Характеристика радиоактивных свойств горных пород

Рис. 3.3. Диаграмма процессов замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов

Рис. 3.1. Спектр естественного гамма-излучения

Cуществуют аппаратурные решения, согласно которым энергию γ – излучения можно разделить на спектры (выделить окна). Способ получил название гамма – спектрометрии.

Калий – его материнские породы – преимущественно силикаты магматических пород, полевые шпаты, слюды. Слюды и полевые шпаты преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран – его материнские породы – силикаты магматических пород. Высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого урания – иона ИО.

Торий – его материнские породы – силикаты магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах.

Следует отметить, что -излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью: задерживаются обычным листом бумаги, - тонкой свинцовой пленкой.

Закон радиоактивного распада выражается формулой:

(3.1), где

dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, - постоянная распада. связана с другой единицей Т_1/2 – периодом полураспада соотношением:

Т_1/2 = (3.2).

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 – 18 изотопов конечный продукт – радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементам. У них Т_1/2 > 10⁸лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т_1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т_1/2 = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

(3.3).

Калий (К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Искусственная (наведенная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением.

γ-кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные α- и β- частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 10¹⁸ Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Фотоэффект – γ–кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:

E = hν – E₀ (3.4),

где h = 6,62Дж*с, ν – частота электромагнитных колебаний, E₀ – энергия связи электрона в атоме. Процесс идет при Е < 0,5 МэВ. Сильная зависимость от Z.

Комптоновский эффект – γ- кванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывая многократные рассеяния. Процесс идет в основном при 0,2< Е < 3 МэВ, именно в области спектра первичного измерения.

Процесс образования электронно-позитронных пар сводится к возникновению последних из фотонов в поле ядер атомов и происходит при энергии Е > 1,02 МэВ.

Таким образом, при различных энергиях γ- кванты взаимодействуют преимущественно с различными мишенями: атомами, электронами, атомными ядрами (рис.3.2).

Рис. 3.2. Спектр многократно рассеянного γ- излучения

Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (J_γγ) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше J_γγ _. В частности, для моноэлементной среды справедлива формула:

(3.5), где

n_e – число электронов в единице объема, N_A – число Авогадро, A – массовое число, Ζ – порядковый номер, δ – плотность.

Так как, условие устойчивости атомных ядер требует:

А = N + P = N + Ζ = 2Ζ (3.6), где

N и P – число нейтронов и протонов в ядре,

то из формул 75 и 76 получаем:

, (3.7).

Единицами измерения радиоактивности являются:

1) Беккерель (Бк), 1Бк = 1 расп/с – системная единица,

2) Кюри (Ки) - внесистемная единица, где 1 Ки = 3,7*10Бк,

3) Удельная массовая активность Бк/кг – системная единица,

4) Удельная объемная активность Бк/м³ – системная единица,

5) Мощность экспозиционной дозы (А/кг) – системная единица,

6) Микрорентген в час (мкр/час) - внесистемная единица, Нейтронное излучение – возникает при фотоядерных реакциях путем взаимодействия α -частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.). Нейтроны, как и γ -кванты, являются электронейтральными частицами и из всех видов излучений обладают наибольшей проникающей способностью. Разделяются по энергетическому спектру в диапазоне энергий Е = 10⁷ – 10^-3 эВ на: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые тепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами имеют место два основных, разделенных во времени, процесса: 1) замедление быстрых нейтронов (t < 10^-2 c), 2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n-γ и др. типов (рис. 3.3).

Естественная γ – активность пород

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. То есть, показания метода естественной γ – активности пород определяются массовыми содержаниями естественно радиоактивных элементов (ЕРЭ).

Твердая фаза

Породообразующие и акцессорные минералы главных типов магматических, метаморфических и осадочных пород по степени радиоактивности объединяются в 4 группы:

1) Слаборадиоактивные кварц, калиевые полевые шпаты,