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:

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

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:

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

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:

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

Высокой результативностью и относительно небольшой стоимостью съемки;

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 г-квантов от бесконечного по простиранию пласта, перекрытого неактивными наносами мощностью h. г-излучение каждого элементарного объема dV представляется в виде шести пучков, параллельных осям координат и имеющих интенсивность (I0/6)*dV, где I0 — интенсивность г-излучения элементарного объема. Поток г-излучения на поверхности земли от тонкого активного слоя толщиной dz, лежащего на глубине z от подошвы наносов, равен:

где мн и мп — эффективные коэффициенты поглощения г-квантов в наносах и в пласте.

Поток излучения от всего полупространства:

где Фг0 = I0/(6мп) — поток излучения при нулевой мощности наносов.

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

В среднем для наносов мн? 0.07 см-1, отсюда hmax? 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 г-излучением проводится более тщательное обследование окружающей зоны. После нахождения точки с максимальным в этой зоне г-излучением проводится измерение г-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 г-излучения в шпуре (мелкой скважине) через каждые 10—20 см с помощью радиометров с телескопическим зондом.

Обработка и интерпретация результатов. Этот этап работ включает:

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).

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

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

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 г-поля и их перспективная оценка.

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

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

Аномалии, связанные с потоками рассеяния.

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

По интенсивностиизлучения 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:

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.

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

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 Кэ. 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 Сэ, в порах бесконечной однородной среды определяется по формуле:

Сэ = (СхКэс)/Кп где Сх — удельная активность радиоактивного элемента, из которого образуется эманация; Кп — коэффициент пористости в долях от объема породы; с — плотность породы, г/см3.

Если величину Сх выразим в Ки/г, значение Сэ 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 Сэ0 — концентрация эманаций на границе эманирующего пласта; Сэ — концентрация эманаций в точке с координатами (x, y, z); л — 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, л = 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 200 м, точки наблюдения — через 10 м) или чаще 1:10 000 (сеть наблюдений 100 м; 10 м) используется для непосредственных поисков новых рудных полей и отдельных месторождений.

Детальная съемка в масштабе 1:5000 (сеть наблюдений 50 м; 5 м) или 1:2000 (сеть наблюдений 20 м; 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:

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

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.

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.

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 г-излучения и эманации наносами. Поэтому параллельно с радиометрическими исследованиями поисково-разведочные работы включают также изучение состава, свойств пород, их тектоники и т. п.

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

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:

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

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

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.

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 гаммаи 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 г-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 гаммаи 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.

Ядерно-геофизические методы Гамма-гамма-методы (ГГМ) ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком г-квантов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторичного г-излучения.

Для г-излучения с энергией до 2 Мэв характерно взаимодействие с электронами атомов, наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние г-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих элементов (Z < 20), макросечение мк комптоновского рассеяния не зависит от Z и пропорционально плотности вещества д, т.к. для легких элементов Z/M? 0.5 (М — атомная масса вещества, Z — заряд ядра). Число атомов в 1 см³ вещества N = д*NA/M (NА — число Авогадро), следовательно мk =N*уk = AдZуk/M (уk — микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M? 0.5, получаем мk = NAдуk/2.

Сечение комптоновского рассеяния уk при малых энергиях растет, достигает максимального значения в интервале 100 — 300 Кэв, а затем медленно уменьшается с увеличением энергии г-квантов.

Для одного и того же вещества для К-оболочки ход сечения фотоэффекта приблизительно оценивается:

при Ег > IK уф? Z5/ Ег3.5;

при Ег >> IK уф? Z5/ Ег.

где Ег — энергия г-кванта, IK — потенциал ионизации К-оболочки.

Фотоэффект наиболее вероятен в области энергий, близких к потенциалу ионизации электронных К-оболочек, это для тяжелых элементов (Z > 50) энергия до 100 Кэв, для более легких элементов эта энергия снижается до единиц Кэв. Например, для титана (Z = 22) IK < 6 Кэв.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определенный тип взаимодействия г-квантов с веществом, а именно комптоновское рассеяние, метод называется гамма-гамма метод плотностной модификации (ГГМ-П). Для исследования изменения состава пород применяется гамма-гамма-метод селективный (ГГМ-С), в основе которого — фотоэффект. Методически оба эти метода сходны — первичное облучение породы потоком гамма-квантов с последующей регистрацией вторичного гамма-излучения. Выбор типа взаимодействия первичного излучения (Комптон-эффект или фотоэффект) решается с помощью выбора источника первичного г-излучения: при энергии источника Ег 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Чувствительность ГГМ-С к изменению Zэфф породы определяется энергией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника г-квантов низкой энергии (Ег = 50 Кэв) максимальная чувствительность — в области малых значений Zэфф — до 14, далее чувствительность падает, а при Zэфф > 20 чувствительность практически равна 0. Такая ситуация реализуется при разведке угольных месторождений — изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Zэфф на величины, не более 0.2 ч 0.4. При разведке полиметаллических и, особенно железорудных, месторождений изменение Zэфф от вмещающей до рудосодержащей породы более значительно — на единицы, а в случае массивных руд, до десяти. В этом случае используется более жесткий источник первичного г-излучения, чтобы перекрыть весь диапазон измерений Zэфф. Основным источником первичного г-излучения в ГГМ-С является изотоп селена Se75 (Т = 120 дней; Ег = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm170 (Т = 129 дней; Ег = 84,2 Кэв).

ГГМ-П, как было сказано выше, необходимо осуществлять в таких условиях, когда преобладает комптоновское рассеяниеизлучения, а именно в интервале энергий от 500 Кэв до 2 Мэв. Так как при многократном рассеянииизлучения в среде образуется низкоэнергетическая частьспектра, которая поглощается при помощи фотоэффекта (вследствие чего образуются низкоэнергетичныекванты характеристического излучения), устранить влияние фотоэффекта можно соответствующим выбором энергии первичногоизлучения и использованием детекторов, имеющих в области малых энергий низкую эффективность.

Для реализации ГГМ-П обычно используются источникиквантов Cs137 (Ег = 0.66 Мэв), Со60 (1.25 Мэв), реже Ra226 (1.7 Мэв). Низкую эффективность в области мягкогоизлучения имеют газоразрядные счетчики типа МС и СТС и сцинтилляционные детекторы NaJ (Tl) в металлических фильтрах (корпус прибора).

Если для ГГМ-П очень важно регистрировать наиболее жесткоеизлучение, то очень важным становится взаимное пространственное расположение источника, исследуемой среды и детектора вторичногоизлучения — энергияквантов после комптоноского рассеяния сильно зависит от угла рассеяния. Взаимное пространственное расположение источника, исследуемой среды и детектора вторичногоизлучения называют геометрией измерения. Геометрия измерений также важно и при ГГМ-С — подобрав правильную геометрию измерения можно резко уменьшить влияние рассеянныхквантов.

В ГГМ наиболее распространены три геометрии измерений. Первый, наиболее простой, но и наименее распространенный — геометрия измерений узким пучком, который можно реализовать только в лабораторных условиях, потому что в данной методике образец помещается между источникомквантов и детектором. Узкий пучокизлучения создают свинцовыми коллиматорами. Оптимальные размеры коллимационного канала: диаметр 5 — 10 мм, общая длина 6 — 7 см для источника Cs137 и 10 — 15 см для Co60. Расстояние между детектором и источником равно 20 — 50 см (в зависимости от размера образца). При помощи этой геометрии в лабораторных условиях измеряют плотность пород с точностью 0.01 г/см3.

Геометрия просвечивания широким пучком. Этот метод применяется в инженерно-геологических исследованиях для определения плотности рыхлых пород (почв, грунтов). Экспериментально доказано, что угол между линией, соединяющей детектор и источник, и перпендикуляром к поверхности среды (угол б) не влияет на результаты измерения, если он не превышает 600. Оптимальная толщина просвечиваемого слоя равна сd = 40 ч 80 г/см2, где с — плотность, d — расстояние между источником и детектором. Для вычисления плотности необходимо знать интенсивности первичного и вторичногоизлучения и d. Жесткая конструкция зонда обеспечивает постоянство толщины измеряемой породы и постоянство интенсивности первичного излучения, поэтому достаточно измерять интенсивность рассеянного излучения и через эталонировочный график определить плотность.

Метод (геометрия) рассеянного л-излучения. Данная геометрия является основной при геофизических исследования скважин, при опробовании горных пород в выработках (канавах, шурфах и штольнях). В данной методике применяются два типа зондов.

Зонд «2р» применяется на рудных и угольных месторождениях для исследования скважин диаметром от 59 до 110 мм. Зонды с коллимированием первичного и рассеянного излучений используются для изучения скважин большого диаметра (более 200 мм). Коллимирование обеспечивает регистрацию однократно-рассеянного г-излучения. Пружина прижимает зонд к стенке скважины. Свинцовые экраны, закрывающие от прямого излучения источника и от бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток коллимированного зонда — большой диаметр зонда и низкие скорости счета по сравнению с зондом «2р».

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между источником и детектором. В методе рассеянного г-излучения оптимальное R равно сd = 40 ч 100 г/см2 (в массовых единицах), так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Длина свинцового экрана должна быть не менее 5 — 7 см для Cs137 и 10 — 12 см для Со60.

Для выяснения условий применения ГГМ необходимо знать зависимости реально измеряемых потоков рассеянного излучения от геометрии зондов и свойств среды. Самой важной особенностью измерений в ГГМ геометрией рассеянного излучения является инверсия зависимости интенсивности рассеянного излучения от плотности с изменением длины зонда. Ш (о)/Ш (о=1) — функция рассеяния, определяющая интенсивность рассеянного г-излучения в зависимости от безразмерного параметра о = м’сR, выполненных для 2р-зонда. Произведение массового коэффициента м' на плотность с есть линейный коэффициент ослабления м. Величина, обратная м — это величина, характеризующая длину пробега l г-кванта (l? 1/м). Отсюда следует, что параметр о представляет длину зонда R/l, выраженную в длинах свободного пробега г-кванта в веществе.

На рисунке показаны зависимости функция рассеяния от параметра о, различные кривые относятся к различным средам с разным коэффициентом м'. Так как для каждой кривой значение м' фиксировано, а длина зонда R сохраняется постоянной при измерениях, графики Ш (о)/Ш (о=1) отражают изменение интенсивности рассеянного г-излучения в зависимости от плотности. Из графиков видно, что с увеличением плотности интенсивность сначала возрастает, достигая максимума в точке инверсии, а затем монотонно уменьшается. Положение точки инверсии для пород с различным м' разное.

В ГГМ-П оптимальны заинверсные 2р-зонды с приведенной длиной о > 2, для которых характерно монотонное экспоненциальное убывание интенсивности рассеянного излучения с увеличением плотности. Для уменьшения влияния Zэфф в ГГМ-П необходимо использовать г-излучения с большой энергией (источники Cs137 или Co60). С учетом диапазона изменений плотности и м' для этих энергий реальная длина зонда R составляет 15 — 40 см. Для снижения влияния Zэфф в ГГМ-П дополнительно уменьшают вклад мягкой компоненты рассеянного г-излучения применением железных или свинцовых фильтров, а также отсечкой импульсов малой амплитуды с помощью дискриминатора. Радиус исследования (глубинность) зондов зависит от плотности среды и длины зонда, для большинства горных пород лежит в пределах сR = 20 ч 40 г/см2. Принимая плотность пород 2,7 г/см3, а длину зонда 20 см, получим, что глубинность исследований ГГМ-П, в среднем, составляет менее 1 см.

В ГГМ-С выгодно использовать инверсионные зонды с параметром о, лежащим в области экстремума функции рассеяния. В этой области показания интенсивности вторичного излучения не зависят, или мало зависят, от плотности пород. Однако влияние плотности, при работе с инверсными зондами, исключается лишь в узком диапазоне изменения плотности. С целью расширения области компенсации влияния плотности, при работах методом ГГМ-С, применяют двойные зонды, которые содержат два источника, расположенных на разных расстояниях от детектора. В этом случае измерения выполняются одновременно с двумя зондами — характеристика одного из них должна лежать в доинверсной, а другого — в заинверсной интервалах кривой Ш (о)/Ш (о=1). Если правильно подобрать длины зондов, с учетом интервала изменения плотности, то при измерении суммарного сигнала (детектор этих зондов один и тот же) будет осуществляться компенсация изменения интенсивности вторичного гамма-излучения от изменения плотности в широких пределах. Одновременно с этим, в определенных пределах, исключается влияние зазора между корпусом прибора и пробой (стенки скважины).

Глубинность исследований методом ГГМ-С с использованием источников Se75 и Tm170, в любом случае, не более глубинности ГГМ-П, за счет использования более мягкого первичного гамма-излучения.

Применение ГГМ. Метод ГГМ-П наибольшее распространение получил в скважинном варианте (ГГК-П). Плотностной каротаж позволяет выделить в разрезе скважины полезные ископаемые с аномальной плотностью (уголь, горючие сланцы, металлические руды). ГГК-П также применяется на нефтяных и газовых месторождениях с целью изучения пористости пород (по изменению плотности). При инженерно-геологических работах ГГМ-П в различных модификациях применяют как для определения плотности, особенно рыхлых пород, так и для наблюдения за динамикой влажности (по изменению плотности).

Определение Zэфф с помощью ГГМ-С позволяет различать породы по вещественному составу. Чувствительность ГГМ-С, по сравнению с ГГК-П, при выделении объектов разного вещественного состава, выше. Выигрыш в чувствительности тем существеннее, чем больше Zэфф определяемых объектов. Так, при исследовании свинцовых руд с содержанием менее 1%, плотность (следовательно и изменение интенсивности рассеянного излучения в ГГМ-П) изменяется незначительно, по сравнению с пустой породой. В то же время ГГМ-С дает четкие аномалии.

Принципиальным недостатком ГГМ-С является невозможность разделения измеряемых эффектов от различных элементов. Количественное опробование руд с помощью ГГК-С возможно только на монометальных месторождениях и втех редких случаях, когда между несколькими рудными компонентами имеется жесткая корреляция. При исследовании типичных полиметаллических руд (Ba — Pb, W — Mo, Pb — Zn и т. д.) метод ГГМ-С можно использовать для оконтуривания зон оруденения, т. е. как индикаторный. Наиболее благоприятные объекты для применения ГГМ-С являются месторождения железных руд, углей и горючих сланцев, на которых методы ГГК-С и ГГК-П используются в разведке месторождений и при подсчете запасов.