Геофизическое опробование

Геофизическое опробование основано на измерении различных физических полей: магнитного, радиоактивного и др., - и последующей их интерпретации, т.е. пересчете результатов измерений в показатели качества. Физические поля могут быть естественными и искусственными. Последние возникают при активации атомов вещества различными видами излучений.

Магнитный метод основан на измерении естественной магнитной восприимчивости руд и горных пород, которая пропорциональна количеству магнитных минералов, обычно магнетита. Поэтому метод используется в основном для определения содержания магнетита или железа, если содержание последнего пропорционально количеству магнетита.

С помощью магнитного метода можно также разделять горные породы по количеству магнетита. Поскольку природные магнетиты различаются по своим магнитным свойствам (степени намагниченности, характеру размещения доменов), для каждого месторождения предварительно строится график зависимости содержания магнетита или железа от магнитной восприимчивости (рис.12). Для построения графика берется несколько десятков проб, в которых определяются магнитная восприимчивость и содержание магнетита (весовым методом) или железа (химическим анализом). В дальнейшем магнитную восприимчивость измеряют с помощью приборов в скважинах (каротаж магнитной восприимчивости), в обнажениях, в керне или порошке измельченных проб и по графику находят содержание магнетита или железа в этих объектах.

Радиометрический метод основан на измерении естественной радиоактивности руд и их околорудно-измененных пород. Измеряется в основном гамма-излучение, возникающее при распаде изотопов радиоактивных элементов (урана, тория и калия). Интенсивность излучения зависит от содержания радиоактивных элементов в руде. Эта зависимость прямолинейная, но на каждом месторождении индивидуальная, поэтому предварительно проводится химическое и радиометрическое опробование нескольких десятков проб и строится аналогичный рис.12 график зависимости между содержаниями радиоактивного элемента и интенсивностью излучения.

Интенсивность гамма-излучения в обнажениях и горных выработках измеряется радиометрами различных конструкций, а в скважинах проводится гамма-каротаж (ГК) с помощью разрядных или сцинтилляционных счетчиков, позволяющих оценивать количество импульсов гамма-квантов за единицу времени.

Гамма-каротаж применяется не только для опробования радиоактивных руд, но и для расчленения горных пород, обладающих различной радиоактивностью. В некоторых случаях с помощью ГК удается опробовать руды и других металлов (ниобий, тантал, редкие земли и др.), если руды характеризуются повышенной концентрацией радиоактивных элементов и связаны с ними тесной корреляционной зависимостью. По достоверности ГК уступает химическому опробованию, но является более оперативным и экономичным методом.

Ядерно-геофизические методы основаны на возбуждении атомов вещества гамма-излучением или потоком нейтронов, создаваемых радиоактивными изотопами. Каждый изотоп обладает определенной энергией излучения. Интенсивность излучения можно регулировать путем подбора соответствующих изотопов. В зависимости от вида и энергии излучения атомы исследуемого вещества приходят в то или иное возбужденное состояние. Это могут быть переходы электронов со стационарных орбит на нестационарные, из внутренних оболочек на внешние или ядерная реакция. Чем большей энергией обладает излучение, тем больше его проникающая способность и тем более сильное воздействие оно оказывает на атомы. При возврате возбужденных атомов в исходное состояние или при их распаде возникает характеристическое излучение, природа, вид и энергия которого зависят от вида атомов и их концентрации и тем самым позволяют осуществлять анализ вещества.

Вид характеристического излучения зависит от процессов, происходящих в возбужденном атоме. Если электроны возвращаются с нестационарных орбит на стационарные, то характеристическое излучение расположено в основном в видимой области спектра. На изучении этого спектра основан обычный спектральный анализ, а источником возбуждения атомов служит высокая температура. Если электроны возвращаются с внешних оболочек атома на внутренние, то возникает характеристическое излучение в рентгеновской области спектра. Гамма-излучение высоких энергий и поток нейтронов могут достигать ядер атомов и вызывать ядерные реакции, в результате которых возникает ответный поток разнообразных элементарных частиц и квантов жесткого гамма-излучения. Для анализа вещества используется либо оценка потока нейтронов, испускаемых атомами, либо изучение спектра энергии гамма-излучения.

Ядерно-физические методы делятся по типу активизирующего излучения (гамма-кванты или нейтроны), виду взаимодействия его с атомами и характеру возбуждаемого излучения (рентгеновское, гамма-излучение или нейтронное). Почти все методы применяются как в скважинном варианте (различные виды каротажа), так и при опробовании стенок горных выработок и обнажений. Интенсивность излучения в горных выработках и скважинах измеряется радиометрами и счетчиками различных конструкций, оценивающих количество импульсов излучения за единицу времени.

Гамма-гамма-метод (ГГМ) основан на взаимодействии гамма квантов с электронами атомов, которое вызывает ответное характеристическое гамма-излучение. Источниками гамма-квантов служат изотопы ¹³⁷Сs или ⁶⁰Co. Интенсивность характеристического гамма-излучения определяется электронной плотностью вещества, т.е. суммарным воздействием электронов, пропорциональным плотности вещества. Поэтому гамма-гамма-метод применяется преимущественно для определения плотности вещества, и его называют плотностным гамма-гамма-методом или плотностным каротажем.

Если в руде присутствуют атомы с большими атомными номерами (z > 30), то по интенсивности гамма-излучения можно определять их содержание. Известны примеры использования гамма-гамма-каротажа для опробования руд свинца, вольфрама, сурьмы, меди, железа.

Рентгенорадиометрический метод(РРМ) - один из наиболее распространенных ядерно-физических методов. Под воздействием мягких квантов, возбуждающих электроны атомов, возникает ответное характеристическое рентгеновское излучение. Энергия его для каждого химического элемента постоянная, а интенсивность излучения пропорциональна содержанию его в руде (рис.13). Источниками гамма-квантов служат изотопы ⁷⁵Se, ¹⁰⁹Cd, ¹¹⁹Sn, ⁵⁷Co и др. Для возбуждения рентгеновского излучения энергия гамма-квантов в каждом конкретном случае должна находиться в узком диапазоне, что достигается подбором соответствующего изотопа.

Анализ характеристического рентгеновского излучения специальными фильтрами, с использованием спектральных отношений, применение многоканальных анализаторов позволяет определять широкий круг химических элементов одновременно.

На основе рентгенорадиометрического метода разработаны переносные приборы "Минерал-4", "Гагара" и другие для опробования руд в обнажениях и горных выработках с относительной погрешностью 10-25 %.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ) используется в основном для определения содержания бериллия. Под воздействием жесткого гамма-излучения, создаваемого изотопом ¹²⁴Sb, в ядрах атомов бериллия происходит ядерная реакция

⁵⁹Be + nv ® > ⁵⁸Be + n ® 2⁴He + n,

в результате которой выделяется поток нейтронов. Интенсивность потока пропорциональна содержанию бериллия в руде. Поток нейтронов измеряется сцинтилляционными детекторами, содержащими бор, обладающий большим сечением захвата нейтронов.

Для опробования бериллиевых руд в обнажениях и горных выработках создан прибор "Берилл-3" с чувствительностью 0,004 % и относительной погрешностью 10 %. Перед работой путем сравнения показаний счетчика и данных химического опробования по образцу рис.12 строится эталонировочный график.

Метод ядерного гамма-резонанса(ЯГРМ) основан на эффекте Мессбауера (резонансе рассеянии гамма-квантов) и используется для определения содержания олова или касситерита. Источником излучения служит изотоп ¹¹⁹Sn. При неподвижном источнике происходит резонансное поглощение гамма-квантов атомами олова (природным изотопом ¹¹⁹Sn). Сравнение результатов резонанса при подвижном источнике и поглощения при неподвижном источнике позволяет судить о содержании олова. На данном принципе устроен прибор МАК-1 (мессбауэровский анализатор касситерита), применяемый для опробования горных выработок.

Методы РРМ и ЯГРМ используются также для оперативного опробования потоков руды и продуктов ее переработки в процессе добычи и обогащения.

На практике часто применяется комплекс геофизических методов опробования. Например, на месторождениях железистых кварцитов для выделения магнетитовых и гематитовых разновидностей применяется сочетание магнитного и плотностного каротажа. Плотностной каротаж выделяет железные руды по плотности, а магнитный разделяет гематитовые и магнетитовые руды по их магнитности.