Ядерно-геофизические методы: прямые и обратные задачи

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИРКУТСКИЙ ГЕОЛОГО – РАЗВЕДОЧНЫЙ ТЕХНИКУМ

 

 

 

Допускаю к защите

Руководитель________ Ланько А. В.

                                       подпись

 

Ядерно-геофизические методы: прямые и обратные задачи.

наименование темы

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Экологическая геофизика»

 

 

 

 

 

Выполнили студенты группы: гФ-10-1 ________    Жилкин.С.Г.

шифр            подпись               И.О.Фамилия

 

Нормоконтроль                 _________                               Ланько А. В.

                                                                      подпись                                                   И.О.Фамилия

 

Курсовая работа защищена с оценкой______________________

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013г                                                                                                                  

Оглавление

Введение………………………………………………………………-3-

1.Прямая задача ядерной геофизики………………………………..-4-

        1.1Нейтронные методы………………………………………………-5-

1.2 Гамма-методы…………………………………………………….-7-

2.Обратная задача ядерной геофизики………………………….......-9-

2.1. Рентгено-флуоресцентный метод………………………………-10-

3.Заключение…………………………………………………………-11-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Геофизические методы изучения геологического строения недр Земли  и разведки полезных ископаемых основываются на исследовании искусственно вызванных  или естественных физических процессов  и полей, которые зависят от свойств  горных пород и насыщающих их флюидов. Часть этих методов – ядерно-геофизические  методы (ЯГМ), базирующиеся на изучении явлений, связанных с ядерными и  атомными взаимодействиями. ЯГМ применяются для исследования образцов горных пород, поверхности Земли, геологического разреза скважин, дна морей и т. д.

Принципиальной основой  каждого ЯГМ являются определенные типы используемых в нем ядерных  частиц и взаимодействий их с веществом. Существование нескольких физических допустимых типов частиц и взаимодействий обуславливает значительное разнообразие применяемых ЯГМ; оно увеличивается в процессе совершенствования методов и возникновения у многих из них семейств модификаций, различающихся используемыми источниками или детекторами излучений, геометрией или другими элементами методики измерений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прямая задача

Прямые задачи ядерной геофизики связаны с изучением пространст-

венно-энергетического и  пространственно-временного распределения

излучения в веществе при  известных: сечениях элементарных процессов

взаимодействия излучения  с веществом; свойствах вещества; заданных

геометрических условиях. Теоретическое решение прямых задач основано на

использовании математических моделей переноса излучения в заданных

средах. Наряду с теоретическим моделированием необходимым является

экспериментальное моделирование, которое является критерием оценки

точности теоретических  исследований, а в ряде случаев  – единственно

возможным решением прямых задач в ядерной геофизике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нейтронные методы

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

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.

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).

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гамма-методы

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

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.

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.

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.).

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обратная задача ядерной геофизики

Обратные задачи ядерной геофизики  представляют собой определение

элементного состава или других свойств среды (плотность, пористость,

влажность и др.) по данным измерения интегральных или спектральных

характеристик полей ядерного излучения.

Как правило, регистрируемая плотность потока ядерного излучения

зависит от целого ряда параметров среды –  ядерное излучение, в процессе

его переноса в веществе, может испытывать десятки  элементарных процессов взаимодействия. Именно этим объясняется широкое  разнообразие методов ядерной геофизики, классификация которых базируется на учете особенностей физических процессов  и типа регистрируемого излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рентгено-флуоресцентный метод

Рентгено-флуоресцентный метод (РФА) является одним из инструментальных физических методов анализа химического состава веществ, — в первую очередь, горных пород. Как полевой, так и лабораторный варианты РФА традиционно относят к блоку ядерно-геофизических методов. Лежащая в основе РФА реакция фотоэффекта позволяет однозначно идентифицировать элементы-излучатели по положению характеристических линий флуоресценции в спектре РФА, при этом число вторичных квантов связано с концентрацией элемента-излучателя. Связь эта, в общем случае, нелинейная, измеряемая величина для каждого элемента зависит от концентраций всех химических элементов, слагающих пробу. Задача расчета (восстановления) концентраций элементов по результатам измерений составляет обратную задачу РФА. Существующие методы решения этой задачи обычно основаны либо на построении приближенных физических моделей распространения флуоресценции, либо на измерении также некоторого стандартного образца, химический состав которого известен и по возможности близок к составу пробы, — так чтобы "нелинейные"эффекты в них проявлялись в одинаковой мере. Оба подхода обеспечивают необходимую точность решения лишь в относительно узком диапазоне изменений концентраций элементов в измеряемом объекте; имеются и другие ограничения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Находясь на стыке между  геофизикой и геохимией, ядерная геофизика по своей сущности, методике и технике наблюдений относится к геофизическим, хотя решает некоторые геохимические задачи. Ядерная геофизика отличается «близкодействием», т.е малой глубинностью исследований в следствии быстрого поглощения ядерных излучений окружающими породами и воздухом. Однако продукты радиоактивного распада способны мигрировать, образуя вокруг пород и руд газовые, водные и механические ареолы рассеяния, по которым можно судить о радиоактивности коренных пород.

Принципиальная особенность  ядерно-геофизических методов состоит  в том, что они дают информацию непосредственно о вещественном составе горных пород и руд. И если классические методы геофизической разведки (гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка) можно назвать «геологическими» (они дают сведения об условиях залегания аномальных обьектов, оценивают их форму и геологические структуры), то ядерная геофизика стоит ближе к геохимии, поскольку решает геологические задачи путем выявления закономерностей распределения в геологических образованиях петро- и рудных элементов.

В отличии от методов лабораторной химической аналитики, на которые до недавнего времени все геологические исследования, ядерно-геофизические методы являются чисто инструментальными, следовательно, более обьективными, экспрессными.

Особое достоинство ядерно-геофизических  методов состоит в том, что  они позволяют вести количественные определения целого ряда элементов  таблицы Менделеева непосредственно  в естественных условиях. Это качество методов ядерной геофизики имеет  принципиальное значение и делает их незаменимым средством интенсификации геологоразведочных работ. Ядерно-геофизические  методы представляют также основу для  решения задач экологии, уменьшения потерь полезных ископаемых при их обогащении и более полного комплексного их извлечения из недр.