовсхолмленным рельефом и сплошным перекрытием коре­н­ных пород рыхлыми отложениями небольшой мощности (от нескольких метров до первых десятков метров) разделяют на два подтипа: районы, где механические и солевые ореолы хотя бы спорадически выходят на пове­рх­ность; районы, в основном закрытые аллохтонными осадками.

4. Районы, где формации, несущие оруденения, не вскрыты эрозией, а также районы с большой мощностью четвертичного покрова (более 30—40 м).

На каждом этапе геологоразведочных работ комплекс методов раз­ли­чен.

На этапе региональной геологической съемки поиски урановых место­рождений являются не основ­ной, а попутной задачей (массовые поиски). Основным методом массовых поисков является пешеходная гамма-съемка, проводимая в процессе геологической съемки повсеместно. Для проверки аномалий или рудопроявлений применяют в небольшом объеме гамма-спек­трометрию и уранометрическую съемка по донным осадкам. Кроме того, обя­зательно проводится обследование на радио­активность коллекций образцов руд, всех карьеров, горных вы­работок, старых и действующих рудников.

При проведении специализированных поис­ков урановых место­рож­де­ний для перечисленных типов районов применяются следующие комплексы методов.

В районах I типа (горные районы) основным методом является пеше­ход­ная гамма-съемка. На участках, покрытых делювиаль­ными отложениями небольшой мощности, применяют шпуровую гамма-съемку, реже эманацион­ную. При детализации аномалий применяют гамма-профилирование, иссле­дование обнажений, рас­чисток и канав, для количественной оценки радиоак­тив­ности - гамма-опробование, для определения типа радиоактивности – гам­ма-спектральные измерения.

В районах II типа применяют главным образом пешеходную гамма-съе­мку, а на слабо обнаженных участках - эманационную.

В районах III типа на первом этапе работ проводится авиагамма-съемка относительно мелкого масштаба (1:25 000). Для проверки и оценки выделен­ных аномалий используют пешеходную и шпуровую гамма- и эманационную съемки, а для детального изучения аномалий — радиометрическое опробова­ние горных выработок.

В районах IV типа основным является гамма-метод исследова­ния сква­жин в комплексе с изучением керна и вод.

В районах III и IV типов большое значение имеют общие геофизиче­с­кие методы: электроразведка, магниторазведка и сейсмо­разведка. Эти методы позволяют выделять глубинные разломы, границы раздела пород различного типа, а также определять мощ­ность наносов. Ценную информацию может дать также геохими­ческая съемка по элементам - спутникам урана.

Применение радиометрических методов для изучения геологического строения района, поисков и разведки нерадиоактивных полезных ископае­мых. Данные о содержании радиоактивных элементов в горных породах не­сут информацию о типе горных пород, условиях их об­разования и последую­щего изменения. Для многих полезных ископаемых наблюдаются генетичес­кие или парагенетические связи с радиоактивными элементами. Это позво­ляет решать такие геоло­гические задачи, как литологическое расчленение горных пород, геологическое картирование (в частности, прослеживание текто­нических нарушений), поиски и разведка полезных ископаемых.

Литологическое расчленение горных пород методами радиометрии основано на различии их радиоактивности. Особенно важен гамма-метод исследования скважин в комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин осуществляется без отбора керна или процент выноса керна невелик.

Повышенная радиоактивность зон текто­нических нарушений обуслов­лена как гидротермальными изме­нениями и подъемом радиоактивных флюи­дов по трещинам, так и повышенной эманирующей способностью пород в этой зоне.

Примером использования радиометрии для геологиче­ского картиро­ва­ния является оконтуривание структур в осадоч­ной толще при поисках нефтя­ных и газовых месторождений. Над многими известными месторождениями нефти и газа наблюдается пониже­ние γ-излучения (в основном ее радиевой составляющей). Это явле­ние объясняется тем, что в районах с молодой текто­никой породы над сводами структур более грубозернистые, чем на крыльях этих структур, поскольку в момент отложения осадков глубина бассейна на своде была меньше.

Радиометрические методы широко применяются на всех этапах поис­ков и разведки нерадиоактивных полезных ископаемых, гене­тически и пара­генетически связанных с ураном и торием. По­скольку радиоактивные элеме­н­ты в виде минералов или изоморф­ных примесей присутствуют во всех пег­матитах, то, например, для поисков пегматитовых редкоземельных место­ро­ж­дений с ус­пехом используются гамма- и эманационные методы. Радиомет­ри­­ческие методы полезны при поисках осадочных месторождений ванадия, молибдена, фосфоритов, углей и ряда других полезных ископаемых, также нередко отмечаемых повышением радиоак­тивности. Эти методы успешно применяются для поисков титано­вых россыпных месторождений, в которых всегда присутствуют циркон и монацит, содержащие примеси урана и тория. Наконец, радиометрические методы широко применяются при разведке месторождений калийных солей.