Аэрогамма-спектрометрия

Общая характеристика

Дистанционный аэрогамма-спектрометрический (АГСМ) метод определения концентрации радиоактивных элементов (РАЭ) в поверхностном слое горных пород применяется в геологии для поисков рудных полей и месторождений ряда полезных ископаемых, а также для прогнозирования перспективных площадей и радиогео-химического картирования.

Метод АГСМ создан в результате совершенствования и развития аэрорадиометрического метода, основанного на регистрации суммарной интенсивности естественного гамма-излучения поверхностного слоя горных пород. Первая аэрорадиометрическая съемка была проведена в СССР в 1946 г. Неопределенность интерпретации данных аэрорадиометрических съемок в отношении состава и концентрации радиоактивных элементов вызвала необходимость разработки АГСМ-метода, которые были начаты в 1950-х гг. В результате в этот период были разработаны двухканальные сцинцилля-ционные радиометры-анализаторы, которые обеспечивали оценку торий-уранового отношения в аномально интенсивных гамма-полях. В последующем были созданы многоканальные анализаторы, позволившие раздельно определять концентрации радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия по энергетическим спектрам их гамма-излучения. Первый созданный поисковый гамма-спектрометр входил в состав комплексной аэрогеофизической станции АСГ-48, которая выпускалась в 1964—1967 гг., и ее модернизированного варианта АСГ-48М2, выпускавшейся в 1969— 1973 гг.

Главной задачей АГСМ-метода в современном его состоянии является поиск месторождений руд урана, цветных металлов, фосфоритов, образование которых связано общностью миграции и накопления рудных элементов и РАЭ. На основе применения данного метода в благоприятных условиях могут решаться также задачи геологического картирования и геоэкологические задачи.

Принципы измерения и аппаратура

Основные гамма-излучатели и спектральный состав их излучения

Раздельное определение концентраций урана, тория и калия в горных породах основано на различии энергетических спектров их гамма-излучения. Энергетический спектр первичного (не рассеянного средой) гамма-излучения основных излучающих нуклидов равновесных семейств урана и тория в интересующем нас интервале энергий гамма-квантов показан на рис. 4.1.

Энергетический спектр гамма-излучения (в расчете на 10 г)

Рис. 4.1. Энергетический спектр гамма-излучения (в расчете на 10-4 г):

  • 1 урана; 2 — тория; Ео энергия гамма-квантов; п — число квантов, испускаемых в 1 с массой 10-4 г равновесного излучателя1
  • 1 Аэрогамма-спектрометрия в геологии / Л. Н. Вавилин [и др.]. Л.: Недра, 1982.

В естественном уране содержание изотопа 235и составляет 0,7 %, а общая энергия гамма-излучения продуктов его распада составляет 2,2 % от суммарной. Кроме того, спектр гамма-излучения продуктов распада этого ряда не содержит линий с энергией гамма-квантов более 0,89 МэВ, т. е. находится в области, не используемой в АГСМ-методе. В связи с этим на рис. 4.1 представлен только спектр продуктов распада основного изотопа урана 238и. Для раздельных определений содержания и в АГСМ-методе используется только излучение нуклида 214В1 (линии 1,76 и иногда 1,12 МэВ) продуктов распада 238и. Для ряда продуктов распада 232ТЬ основным гамма-излучателем является нуклид 208Т1 (его основная линия 2,62 МэВ). Содержание радиоактивного изотопа 40К (энергия гамма-квантов его единственной линии 1,46 МэВ) в естественной смеси изотопов калия практически постоянно и составляет 0,0119 %.

Таким образом, АГСМ-методом фактически определяются концентрации нуклидов 214Вц 208Т1 и 40К, при этом правомерность их пересчета на концентрации урана, тория и калия не вызывает сомнений для калия, а для урана и тория справедлива только в случае радиоактивного равновесия этих нуклидов с исходными изотопами.

Нуклид 214В1 является продуктом распада газообразного 222Нп, имеющего период полураспада 3,8 суток. В результате эманации этого нуклида из пористой горной породы в атмосферу возникает потеря соответствующей части нуклида 214В1, что приводит к систематическому нарушению равновесия вследствие недостатка этого нуклида. Так, для рыхлых высокоэманирующих пород результат измерения может быть занижен более чем вдвое.

В принципе такие же затруднения возникают и для тория, однако период полураспада торона мал (51,5 с), нарушения его равновесия с 224Яа встречаются сравнительно редко и невелики, поэтому возможные погрешности пересчета 208Т1 на торий значительно меньше, чем для урана.

При прохождении через перекрывающие горные породы спектр гамма-излучения деформируется вследствие взаимодействия гамма-квантов с атомами пород геологической среды. Преобладающим процессом взаимодействия с горными породами и воздухом в диапазоне энергий гамма-квантов, используемых в АГСМ-методе, является комптоновское рассеяние. С уменьшением энергии квантов существенна роль фотоэффекта, а при энергии порога выше 1,02 МэВ возможно образование электронно-позитронных пар.

При комптоновском рассеянии квант изменяет направление своего движения и теряет часть энергии, тем большую, чем больше угол отклонения. Вероятность рассеяния на большие углы возрастает для квантов малой энергии. Многократное комптоновское рассеяние возникает в веществе с низким эффективным атомным номером до энергии квантов 150—50 кэВ и затем завершается фотоэффектом. Таким образом, интенсивность каждой спектральной линии гамма-излучения при прохождении его через вещество уменьшается главным образом за счет рассеяния квантов, образующих сплошной непрерывный континуум от линии в сторону малых энергий.

Интенсивность в каждом участке спектра зависит от концентрации РАЭ в горных породах, площади их ореолов, мощности нерадиоактивного покрова рыхлых пород, относительной высоты полета над рельефом, содержания радона в воздухе, а также от уровня радиоактивного загрязнения самолета и интенсивности космического излучения.

Скорость счета импульсов N на выходе детектора (за вычетом фоновой скорости счета) при неизменных условиях измерений линейно связана с концентрациями урана (дц), тория (дть) и калия (дк) соотношением

Коэффициенты аи, ап, ак зависят не только от условий съемки (высоты полета, размера излучающего объекта и т. д.), но и от характеристик измерительной аппаратуры, в частности, от эффективности регистрации и от энергетического «окна» (или порога) канала.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >