Ядерная геофизика

Ядерная геофизика –
одно из направлений геофизики, занимающееся изучением геологического строения земной коры на основе исследований естественных радиоактивных процессов, происходящих в недрах Земли.
Ядерная геофизика объединяет
методы исследования горных пород и руд по их естественной радиоактивности (радиометрия или радиометрическая разведка)
методы изучения вызванной, т.е. после предварительного облучения, радиоактивности с целью определения состава или различных физических свойств пород и руд (ядерно-физические методы).

Основными методами радиометрии являются
гамма-съемка (ГС), предназначенная для изучения интенсивности гамма-излучения,
эманационная съемка (ЭС), при которой по естественному альфа-излучению почвенного воздуха определяют концентрацию в нем радиоактивного газа - радона.
Гамма-методы (ГМ) служат для поисков и разведки не только радиоактивных руд урана, радия, тория и других элементов, но и парагенетически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископаемых (редкоземельных, металлических, фосфатных и др.).
С их помощью можно определять абсолютный возраст горных пород.
Гамма- и эманационную съемки используют также для литологического и тектонического картирования.

К ядерной геофизике относится так называемый геокосмический метод, основанный на подземной регистрации космических мюонов.
Искусственная радиоактивность возникает при облучении горных пород и сред гамма-квантами или нейтронами. Измеряя те или иные характеристики наведенного поля, можно судить о гамма- и нейтронных свойствах горных пород, которые определяются химическим составом элементов и физическими свойствами пород.
Существует множество искусственных ядерно-физических методов определения химического состава и физических свойств горных пород, основанных на использовании либо нейтронов (нейтрон-нейтронные, нейтрон-гамма и др.), либо гамма-излучений (гамма-гамма, гамма-нейтронный, рентгенорадиометрический и др.).

Задачи:
Изучение распространения радиоактивных элементов и стабильных изотопов в Земле, влияние этого распространения на геологическую историю Земли и вопросы определения абсолютного возраста горных пород, а также изучение процессов, ведущих к концентрации радиоактивных элементов в различных зонах земной коры (ЗК) и к формированию их промышленных месторождений.
Исследование геологического строения ЗК, основанного на испускании радиоактивного излучения и на изучении ядерных свойств элементов.

Общие сведения о радиоактивности
Естественная радиоактивностью - самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами.
1896 г. - А. Беккерель - открытие явления радиоактивности - обнаружил испускание ураном неизвестного вида проникающего излучения, названного им радиоактивным.
1898 г. - супруги М. Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - полоний и радий.
1899 г. - Э. Резерфорд – установлено наличие 3 видов излучения радиоактивных элементов - a-, b- и γ-лучей - и выявлена их природа.

Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами).
Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов.
Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых элементов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232.

Одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений:

Параметры радиоактивности
1. Период полураспада.
Период полураспада ( T1/2), который у различных элементов изменяется в очень широких пределах - от 10-6 до 1010 лет.
Для каждого элемента он является определенной и постоянной величиной и может служить его диагностическим признаком.

Закон радиоактивного распада - описывает зависимость радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в данном образце
N = N0*e−λT
Для практического использования закон радиоактивного распада можно записать так :
N = N0*2−t/T
λ— постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с−1
No − начальное число радиоактивных ядер,
N − число радиоактивных ядер спустя время t,
T = T1/2 − период полураспада − время за которое распадается половина радиоактивных ядер.

2. Состав естественных излучений.
Естественная радиоактивность состоит из альфа-, бета-, гамма-, нейтронных и других излучений.
Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергия которых на длине пути около 10 см в воздухе и долей миллиметров в породе тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала.
Бета-излучение представляет собой поток электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. В результате они рассеиваются (это приводит к ослаблению их интенсивности) и поглощаются (теряют свою энергию) на длине пути, в 100 раз большей, чем альфа-излучение.

Гамма-кванты представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты ( 1018 Гц). Хотя они также рассеиваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической нейтральности отличаются еще более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).
Радиоактивный распад может сопровождаться захватом некоторыми ядрами электронов из собственных оболочек атомов (K и L-захват) с возникновением мягкого и рентгеновского гамма-излучений, спонтанными излучениями ядер нейтронов и другими процессами.

К излучениям, широко используемым в ядерной геофизике, относится нейтронное излучение.
Оно возникает при ядерных реакциях (например, в смеси полония и бериллия) или создается с помощью управляемых генераторов нейтронов, циклотронов и др.
Из всех видов излучений нейтронное обладает наибольшей проникающей способностью. Однако нейтроны замедляются в процессе рассеяния, а затем поглощаются средой, т.е. захватываются ядрами атомов за время от микросекунд до миллисекунд.
В свою очередь, захват сопровождается мгновенным испусканием гамма-квантов и других частиц.

3. Количество, концентрация, доза и мощность дозы гамма-излучения.
Количество и концентрация долгоживущих элементов урана, тория, калия (U, Th, K-40) в горной породе определяются их процентным содержанием.
Абсолютной единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (1 Бк = 1 расп./с).
Иногда используют внесистемную единицу грамм-экв. Ra (количество вещества, гамма-излучение которого эквивалентно излучению 1 г радия).
Единицей удельной радиоактивности в СИ служит беккерель на единицу массы или объема.
За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесистемная единица - рентген (1Р = 2,58*10-4 Кл/кг).
Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг) и микрорентгенах в час (мкР/ч).

4. Энергия излучений.
Важной характеристикой излучений является энергия, которая представляет собой начальную кинетическую энергию частиц и измеряется в электрон-вольтах (эВ).
Максимальные значения для альфа-, бета-, гамма-излучений равны миллионам электрон-вольт (10; 4; 3 МэВ соответственно).
Нейтроны по энергии разделяют на
холодные (0,001 эВ),
тепловые (0,025 эВ),
надтепловые ( > 0,05 эВ),
резонансные (0,5 - 100 эВ),
медленные ( < 1 кэВ),
промежуточные (1 кэВ - 0,5 МэВ),
быстрые (> 0,5 МэВ).

Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой.
Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.
При прохождении гамма-квантов через вещество разного химического состава наблюдаются следующие ядерные процессы:

1. Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), происходящее при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,5 МэВ) с атомами плотного вещества.
В результате из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется.
Атом, потерявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения.
В целом поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробега можно выразить через коэффициент поглощения (μф), называемый также макроскопическим сечением фотоэффекта.

2. Комптоновское взаимодействие (рассеяние) гамма-квантов повышенных энергий ( > 0,5 МэВ) наблюдается с атомами легкого вещества.
В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распространения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся поглощением. Его можно охарактеризовать коэффициентом поглощения μк, или макроскопическим сечением комптоновского взаимодействия.

3. Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий ( > 1 МэВ) с полем ядра атомов.
При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения (μэп) называется макроскопическим сечением образования пар.
Существуют и другие взаимодействия гамма-квантов (фотонейтронный эффект, релеевское рассеяние на связанных электронах атомов и др.).
В целом за счет основных эффектов взаимодействия полный линейный коэффициент поглощения гамма-квантов в породе, содержащей и легкие, и тяжелые элементы, можно описать формулой
μγ = μф + μк+ μэп
μγ - полное макроскопическое сечение взаимодействия гамма-лучей с веществом

Нейтронное излучение характеризуется следующими основными реакциями с ядрами элементов окружающей среды:
Неупругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах тяжелых элементов, приводящим к их возбуждению. При переходе ядра в основное первоначальное состояние оно излучает гамма-квант.
Упругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах легких элементов, приводящим к передаче энергии нейтронов ядрам, а в результате к их замедлению, уменьшению скорости тем большему, чем меньше массовые числа среды. Замедленные до тепловой энергии нейтроны поглощаются ядрами, т.е. происходит их радиационный захват с испусканием гамма-квантов. В результате наблюдается наведенная вторичная радиоактивность.

Таким образом, быстрые нейтроны вследствие разнообразных взаимодействий с ядрами элементов окружающей среды рассеиваются, замедляются до тепловых энергий средой.
Количественно происходящие при этом процессы принято описывать полным коэффициентом рассеяния и поглощения (μп), называемым также суммарным макроскопическим нейтронным сечением за счет рассеяния (σр) и поглощения (σп), т.е.
μп = σр + σп .
Величина, обратная полному сечению, называется средней длиной пробега нейтронов при наличии рассеяния (1/σр) и поглощения (1/σп).

Радиоактивность горных пород и руд
Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана, тория, а также калия-40.
Радиоактивность минералов.
По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.
1. Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первичные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.

2. Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).
3. Средней радиоактивностью отличаются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
4. Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.
В этой классификации радиоактивность соседних групп возрастает примерно на порядок.

Радиоактивность горных пород, руд и вод.
Радиоактивность горных пород определяется прежде всего радиоактивностью породообразующих минералов.
В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах.
Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:
- породы практически нерадиоактивные (U<10-5 %);
- породы средней радиоактивности (U< 10-4 %);
- высокорадиоактивные породы (U< 10-3 %);
- бедные радиоактивные руды (U< 10-2 %);
- рядовые и богатые радиоактивные руды (U>0,1 %).

С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов.
В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало.
Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов.
Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород (Cэ).

Коэффициент эманирования пород - отношение количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим Т1/2) к общему количеству эманаций.
В массивных породах Сэ = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых Сэ = 40 - 50 %, т.е. Сэ увеличивается с ростом коэффициента диффузии.

Важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии.
Энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре.
В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром.
Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).

Ядерно-физические свойства горных пород
Общая характеристика ядерно-физических свойств
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий.
Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физических явлений, сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образование электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением).

Вероятность того или иного взаимодействия зависит
- от энергии гамма-квантов или нейтронов,
от пути проходящего излучения в горной породе
ядерно-физических свойств горной породы.
Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.

Гамма-лучевые свойства горных пород
Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μγ или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы. Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:
где σγi - микроскопическое сечение взаимодействия атома i-го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента в единице объема Ni и общем числе элементов k ; Iγ, Iγ0 - интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной L.

Практически определяют эффективный коэффициент ослабления μγэф по экспериментально полученной эффективной интенсивности гамма-излучения:
Макроскопическое сечение взаимодействия или эффективный линейный коэффициент ослабления зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева и массовых чисел химических элементов горной породы, а также ее плотности σ. На
изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности
горных пород по интенсивности рассеянного гамма-излучения (Iγγ = Iγ0).
При этом комптоновское рассеяние зависит от плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических элементов.

Нейтронные свойства горных пород
Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны.
Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы. Величина μп определяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами (σпi) всех составляющих ее химических элементов от i = 1 до i = k с числом атомов i-го элемента в единице объема Ni по формуле:
где In, In0 — плотность(или интенсивность) нейтронов в конце и начале слоя толщиной L.

Нейтронное микроскопическое сечение ядра σni равно его эффективной площади, которая обычно больше его геометрического сечения.
Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10-28 м2).
Наибольшими нейтронными сечениями обладают редкоземельные элементы (например, для кадмий (2,25·10-25м2), бор(0,769·10-25м2), ртуть(0,38·10-25м2) и др.
У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах(0,1—100)·10-25м2.