Геофизические методы исследования земной коры

Геофизические методы исследования земной коры.

В.К. Хмелевской (Международный университет природы, общества и человека "Дубна")  Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997 г.

Содержание

 

16.2.8. Подземные  методы изучения естественной  радиоактивности.

К этим методам изучения естественной радиоактивности, кроме  гамма-методов, можно отнести метод  подземной регистрации космических  излучений мюонов (ПРКИ), или геокосмический метод. Он основан на изучении жесткой (мю-мезонной или мюонной) компоненты космического излучения в горных выработках и скважинах. Мюоны составляют значительную долю (на уровне - моря около 70 %) космических лучей, образующихся при прохождении ядер первичного излучения в атмосфере. Мюоны  характеризуются большой проникающей  способностью. Однако из-за наличия  даже слабого электромагнитного  поглощения в веществе поток мюонов затухает с увеличением глубины. Затухание определяется в основном плотностью пород. Поэтому, например, мюоны  могут распространяться в воде на глубины до 9 км, а в породах - до 3 - 4 км. Глубину их проникновения  принято оценивать в метрах водного  эквивалента, т.е. в метрах толщи  водного слоя, поглощение мюонов в  котором такое же, как в изучаемой  толще пород.

Для измерения потока мюонов в горных выработках используют геокосмические телескопы. Они представляют собой  наборы кассет (4 штуки), в каждой из которых смонтировано до десяти газоразрядных  счетчиков (см. 16.1.1), что необходимо для получения узкой диаграммы  направленности прибора и высокой  чувствительности. С помощью специальной  электронной схемы и самопишущего устройства в течение нескольких часов автоматически регистрируют поток мюонов. Наблюдения проводят вдоль выработок с шагом, несколько  меньшим глубины выработки. Телескопы  ориентируют вертикально, чтобы  изучить поток мюонов, идущих сверху.

После введения поправок за рельеф земной поверхности для каждой точки рассчитывают интенсивность  потока мюонов в единицу времени . С помощью специальных градуировочных кривых графики вдоль профилей наблюдений пересчитывают в глубины водного эквивалента . Если известны (по данным маркшейдерской привязки) истинные глубины расположения пунктов наблюдения , то можно определить среднюю плотность пород между земной поверхностью и точкой наблюдения: .

Таким образом, основным параметром пород, получаемым в геокосмическом методе, является средняя плотность  пород над выработкой. Изменение  средней плотности вдоль выработки  свидетельствует об изменении литологии, пористости, трещиноватости, закарстованности, обводненности пород, наличии полезных ископаемых над выработкой. Мюонный метод является единственным в ядерной геофизике, реализующим томографическую технологию изучения плотностного разреза.

16.2.9. Определение  абсолютного возраста пород.

Для определения абсолютного  возраста 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 ( и ) элементов тех или иных радиоактивных семейств в горной породе, определяют ее возраст по формуле, полученной из выражений (6.2) и (6.3):

(6.9)

Эту формулу можно применять  лишь тогда, когда есть уверенность, что излучаемые элементы не выносились и не добавлялись. Точность определения  зависит от точности аналитических, как правило, масс-спектрометрических определений количества изотопов и .

Существует свыше десяти ядерно-геохронологических методов. При  исследовании горных пород используют ряды радиоактивных элементов с  большим периодом полураспада (ураново-свинцовый, рубидиево-стронциевый, калий-аргоновый  и другие методы). При изучении молодых  горных пород, в том числе для определения возраста археологических находок, применяют радиоактивные элементы с небольшим периодом полураспада (калий-аргоновый, радиоуглеродный, иониево-протакти-ниевый и другие методы). Возраст вод определяют по космогенному тритию.

По ядерно-геохронологическим измерениям метеоритов и образов  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. Этими методами определяют возраст кристаллизации изверженных  пород и образования осадочных  пород. Ценные результаты для определения  палеотемператур дает изотопный анализ кислорода в раковинах ископаемых морских организмов.

16.3. Ядерно-геофизические  методы

16.3.1. Общая характеристика.

В искусственных ядерно-геофизических  методах образцы горных пород  или стенки горных выработок, скважин  и обнажений облучаются с помощью  ампульных источников тех или  иных радиоактивных элементов и  их смесей или генераторов нейтронов. Для получения излучений разных энергий источники помещают в  экраны-замедлители, ослабляющие излучения (свинцовые - для гамма-излучений, кадмиевые  или парафиновые - для нейтронов). Наибольшее практическое применение ядерно-геофизические  методы получили при геофизических  исследованиях скважин. Ниже рассмотрим лишь несколько лабораторных методов, в которых изучаются образцы  или обнажения горных пород.

16.3.2. Нейтронные  методы.

В нейтронных методах изучаемые  породы облучаются нейтронами при разных энергиях, удалениях и временах облучения  и измерения разных излучений (15.3.3). Рассмотрим некоторые из них.

1. Активационный анализ. Сущность активационного анализа сводится к облучению образцов горных пород быстрыми или медленными нейтронами и изучению наведенной радиоактивности, с образованием радионуклидов определенного периода полураспада. При этом изменяется как время облучения, так и время изучения наведенной альфа-, бета- или гамма-активности. Измерив интенсивность вторичного гамма-излучения для разных времен после окончания облучения, по графику зависимости от можно оценить период полураспада, а значит, наличие того или иного химического элемента в образце. Активационный метод характеризуется повышенной чувствительностью к элементам, отличающимся высокой активационной способностью, таким, как Al, Cd, Cl, Cu, K, Mn, Na, P, Si и др.

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

На выявлении аномально  высокого сечения замедления нейтронов  основаны методы изучения водородосодержащих пород. В частности, с помощью  влагомеров определяют влажность горных пород, если их плотность определена другими методами (например, плотностной  гамма-гамма-метод).

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

16.3.3. Гамма-методы.

К гамма-методам относятся  методы изучения физико-химических свойств  горных пород путем облучения  их источниками гамма-лучей разных энергий.

1. Фотонейтронный анализ. На облучении образцов размельченной горной породы жесткими гамма-квантами высоких энергий (свыше 1 - 2 МэВ) и определении интенсивности вторичных нейтронов основан фотонейтронный анализ. Повышение наблюдается в присутствии бериллия и дейтерия, поэтому фотонейтронный анализ наибольшее применение находит 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 выше 0,3 МэВ, то в них преобладает комптоновское рассеяние, которое практически не зависит от состава пород и руд, а определяется их плотностью. Интенсивность на расстоянии свыше 20 см от источника изменяется по экспоненциальному закону в зависимости от плотности. На этом явлении основан плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П), с помощью которого определяют среднюю плотность пород в слое толщиной до 20 см.

3. Селективный гамма-гамма-метод. Если горные породы облучать гамма-квантами энергией, меньшей 0,3 МэВ, то происходит их фотоэлектрическое поглощение. Определяемый по коэффициент ослабления лучей зависит от эффективного атомного номера породы ( ), под которым понимается некоторый усредненный атомный номер, определяемый атомными номерами химических элементов в породе ( ), поглощающих гамма-лучи, и их массовыми долями ( ) в ней, т.е.

где - общее число изученных в породе элементов. На использовании этого явления основан селективный гамма-гамма-метод (ГГМ-С) для определения содержания в образцах, обнажениях и стенках скважин и горных выработок тяжелых элементов (Fe, Hg, Sb, Pb, W и др.).

4. Рентгенорадиометрический метод. При облучении горных пород мягким гамма-излучением (энергия меньше 0,1 МэВ) можно наблюдать характеристическое рентгеновское 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.). Существуют и другие ядерно-физические методы определения физико-химических свойств пород на образцах и в массиве.