Ядернофизические исследования в системе литомониторинга: На примере Урала и Западной Сибири

Актуальность темы

.

Одной из важнейших проблем экономики является обеспеченность страны минеральными ресурсами, состояние ее минерально-сырьевой базы и рациональное использование геологической среды. Решение этой проблемы включает изучение геологической среды как минерально-сырьевой базы и как среды хозяйственной деятельности человека. С каждым годом спектр хозяйственной деятельности человека становится шире и разнообразнее, соответственно возрастает набор свойств и параметров, необходимых для изучения в лабораторных и полевых условиях.

Для организации литомониторинга нужна реконструкция существующего положения дел с учетом экологических принципов и оперативного информационного обеспечения. Под литомониторингом понимается мониторинг геологической среды вообще и техногенных месторождений и образований в частности.

Особенно важное значение литомониторинг приобретает на Урале и в Западной Сибири, где функционируют крупные горнодобывающие предприятия, предприятия металлургического и топливно-энергетического комплекса, в результате производственной деятельности которых постоянно расширяются территории, занятые отходами промышленных производств. Как результат процессов техногенеза формируются «новые» горные породы, сосредоточенные в отвалах горнорудных предприятий, золои шлакоотвалах металлургических и других производств.

Проблемы литомониторинга, отработки техногенных месторождений требуют разработки и применения самых современных ядернофизических методов исследований, включающих ядерногеофизические измерения потоков проникающего гаммаи нейтронного излучения, ядернопетрофизические замеры параметров переноса ядерного излучения и физических свойств горных пород, ядернофизический анализ минерального сырья и объектов окружающей среды.

Необходимость ядернофизических исследований в системе литомонито-ринга определяется актуальностью таких проблем как:

1. Совершенствование научно-методических основ комплексного изучения геологической среды, ее рационального использования и охраны на базе комплексных геологических исследований.

2. Научное обоснование оптимальных программ наблюдений для создания систем литомониторинга и последовательного картографирования геоэкологически опасных районов.

3. Обоснование структуры, объема и технологии функционирования единой геоэкологической системы как части мониторинга природной среды.

4. Разработка и доведение нормативно-технических документов по методам решения геологических задач до уровня общероссийских и международных стандартов.

5. Усовершенствование и создание новых методов и приемов экологической, технологической и экономической оценки природных и техногенных месторождений.

6. Развитие многокомпонентных инструментальных методов и многоканальной аппаратуры, в том числе для определения радионуклидов.

7. Развитие автоматизированных рентгенофлуоресцентных спектрометров нового поколения с применением математических приемов обработай спектра безэталонного анализа.

К моменту начала исследований автора (1989 г.) понятие «литомониторинг» было обосновано академиком Е. М. Сергеевым, работами таких известных ученых как Д. П. Марш, А. В. Павлов, Ч. Шухерт, В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, Ю. А. Израэль и др., накоплен опыт питомониторинга природных объектов (И.П.Герасимов, Ф. В. Котлов, А. И. Шеко, В. К. Епишин и др.) Но эти исследования не охватывали техногенных образований и месторождений в полном объеме, сведения были отрывочными. При опробовании техногенных месторождений возможности ядернофизических методов были раскрыты не полностью и реализованы лишь частично. Материалы данных исследований были опубликованы в работах В. А. Мейера, Е. П. Лемана, И. М. Хайковича,.

A.П. Новикова A.A. Хайдарова, Г. С. Вахромеева, Г. С. Возженикова,.

B.И. Уткина, Ю. Б. Давыдова, H.A. Титаевой, Т. А. Глушковой и др. Одна из причин — это отсутствие методических рекомендаций по применению ядерно-физических исследований при мониторинге геологической среды.

С учетом сказанного, методическое развитие ядернофизических исследований и практическое применение их при литомониторинге представляется актуальной задачей.

Цель работы.

Исследование, разработка принципов и методов литомониторинга, внедрение современных технологий и технических средств ядернофизических исследований горных пород, руд, отходов, объектов окружающей среды в натурных и лабораторных условиях, способствующих повышению эффективности и производительности работ при мониторинге геологической среды вообще и техногенных месторождений и образований в частности.

Основные направления и задачи исследований.

1. Изучение ядернофизических свойств и параметров горных пород, руд, отходов промпроизводств, почв, обобщение литературных материалов и сопоставление полученных данных с результатами геологических, минералогических, петрографических, химических и экологических исследований.

2. Анализ основных направлений развития методов ядерной физики для исследований природных и техногенных объектов, их технического обеспечения.

3. Исследование практических возможностей повышения чувствительности, точности и производительности ядерных методов исследования параметров горных пород, руд, флюидов, промотходов и объектов окружающей среды.

4. Исследование методических возможностей ядернофизических методов при разведке и отработке техногенных месторождений — отходов горнопромышленного, металлургического и топливно-энергетического производств.

5. Разработка научно-методических основ комплексного литомониторингамониторинга геологической среды, включающих и исследования техногенных объектов.

6. Разработка научно-методических основ рационального комплекса методов и технических средств литомониторинга природных и техногенных объектов.

Научная новизна.

В результате исследований впервые получено следующее:

1. Исследованы методические возможности комплексного применения ядернофизических методов исследования для оценки состояния окружающей среды, техногенных месторождений и объектов на основе анализа ядерногеофизических, ядернопетрофизических, геохимических, минералогических характеристик объектов и особенности их применения при ведении литомониторинга.

2. Введено понятие литотехногенеза как процесса формирования новых техногенных пород за счет изменения, дезинтеграции горных пород, в процессе производственной деятельности, а также использования энергетических ресурсов, рудных и нерудных полезных ископаемых (образование шлаков, шламов, зол).

3. Разработан комплекс методов и технология мониторинга природных и техногенных образований и месторождений.

4. Описаны состав, строение техногенных месторождений (ТМ), произведена оценка запасов ТМ на ряде объектов.

5. Показана возможность использования оптимального комплекса ядернофизи-ческих исследований для мониторинга геологической среды.

6. Составлен атлас спектров наведенной активности и характеристического рентгеновского излучения горных пород, руд, отходов их переработки, почв.

7. Подготовлены, разработаны и утверждены в Госстандарте России нормативно-технические и методические документы, обеспечивающие деятельность Органа по сертификации минерального сырья и Испытательного центра (Аттестаты Госстандарта Российской Федерации POCC.RU. 11АЮ32 от 18.09.97, № 4211−94 от 20.12.94 и № 1Ш.0001.510 220 от 31.01.95) в системе экоаналитического контроля, геологических, научных исследований и сертификации минерального сырья, продуктов и отходов его переработки (МВИ № 1−94, 2−94, 3−94, 4−94, 5−94, 6−94, 7−95, 8−95, 9−94, а.с. 1 609 320, а.с. 1 596 949). Предложена схема сертификации отходов промпроизводств.

8. Отработана технология исследования техногенных месторождений, включающая методики опробования (МВИ № 2−94, 7−95, 9−94), которая реализована на 11 объектах Урала и Западной Сибири. Разработана методология и технология формирования банка данных ТМ. Предложены рекомендации по промышленной оценке техногенного сырья и целесообразности его промышленного использования.

9. Предложена и отработана технология радиоэкологических исследований нефтегазопромыслов.

Новизна методических разработок автора защищена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Выполненные работы позволили сформулировать требования к аппаратурному, методическому и метрологическому обеспечению ядернофизических исследований при литомониторинге. В результате — впервые на Урале создан аккредитованный Госстандартом Российской Федерации Орган по сертификации минерального сырья, продуктов и отходов его переработкисоздан аккредитованный Испытательный центр в составе двух лабораторий (аналитической и радиационного контроля), специализирующийся на исследованиях минерального сырья (в том числе техногенного), воды, воздуха и почвразработаны автором или при его участии и аттестованы органами Госстандарта России 7 методик и 2 методические рекомендации на анализ и опробование объектов окружающей среды, предложена технология радиоэкологических исследований нефтегазопромыслов.

Практическая ценность и реализация результатов заключается в том, что разработаны новые методики и способы измерений, аппаратурно-методические комплексы, создающие реальную основу для усовершенствования современных ядернофизических технологий, обеспечивающие эффективное решение основных геологических задач с увеличением точности и достоверности результатов, что и создает условия для целенаправленного управления мониторингом геологической среды (литомониторингом).

Разработка методик и способов измерений сопровождалась созданием соответствующих средств аппаратурного, метрологического и алгоритмического обеспечения, что способствовало достаточно оперативному их внедрению в производство. При непосредственном участии автора, разработки внедрены в ряде производственных и научно-исследовательских организаций страны (АО «Мегионнефтегаз», АО «ЧЭМК», СФ НИКИЭТ, АО «Ярославский ГОК», АО «Сибнефть», АО «НТМК» и др.). На предприятиях Урала и Сибири внедрено 8 аппаратурно-методических комплексов для экспрессного анализа объектов окружающей среды Урала и Сибири.

Кроме того, результаты теоретических и методических исследований, методические разработки с различной степенью полноты использованы для обоснования идеологии, принципов построения и создания Органа по сертификации минерального сырья, продуктов и отходов его переработки, в состав которого входят две аккредитованные Госстандартом РФ лаборатории. Непосредственно для контроля геоэкологических объектов разработаны и утверждены Госстандартом РФ 5 методик.

Материалы комплексных исследований были использованы при составлении моделей техногенных месторождений Урала — отвалов АО «ЧЭМК», Качканарского ГОКа, нескольких медеплавильных комбинатов, Рефтинской ГРЭС, а также Западной Сибири (Западно-Тугровское нефтяное месторождение, промышленных объектов АО «Нижневартовскнефтегаз», «Черногорнефть»).

Результаты научных исследований диссертанта используются в лекционных курсах, читаемых автором в Уральской государственной горногеологической академии, а практика их внедрения нашла отражение в 22 дипломных работах и 4 кандидатских диссертациях.

Материалы выполненных исследований являются составной частью отчетов по грантам Госкомвуза РФ «Изучение дисперсий ядернопетрофизических свойств горных пород медноколчеданных месторождений Урала» (1994 г.), «Разработка ядернофизических методов контроля и автоматизации технологических процессов промышленных предприятий» (1995 г.), «Разработка методологии исследования редкометальной и радиоактивной минерализации в промпродуктах уральских предприятий и окружающих их территорий» (1995 г.), кроме того, они нашли свое воплощение в двух правительственных проектах Свердловской области: «Проект управления окружающей средой в Свердловской области», «Проект для принятия решения по условиям хранения и использования монацита техногенного происхождения».

Увтор защипает следующие основные положения:

1. Литотехногенез, как экзогенный геологический процесс, протекающий в при поверхностной части земной коры и формирующий новые техногенные породы, при этом процессы литотехногенеза на уровне формирования новых пород и минералов сопровождаются процессами концентрации и рассеяния ряда химических элементов.

2. Комплекс методического и аппаратурного обеспечения ядернофизических, экоаналитических и сертификационных работ при исследовании объектов окружающей среды, минерального сырья, продуктов и отходов его переработки, который позволил расширить возможности геоэкологических и сертификационных работ.

3. ¡-Технологию комплексного применения ядернофизических, геологических и ¡-геохимических методов для целей разработки новых критериев оценки ¡-техногенных месторождений Урала, основанную на последовательном применении экспресс-геохимических, стандартных комплексов I геофизических исследований, аэрофотосъемок и прецизионном лабораторном анализе техногенных образований. Атлас спектров наведенной активности и характеристического рентгеновского излучения | горных пород, руд, почв и техногенных образований.

Апробация работы.

Материалы по теме диссертации докладывались и служили предметом обсуждения на различных научных симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на научно-технической конференции ЛГУ «Ядерная геофизика в геологии» (Ленинград, 1989), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Петрофизика рудных месторождений» (Ленинград, 1990), научно-технической конференции (Пермь, 1993), Всероссийском научно-техническом совещании (Пермь, 1994), Международной научно-практической конференции «Радиационная безопасность и защита населения» (Екатеринбург, 1995), научно-практической конференции «Инженерная геофизика в Уральском регионе» (Екатеринбург, 1995), Международной научно-практической.

13 конференции «Проблемы экологии и охраны окружающей среды» (Екатеринбург, 1995), Межгосударственной научно-технической конференции «Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала» (Магнитогорск, 1995), Международной геофизической конференции (С-Петербург, 1995), научно-практической конференции «Семинар по вопросам инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий» (Екатеринбург, 1995), Всесоюзной научно-технической конференции «Экология и геофизика» (Дубна, 1995), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (Пермь, 1995), научно-практической конференции «Перспективы обеспечения АО „ММК“ железорудным сырьем из Уральских месторождений» (Магнитогорск, 1995), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), Всероссийском научно-техническом совещании «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях» (Томск, 1996), научно-практическом семинаре «Проблемы экологии и охраны окружающей среды» (Екатеринбург, 1996), V Международном Симпозиуме по применению математических методов и компьютеров в геологии, горном деле и металлургии (Дубна, 1996), IV Международном форуме «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ» (С-Петербург, 1996),. Международной конференции «Охрана окружающей среды при поисках, разведке, разработке месторождений углеводородного сырья, его переработка и транспортировка» (С-Петербург, 1996), семинаре международной выставки «Урал-Экология-96,97,98» (Екатеринбург, 1996, 1997, 1998), научно-технической конференции «Техноген-97,98» (Екатеринбург, 1997,1998), Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века (Мельниковские чтения) (Пермь, 1997), Международной геофизической конференции «Москва-97» (Москва, 1997), научно-практической конференции.

Радиационная безопасность Урала и Сибири" (Екатеринбург, 1997),.

Международной научно-технической конференции «Проблемы извлечения благородных металлов из руд, отходов обогащения и металлургии» (Екатеринбург, 1997).

Исходные материалы и личный вклад в решение проблемы.

Основу диссертации составили результаты исследований, выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора, а также лично автором за время работы с 1987 года по настоящее время в Уральской государственной горно-геологической академии.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований по разработке аппаратурно-методических комплексов для определения ядернофизических исследований горных пород, руд, флюидов, природных объектов, техногенных месторождений, объектов экоаналитического контроля (почва, воздух и вода) — разработке их методического и метрологического обеспечения, а также организации и разработке рационального комплекса методов и технических средств литомониторинга, организации Органа по сертификации минерального сырья, продуктов и отходов их переработки.

При разработке аппаратурно-методических комплексов автор опирался на основополагающие работы Ю. П. Булашевича, Д. А. Кожевникова, Е. М. Филиппова, И. М. Хайковича, Е. П. Лемана, А. Л. Поляченко, Ю. Б. Давыдова, В. А. Арцыбашева, В. И. Уткина, Г. М. Воскобойникова, Г. С. Возженикова, Г. С. Вахромеева, А. В. Давыдова, Е. С. Кучурина и других ученых.

Автор благодарен своим коллегам по Уральской государственной горногеологической академии, Институту испытаний и сертификации минерального сырья, работникам производств и различных организаций (ВНИИГИС, г. ОктябрьскийЧЭМК, г. ЧелябинскСибнефть, г. ТюменьМалышевского РУ, п. МалышевеВНИИМ им. Д. И. Менделеева, г. С-ПетербургСФ НИКИЭТ, г. Заречный и др.), с которыми он сотрудничал, специалистам, принимавшим участие в обсуждении результатов исследований, за их содействие и внимание.

Автор считает своим приятным долгом выразить признательность член-корреспонденту РИА и МИА, профессору, доктору физико-математических наук Ю. Б. Давыдову за постоянное внимание и помощь в организации работ по проблеме.

Непосредственная реализация разработок на конкретных объектах Урала и Западной Сибири, внедрение конкретных методик и технологий проведены совместно с Ю. Б. Давыдовым, Е. С. Кучуриным, В. Ю. Давыдовым, А. Р. Кучу-риной, В. Ф. Рудницким, Т. А. Глушковой, А. Б. Макаровым, Н. Б. Палуловым, С. А. Игумновым, А. В. Давыдовым, В. Н. Микшевичем, В. Б. Писецким, А. И. Минцевым, О. Э. Локтионовым, И .Б. Буровым, А. В. Надяк, М. Ю. Жар-никовым, К. В. Афониным, С. И. Шаровым, О. Л. Еремейкиной, Н. С. Земцовым и др., которым автор выражает глубокую благодарность.

Автор благодарен за помощь в проведении испытаний и внедрении разработок главным специалистам ряда научных и производственных организаций Р. С. Григоряну, Е. С. Кучурину, Г. А. Огородникову, А. В. Самсо-нову, Л. И. Менькину, Р. В. Кузьминой, В. И. Фоминых, Ю. Н. Федорову и др.

Публикации Исследования и разработки автора по теме диссертации в области теории, | методики, практики, аппаратурного и метрологического обеспеченияj литомониторинга и ядернофизических измерений отражены в 112 публикациях, — в том числе в трех авторских свидетельствах, пяти монографиях, девяти инструкциях и методических рекомендациях и 11 научно-исследовательских отчетах, основные материалы представлены в 32 работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из 3 глав, введения, заключения, содержит 372 страницы текста, 40 таблиц, 86 рисунков, 4 приложения, 432 наименования литературы.

I. ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОС ALI '263J.

В настоящее время проблема контроля состояния и охраны геологической среды в районах интенсивной хозяйственной деятельности человека либо не решается совсем, либо решается лишь частично, ограничиваясь, как правило, гидрорежимными наблюдениями, рекультивацией земель в границах горных отводов и мелиорацией фунтовых оснований в случае серьезных инженерных сооружений. Между тем уже сейчас хорошо известно, что воздействие человека на геологическую среду является комплексным, многообразным и последствия такого воздействия далеко выходят за пределы собственно геологической среды, отражаясь в частности, на плодородии почвенного покрова, фауне, флоре, водных, земельных, лесных ресурсах и даже на состоянии атмосферного воздуха. Возникновение непредусмотренных и неконтролируемых антропогенных изменений геологической среды связано, в первую очередь, с природопользованием, а во вторую — с отсутствием методологии комплексного прогноза изменения геосреды, отсутствием правовой и нормативной базы защиты и рационального использования геологической среды от негативных последствий хозяйственной деятельности [1−28].

Технические средства, применяемые на службе литомониторинга, должны быть современными, надежными в эксплуатации на длительный срок в трудных климатических условиях. По возможности эти средства должны работать в автоматизированном режиме и выдавать информацию в центры любого уровня в унифицированном виде. Применяемая техника должна обеспечивать заданную программой точность измерений по всем параметрам.

Автоматизированная, постоянно действующая служба измерений состояния и свойств геологической среды немыслима без применения широкого комплекса современных геофизических средств. Уже многие существующие геофизические методы способны следить за состоянием грунтовой толщи, динамикой гидрогеологических условий, комплексом инженерно-геологических, включая криогенные, процессов. С этой целью могут быть применены радиоизотопные, ультразвуковые, сейсмические, электрические, магнитные методы и особенно методы каротажа. Однако, учитывая возможные помехи в районах интенсивной хозяйственной деятельности, приводящие к существенным искажениям сигналов вплоть до невозможности применения некоторых геофизических методов (электроразведка), а также, учитывая методологию измерений, например, измерений оползневых деформаций с помощью струнного прогибомера и т. д. самого широкого применения заслуживают полевые экспресс-методы, позволяющие практически мгновенно получать нужную информацию без отбора и транспортировки проб (гидрохимические лаборатории, полевые инженерно-геологические лаборатории и др.) [ 1,2].

В случае невозможности организовать постоянный контроль с помощью автоматической аппаратуры, следует прибегать к периодическим натурным обследованиям геологической среды, использовать ручные способы ведения литомониторинга, с соответствующим бурением скважин, проходкой горных выработок и опробованием горных пород и вод.

В ряде случаев антропогенные изменения геологической среды протекают относительно медленно. В таких случаях необходимы повторные, периодически повторяющиеся измерения ряда параметров с целью набора данных для временных рядов продолжительностью годы и даже десятилетия. Для решения такого сорта задач ВСЕГИНГЕО рекомендует разработку комплекса аэрокосмических методов контроля за состоянием геологической среды. Естественно, такие работы в обязательном порядке должны сочетаться с наземными работами на специально организованных полигонах, где можно осуществлять проверку аэрокосмических данных, а также отрабатывать ряд методических вопросов. Периодичность таких наблюдений определяется прежде всего темпом развития антропогенных геологических процессов.

Объемы и сроки выполнения таких работ должны предусматриваться в программе литомониторинга, регионального или локального уровня [7, 29].

Все вышеперечисленные методы организации литомониторинга должны применяться в соответствии с действующими ГОСТами и нормативно-техническими документами. При этом надо иметь в виду, что нормальный срок жизни любого стандарта не должен превышать 5 лет, а существующие отраслевые методики и инструкции часто бывают устаревшими и всегда преследующими интересы лишь своей отрасли.

Идеальное состояние в методах и технических средствах может быть достигнуто лишь в том случае, если весь комплекс методов и технических средств будет продуман, проанализирован с единых позиций, а разработка, проектирование и серийный выпуск приборов будет осуществляться на современном профессиональном уровне с привлечением Госстандарта России.

Современная наука располагает арсеналом современных методов, приборов и оборудования, при помощи которых можно осуществлять мониторинг геологической среды, точно оценивать многообразные физические и химические свойства горных пород, руд, промпродуктов, отходов производств и объектов окружающей среды.

Диапазон геоэкологических задач, решаемых современными методами и приборами, весьма широк — от региональных исследований земной поверхности с помощью приборов, установленных на спутниках, до детального изучения разреза земной коры при помощи аппаратуры, опускаемой в скважины.

Важная роль в комплексе геоэкологических работ отводится ядернофи-зическим исследованиям. В развитии научных исследований в области ядерных процессов и их использовании при поисках, разведке, подсчете запасов и разработке месторождений полезных ископаемых (в том числе техногенных), для контроля технологических процессов переработки минерального сырья, промпродуктов и отходов их переработки, при геофизических, геохимических, гидрогеологических, инженерно-геологических и экологических (в т.ч. радиоэкологических) работах можно выделить следующие направления ядернофизических исследований: ядерная геохимия, ядерная геофизика, ядерная петрофизика, ядерная гидрофизика, ядернофизический анализ объектов окружающей среды и ядернофизический анализ минерального сырья [30 246].

Особо следует подчеркнуть, что все перечисленные направления ядернофизических исследований теснейшим образом переплетаются при мониторинге геологической среды.

Ядерная геохимия. Открытие явления радиоактивности и исследования в области ядерной физики коренным образом изменили представления о структуре материи, привели к перестройке всего фундамента естествознания, способствовали возникновению и развитию глубоких теоретических построений и проведению тончайших экспериментов не только в области физики и химии, но и в области изучения Земли.

Применение результатов исследований в области радиоактивности для изучении геологических образований началось еще в то время, когда неизвестно было, что радиоактивность является свойством ядра.

В первые же годы после открытия радиоактивности урановых и других радиоактивных минералов возник вопрос о возможности практического использования нового вида энергии и новых свойств.

Интенсивное изучение природы радиоактивного распада, начавшееся в конце XIX века и не увенчавшееся успехом, дало возможность в начале XX века установить ряды распада основных радиоактивных элементов и их конечные продукты, определить постоянную скорость распада для каждого радиоактивного ряда, выявить определенные закономерности в постоянстве соотношений между материнским и дочерними продуктами распада. Одновременно начали проводиться определения радиоактивности горных пород, минералов, океанических и других вод и осадков. Эти исследования показали широкую распространенность радиоактивных элементов в земной коре и возможное влияние радиоактивности на ход геологических процессов. Надо отметить, что, несмотря на несостоятельность первых попыток увязать динамику земной коры с явлением радиоактивности и трудности даже в подходе к решению проблемы тепловой истории Земли, важная роль радиоактивного распада в физической жизни нашей планеты была признана позднее многими геологами, геофизиками и геохимиками [247].

Ядерной геохимией называется раздел геохимии, изучающий радиоактивные ядра (радионуклиды) и связанные с ними ядерные процессы в земном веществе. На Земле известно множество радионуклидов различного генезиса: первичные природные радионуклиды и их продукты распада, космогенные радионуклиды, радионуклиды антропогенного происхождения. Особые свойства радионуклидов позволяют использовать их в качестве трассеров и геохронометров самых разнообразных процессов, начиная от нуклеосинтеза, эволюции системы кора-мантия и кончая современными процессами в биосфере, атмосфере, гидросфере и на поверхности литосферы [248].

Исследования в области ядерной геохимии начались вскоре после открытия радиоактивности. Достаточно напомнить, что свои первые работы Мария и Пьер Кюри выполнили на природной урановой смоляной руде. Многие важнейшие открытия и идеи в области ядерной геохимии принадлежат Пьеру Кюри. В 1903 г. он совместно с Л. Лабордом обнаружил, что радиоактивный распад сопровождается выделением тепла, количество которого пропорционально числу распадающихся атомов: «Этим открытием был впервые в геологии научно поставлен вопрос о реальном источнике энергии геологических процессов» [Вернадский, 1954]. В России В. И. Вернадский был первым, кто понял огромную важность изучения радиоактивных процессов для геологии [249].

Первой задачей, поставленной В. И. Вернадским перед отечественной наукой, было исследование радиоактивных минералов и их месторождений на территории России.

С проблемой радиоактивности горных пород тесно связано исследование термической истории Земли и современной геотермики. Наиболее крупным исследователем в этой области является Е. А. Любимова [250]. Интересные работы выполнены А. А. Смысловым с сотрудниками, Б. Я. Смирновым, Б. И. Кононовым, Б. Г. Поляковым и др. [251−255].

Поисковое направление в первый период своего развития было сориентировано главным образом на поиски радия, который в то время являлся единственным источником радиоактивного излучения. Работами 20−30-х годов было обнаружено большое содержание радия в высокоминерализованных хлоридно-кальциево-натриевых пластовых водах нефтяных месторождений (Л. Н. Богоявленский, В. И. Вернадский, В. И. Баранов, И. Д. Курбатов, В. В. Чердынцев и др.) [256−258]. Из нефтяных рассолов было налажено промышленное извлечение радия (Погодин, Либман, 1977) [257].

Второй этап развития поисково-геохимического направления ядерной геохимии был связан с поисками сырья для атомной промышленности — месторождений урана. В течение 30—40-х годов основным объектом изучения были граниты, наиболее обогащенные радиоактивными элементами по сравнению с другими типами пород (Л. В. Комлев, В. И. Герасимовский и др.). Начиная с 50-х годов интенсивно исследуется геохимия урана в связи с процессами рудообразования. (А. И. Перельман, А. К. Лисицын, В. М. Гавшин, Б. И. Омельяненко, А. А. Смыслов, Е. В. Плющев, Я. Н. Белевцев, Р. П. Ра-фальский и др.).

В процессе развития поисковой геохимии урана возникло новое самостоятельное направление, получившее применение в разнообразных областях геологии, это — изучение соотношения отдельных радионуклидов, входящих в природные ряды распада. Метод, использующий эти соотношения, в настоящее время называется изотопным неравновесным методом. Его создателем является В. В. Чердынцев, который предсказал теоретически, а затем совместно со своим аспирантом П. И. Чаловым доказал аналитически наличие изо.

АЛ 1 ЛЛП топных сдвигов в природном уране для отношения и/ и. В дальнейшее развитие метода, помимо его авторов, большой вклад внесли Н. Ф. Сыромятников, К. Е. Иванов, В. Й. Малышев, Н. А. Титаева, В. Л. Зверев и др.

Одним из важнейших направлений ядерной геохимии можно считать развитие радиологических методов геохронологии. Их становление и развитие в нашей стране тесно Связано с именами В. И. Виноградова, А. И. Тугари-нова, И. Е. Старика, В. И. Баранова, Э. К. Герлинга, Л. В. Комлева, Н. П. Се-мененко, Ю. А. Шуколюкова и др. Современный этап развития ядерной геохимии, наряду с традиционными направлениями, характеризуется широким развитием изотопной геохимии, использующей изотопные отношения в качестве природных трассеров геологических процессов. Другим современным направлением является изучение геохимии радионуклидов антропогенного происхождения и их использование в качестве радиоактивной геохимической метки.

Широкое развитие получило исследование радиационных изменений среды. Геохронологические работы в этом направлении, использующие соотношение доза-эффект, интенсивно развиваются (Ю. А. Шуколюков, А. Н. Комаров, В. К. Власов, А. С. Марфунин, А. И. Шлюков, Г. И. Хютт и др.). Интересные работы, доказывающие радиолитическую природу многих геохимических явлений в подземных водах, были выполнены И. Ф. Вовком и Л. Н. Гуцало.

Ядерная геофизика. Новые радиоактивные методы изучения изотопного состава природных образований послужили основанием для использования радиоактивных излучений элементов горных пород при разведке полезных ископаемых [32, 36, 38−46]. Проведенная впервые в СССР в 1920 г. при поисках и разведке радоновых источников радиометрическая съемка в последующие годы широко применялась при поисках радиоактивных руд и минералов во всех странах. Особенно широкий размах новый вид разведки достиг в 50−60-х годах в Канаде, где использовались специальные радиометры, установленные на самолетах и вертолетах, позволившие обследовать на радиоактивность всю территорию страны.

К радиоактивным методам разведки относятся методы изучения геологического разреза нефтяных и газовых скважин по регистрации естественной, а затем и наведенной активности горных пород, слагающих геологический разрез. Метод был разработан в СССР в 1937 г., получив название радиоактивного каротажа, затем усовершенствован в США и ФРГ, где в 1941 г. впервые предложено использовать нейтронные источники облучения пород и регистрировать их ответное излучение. Важнейшим шагом в развитии методов изучения радиоактивности геологического разреза было предложение Г. Н. Флерова изучать вызванное нейтронное излучение пород не только в пространстве (по разрезу), но и во времени с применением импульсного генератора нейтронов. Ядернофизические методы изучения геологических разрезов, в первую очередь нефтяных скважин, в настоящее время широко применяются при контроле за геологическими процессами, протекающими на больших глубинах, например при контроле за продвижением фронта закачиваемой воды или газа на крупнейших месторождениях нашей страны.

Были разработаны самые разнообразные ядернофизические методы, повышающие эффективность поисков и разведки полезных ископаемых. Использование ядернофизических основ дало возможность разрабатывать методы, выявляющие пространственно-временное распределение урана, тория, бора и лития, например, с одновременным определением их локальной и общей концентрации в минералах, образцах горных пород, природных водах и нефтях.

Ядернофизические методы изучения горных пород, получившие название ядерногеофизических, занимают важное место в комплексе методов, использующихся при поисках, разведке и контроле разработки месторождений полезных ископаемых. Становление и развитие ядерной геофизики началось в 20-х годах с разработки аппаратуры и методов регистрации радиоактивных излучений в полевых условиях (Л. Н. Богоявленский, А. П. Кириков,.

A. Г. Грамматиков, Г. В. Горшков и др.). Эти методы особенно бурно развивались в 40-х годах в связи с ростом потребностей в уране, были разработаны разнообразные методы, включая гамма-спектроскопию и измерение гамма излучения с самолета. В 30-х годах был предложен метод измерений гамма-активности в скважинах (Г. В. Горшков, Л. М. Курбатов, В. А. Шпак, 1933 г.), начиная с 30-х годов методы ядерной геофизики, основанные на облучении горных пород ядерными излучениями искусственных источников и регистрации продуктов ядерных реакций (вторичные гамма-кванты, нейтроны) или же рассяенного излучения. Первый из таких методов, нейтрон-нейтронный, заявлен в США в 1938 г., второй нейтронный гамма-метод исследования скважин предложен и осуществлен Б. Понтекорво в 1941 г. Примерно в то же время разработан нейтронный активационный анализ (Г. Хевеши, X. Леви). В дальнейшем число таких предложений быстро растет: гамма-нейтронный метод (Б. С. Айдаркин, Г. В. Горшков, А. Г. Грамматиков, 1946 г.), метод рассеянного гамма-излучения (Ф. Холленбах, 1947 г.), рентгенорадиометрический метод (Л. Рейфел, Р. Хемфрид), метод ядерно-резонансного поглощения и рассеяния гамма-квантов (В. Н. Гольданский, А. В. Доленко и др.), импульсный нейтронный (Г. Н. Флеров, 1956 г.).

Практическая реализация и дальнейшее совершенствование этих методов осуществляется в 50−60-х годах. В СССР они разрабатывались при изучении разрезов нефтяных и газовых скважин многими исследователямиФ. А. Алексеевым, О. А. Барсуковым, Д. Ф. Беспаловым, Ю. Г. Гулиным,.

B. Н. Дахновым, И. Г. Дядькиным, В. Г. Ерозолимским, В. М. Запорожцем,.

Н. К. Кухаренко, Б. Б. Лапуком, В. В. Ларионовым, С. А. Кантором, А. Л. Поляченко, А. И. Холиным, Ю. С. Шимелевичем и др., твердых полезных ископаемых — Ф. А. Алексеевым, В. А. Арцыбашевым, А. М. Блюменцевым, Ю. П. Булашевичем, Г. С. Возжениковым, Г. М. Воскобойниковым, Д. И. Лейпунской, В. А. Мейером, А. П. Очкуром, И. И. Фельдманом, Е. М. Филипповым, А. Л. Якубовичем и др.

Развитие теоретических основ нейтронных методов было заложено трудами Ю. П. Булашевича, С. А. Кантора, В. Ф. Захарченко, Д. А. Кожевниковым, А. А. Поляченко, гамма-гамма методов — И. Г. Дядькина, Г. М. Воско-бойникова, В. А. Арцыбашева, рентгенорадиометрического каротажаВ. А. Мейера, А. П. Очкура, Е. П. Лемана, нейтронного активационного каротажа — Ю. С. Шимелевича, Д. И. Лейпунской, Г. С. Возженикова, К. И. Якуб-сона, спектрометрического нейтронного гамма-каротажа — Ю. П. Булашевича, Е. М. Филиппова, А. Ф. Постельникова, спектрометрического гамма-каротажа — И М. Хайковича, В. Л. Шашкина, Ю. Б. Давыдова, Е. С. Кучури-на и др. Из зарубежных исследователей большой вклад в становление методов ядерной геофизики внесли И. В. Титтл, Я. П. Чубек, Л. С. Аллен, Р. П. Колдуэлл и др.

В области методического обеспечения и разработки технических средств ядерногеофизического каротажа крупный вклад внесли такие видные ученые как В. А. Мейер, Е. В. Карус, А. П. Очкур, Е. И. Крапивский, Ю. А. Гулин, Е. П. Леман, А. П. Поляченко, Е. М. Филиппов, А. А. Хайдаров, В. П. Шашкин, А. С. Штань, Ю. В. Давыдов, А. Л. Якубович, В. Я. Ямщиков,.

A. Ю. Большаков, И. И. Фельдмаг, И. П. Кошелев, В. О. Шишахин, Д. А. Кожевников, В. А. Красноперое, В. С. Камышев, Г. Г. Козлов, В. М. Ко-лесов, И, В. Томский, С. Ф. Федоровский, В. Я. Бородовский, В. И. Уткин,.

B. В. Бахтерев, В. В. Шестаков, Е. Б. Лухминский, Г. А. Иванюкович, В. С. Нахабцев, Г. А. Пшеничный, А. М. Блюменцев, В. Ф. Караниколо, Е. А. Соколов, А. Ф. Постельников, Л. З.'Зив, А. В. Давыдов, Е. С. Кучурин и многие другие. Благодаря работам таких ученых к началу 80-х годов определились место и роль ядерногеофизических методов и их комплексов в технологиях геологоразведочных работ при поисках и разведке различных полезных ископаемых, и данные ядерногеофизических исследований стали широко использоваться для уточнения подсчетных параметров разведываемых залежей рудных и угольных месторождений. В последние два десятилетия центр тяжести научно-исследовательских работ по развитию ядернофизиче-ских методов каротажа в нашей стране сместился, в основном, на развитие и внедрение рентгенорадиометрического каротажа, объемы применения которого на рудных месторождениях к концу 80-х годов достигли 75−95%, тогда как по остальным ядерногеофизическим методам — 15−25%. Отмеченное объясняется не столько благоприятными аналитическими возможностями метода РРК, сколько высоким уровнем разработанности технических средств для возбуждения и детектирования рентгеновского излучения, способствующих глубокому изучению физических процессов переноса рентгенорадиометрического излучения в горных породах и рудах различного вещественного состава. Прикладные возможности других ядерногеофизических методов каротажа исследованы менее полно, хотя по аналитическим возможностям многие из них являются уникальными, позволяя исследовать большие массы пород [191].

Радиоэкология. Рассеянные в литосфере, гидросфере и атмосфере уран-238, торий-232, калий-40, рубидий-87 и другие естественные радионуклиды, как было установлено, участвуют во всех геохимических, геологических и экологических процессах [259].

Кроме того, в 40-х годах в связи с появлением ядерных реакторов, испытаниями и применениями ядерного оружия в природе сильно увеличилось количество искусственных радиоактивных изотопов. В атмосферу, гидросферу и биосферу было внесено большое количество стронция-90, цезия-137, углерода-14 и других радионуклидов. Были разработаны разнообразные ядер-нофизических методы наблюдений в глобальных масштабах некоторых динамических процессов в гидросфере и литосфере.

В 50-х годах проникновение ядерной физики в науки о Земле еще более усилилось, возрос интерес к геофизике, геохимии, океанографии и наукам, занимающимся исследованиями космического пространства. В Мировом океане выявлены радиоактивные поля и среды искусственных радионуклидов «взрывного» происхождения. Во многих странах, в том числе в Советском Союзе, было проведено большое число специализированных исследований загрязнения моря и океанов глобальными выпадениями осколков деления при ядерных испытаниях и взрывах. В 50-х годах американскими и японскими исследователями было установлено быстрое загрязнение вод Тихого океана, в частности у берегов Калифорнии, вод Средиземного моря в районе Лионского залива за счет попадания отходов атомных производств и исследовательских центров.

Время определило новое направление ядернофизических исследований, которое названо советскими учеными А. М. Кузиным, А. А. Передель-ским и американским профессором Е. Одумом в 1956 году термином «радиоэкология».

Антропогенное загрязнение естественными радионуклидами (торий-232, уран-238, уран-235, продукты их распада, а также калий-40) может возникнуть при извлечении и переработке многих полезных ископаемых. В результате этих процессов в биосфере появляются локальные участки с концентрацией радионуклидов, существенно превышающей естественный фон. Такие участки относят к разряду малоактивных загрязнений. Однако участие в них некоторых долгоживущих естественных радионуклидов с очень большим периодом полураспада делает загрязнение подобного рода опасным, поскольку они могут существовать практически бесконечно. Подобная аномалия является постоянным источником высокоэнергетичных короткоживущих радионуклидов, среди которых особую опасность представляют газообразные изотопы радона [260].

Все предприятия ядерного топливного цикла служат источниками поступления радионуклидов в окружающую среду, как в процессе производства, так и при их хранении и захоронении. Но основное количество естественных радионуклидов поступает в биосферу в процессе добычи и переработки урановой руды, разделения изотопов урана и производства ядерного топлива.

Локальное, а в некоторых случаях и глобальное загрязнение биосферы тяжелыми естественными радионуклидами происходит главным образом на первом этапе — в процессе добычи и переработки урановой руды.

Важным источником естественных радионуклидов в биосфере является добыча, переработка и использование фосфатных удобрений.

Одной из причин повышения радиоактивного фона в некоторых районах является использование более радиоактивных, по сравнению с почвой, геологических пород в качестве строительного материала (например, при повышенном содержании урана-238, тория-232 и калия-40 в таких традиционных строительных материалах, как каменный строительный камень, песок, гравий и др. или материалах, произведенных и с использованием промышленных отходов).

Техногенный источник увеличения естественного радиоактивного фона дает больший вклад в дозу облучения населения, чем использование удобрений или выбросов естественных радионуклидов с летучей золой ТЭС.

В последнюю четверть XX в. в десятки раз возросло потребление энергетического сырья (уголь, нефть, газ, торф), что сопровождается перемещением на земную поверхность большого количества некоторых химических элементов, в т. ч. радиологически значимых естественных радионуклидов.

Негативное воздействие предприятий угольного цикла на население по всем масштабам и многообразию может превосходить влияние ЯТЦ. Помимо постоянных выбросов в атмосферу продуктов сгорания угля, еще одним важным фактором является большой объем отходов, утилизация и хранение которых также может приводить к загрязнению окружающей среды.

С 1920;х гг. известно, что пластовые воды нефтяных и газовых залежей, особенно в зоне водо-углеводородного контакта, отличаются повышенным содержанием естественных радионуклидов. Радиоактивность таких вод обусловлена прежде всего высокой концентрацией радия-226, содержание которого в 100−1000 раз превышает радиоактивный фон. Разлив радиоактивных вод вокруг скважин приводит к загрязнению почвы в районе промысла.

Следует подчеркнуть, что изучение радиоактивности минералов, горных пород, руд, природных вод и других природных и техногенных объектов, с одной стороны, и физико-химическое их изучение — с другой, способствовали формированию новых ядернофизических направлений: ядерная петро-физика, ядернофизический анализ минерального сырья и ядернофизический анализ объектов окружающей среды.

Ядерная петррфизика. Исследования по разработке методов и технических средств ядерной петрофизики в нашей стране ведутся систематически более 30 лет. В области методического обеспечения и разработки технических средств ядерной петрофизики крупный вклад внесли СмысловА. А., Кабранова В. Н., Филиппов Е. М., Кожевников Д. А., Булащевич Ю. П., По-ляченко А. Л., Воскобойников Г. М., Арцыбашев В. А., Хайкович И. М., Мей-ер В. А., Уткин В И., Шестаков В. В., Давыдов Ю. Б., Бахтерев В. В., Кучу-рин Е. С. и другие исследователи [30−67].

Развитие теоретических основ, методического обеспечения и разработки технических средств было заложено: по естественной радиоактивности — Смысловым А. А., Кабрановой В. Н., Арцыбашевым В. А., Новиковым Г. Ф., Резвановым Р. А., Давыдовым А. В. и др. [68−78]- радиологическим свойствам радиоактивных руд и спектральным характеристикам гамма-излучения естественных радионуклидов — Шашкиным В. Л., Пруткиной М. ТТ., Новиковым Г. Ф., Капковым Ю. Н., Хайковичем И. М., Резвановым Р. А., Барановым В. И., Титаевой Н. А., Коганом Р. М. [79−91]- гамма-лучевым свойствамПшеничным Г. А., Очкуром А. П., Варвариным Г. Б., Филипповым Е. М., Уткиным В. И., Воскобойниковым Г. М., Гулиным Ю. А., Давыдовым А. В., К^-чуриным Е. С. [92−113]- характеристическому рентгеновскому излучениюЯкубовичем А. Л., Леманом Е. П., Зайцевым Е. И., Пржиялговским С. М., Мейером В. А., Пшеничным Г. А., Плотниковым Р. И., Томским И. В., Большаковым А. В. [114−127]- нейтронной и наведенной активности, параметрам переноса нейтронного и гамма-излучения — Кожевниковым Д. А., Филипповым Е. М., Булашевичем Ю. П., Поляченко А. Л., Зайцевым Е. И., Ларионовым В. В., Давыдовым Ю. Б, Лейпунской Д. И., Возжениковым Г. С., Бахте-ревым В. В., Якубсоном К. И., Шестаковым В. В., Шимелевичем Ю. С., Кантором С. А. [128−153].

Ядерная петрофизика является неразрывной, составной частью геофизики, тесно связанной с физикой веществ и петрологией. Ядернофизические свойства — это характерные качества присущие веществам (твердым, жидким, газообразным): их естественная радиоактивность, спектральная характеристика естественных радионуклидов, линейный коэффициент ослабления гамма-излучения, эффективный атомный номер, наведенная активность, нейтронная характеристика и др. Большинство полезных ископаемых обладает аномальными ядернофизическими свойствами, что широко используется в геологии, промышленности и технике, как напрямую, так и через корреляционные зависимости.

По расшифровке спектров естественного и наведенного гамма-излучения, характеристического рентгеновского излучения различных проб и объектов возможно количественное определение практически всех элементов, встречающихся в природе, техногенных образованиях [154−169]- определение плотности, пористости, водосодержания, глинистости, минерализации, давления, температуры различных объектов — через гаммаи нейтронные параметры [170−179]- через ядернопетрофизические свойства и параметры возможна количественная оценка полезных компонентов горных пород, литоло-гическое расчленение горных пород, локализация оруденения, качественная оценка и разделение по технологическим типам руд, определение объемной массы донных отложений, водо-, нефтеи газонасыщенности коллекторов нефти и газа, радиологических характеристик материалов и объектов окружающей среды [180−203].

В связи с аппаратурно-методическим развитием ядерной петрофизики становится все более важным комплексное использование методов ядерной петрофизики совместно с различными видами геологических, геохимических и других работ для решения задач ядернопетрофизических исследований природных и техногенных объектов. Автором отработана технология ядер-нофизических исследований для геологических территорий с техногенной нагрузкой.

Наибольшее развитие ядернопетрофизические методы получили на Урале при поисках и разведке колчеданных месторождений (Давыдов, Тала-лай, Кучурина, 1990).

Ядернофизический анализ минерального сырья. Ядернофизический анализ для элементного анализа горных пород, руд и продуктов их переработки получил в последние годы большое развитие и широкое применение (Якубович, Зайцев, Пржиялговский, 1982) [114].

По условиям своего применения методы ЯФА можно разделить на две группы:

1. Методы, нуждающиеся для своей реализации в стационарном оборудовании (атомные реакторы, ускорители заряженных частиц и т. п.), в специально оснащенных помещениях, приспособленных и для проведения радиохимических исследований.

2. Методы с компактным аппаратурным оформлением, не требующие специально оборудованных помещений, рассчитанные на применение в условиях любой, в том числе и полевой, лаборатории.

К первой группе методов относят нейтронный активационный анализ с применением реакторов, гамма-активационный анализ с применением микротронов, линейных ускорителей электронов и некоторые другие методы. Важное преимущество методов этой группы — их высокая чувствительность, часто недостижимая другими методами анализа, возможность одновременного определения нескольких элементов из одной навески пробы и др.

Вторая группа включает методы, основанные на применении радионук-лидных источников ионизирующих излучений и компактной анализируемой аппаратуры. К этой группе относятся: а) радиометрический и рентгенорадио-метрический методы анализаб) методы, основанные на рассеянии или поглощении различных видов ионизирующих излучений, фотонно-нейтронный и активационный методы с применением ампулированных источников и т. п. Основные преимущества методов второй группы — высокая экспрессность и большая производительность, мобильность и надежность анализируемой аппаратуры, простота выполнения анализа, возможность его проведения в непосредственной близости от объекта геологоразведочных работ.

Если применять методы анализа первой группы целесообразно в тех случаях, когда поставленная аналитическая задача не решается или решается сложно другими, более доступными и простыми методами анализа, то применение ядернофизических методов второй группы, как правило, оправдывается во всех случаях, когда данный метод может быть привлечен для решения поставленной задачи, даже если эта задача решается практикуемыми методами анализа.

В таблице 1.1 показаны возможности отдельных ядернофизических методов анализа. Из таблицы видно, что при помощи этих методов можно определить подавляющее большинство интересующих практику элементов. Мно.

Таблица 1.1.

Данные ядернофизических методов анализа [114].

Метод анализа Определяемые элементы Масса пробы, г Пределы обнаружения, % Порешность определения, отн. % Производительность определений (количество определений за 6 ч) Время анализа) Мешающие элементы Область применен].

1 2 3 4 5 6 7 8 9.

Радиометрический Спектрора-диометриче-ский U, Ra, Th 0,1−200 п-10″ 5 в эквиваленте урана 20−30 в интервале содержаний до 10'3% 4−6 30−60 мин Взаимное влияние Раздельное определен" радиоактиЕ ных элеме* тов вгорю породах.

К п-10″ 2 10−15 в интервале до 10'2% 10−15 10−20 мин Тоже То же.

5−10 для содержаний выше 10″ 2% 20−40 3−10 мин Тоже Тоже.

Радиохимический Ra 2−10 п-10″ 12 1−7 дней То же То же.

Th (3−5-5) — Ю-3 10−20 15−20 3−30 мин То же То же.

С временной селекцией воспринимаемых излучений V, Ra, Th, К 20 п-10'5 в эквиваленте урана 5−15.

Изотопы Ra 5 п-10'13 2−5 30−50 1−3 дня То же То же.

1 2 3 4 5 6 7 8 9.

Активационный.

Нейтронный. а) с применеА1, 81, Б, 1п и 0,5−50 п-Ю'^п-Ю*1 5−20 10−20 15−120 мин Элементы с Анализ рус нием ампудр. элементы высоким сепродуктов лированных чением актипереработк источников вации и Туг, близким к анализируемому б) с ИспольБольшинство 0,01−1 п-10'7-п-10'3 5−20 5−15 1−30 дней Наибольшие Анализ гор зованием реэлементов помехи оканых пород акторов зывают элементы, ради-нуклиды которых испускают тот же вид излучений, что и анализируемый, и с близким к анализируемом^' спектральным составом при геохил' ческих пои ках. Анали малых наве сок минера лов и>

1У1.

1 2 3 4 5 6 7 8 9.

ГаммаАи, Ag, 1п, п-Ю^-п-Ю" 1 5−20 10−15 1−30 мин Нуклиды с Анализ гор активационп До 500 Для Аи при- 20с (Аи) близкими пеных пород ный с примеРидр. мерно 500 риодами поРУД нением усколураспада, рителей видом и энергией излучения. При определении Аи по реакции (уу')-продукты фотоделения ииТИ.

Рентгенорадиометрический.

ФлуоресЭлементы с 0,001−10 п-10'14-п -10″ 1 5−15 25−100 2−20 мин Элементы, Анализ рун центный г>13 (АЬ, Р, Са, 71, Бе, Мо, Бп, У, Та и др.) испускающие характеристическое излучение, близкое по спектральному составу к анализируемому минералов концентрат.

АбсорбционЭлементы с 1−20 п-Ю^-п-Ю*1 5−15 15−60 4−10 мин Элементы с Анализ рас ный г>25−30 Си, Та, II и др.) близким к анализируем ому Кили Ь-краям поглощения творов.

1 2 3 4 5 6 7 8 9.

Методы, основанные на использовании излучений, возникающих в процессе ядерных реакций:

Фотонно-нейтронный с примен. ампулир. источников Ве, Р 10−200 п-Ю^-п-Ю'2 5−15 40−100 5−20 мин Элементы с высоким сечением поглощения нейтронов Анализ гор ных пород, руд, конце! тратов, ана лиз вод.

Методы, основанные на использовании реакций (а, п), (а, л, у и (п, а).

Методы, основан. на регистр. у-излуч. радиа-цион. захвата Ве, В, П 01−2 п-Ю^-п-Ю'1 10−20 15−60 5−20 мин Взаимное влияние Анализ руд концентрат.

Методы, основан. на по-глощ./ рассеян. излучен. Щ, Ре, № и некоторые другие элементы 10−500 ШО" 1 10−30 10−25 3−20 мин То же То же.

Нейтронно-абсорбционный В, Сй, и, ва и др. элементы с высок, сечен, погл. медл. нетронов 10−50 ШО'2 -п-10″ 1 5−20 20−100 3−10 мин Взаимные помехи Анализ гор ных пород, руд и продуктов их г реработки.

По рассеянию Ри у-излучений Тяж. элем. (РЬ,? и др.) в легк. средах 3−10 п-10*1 10−50 50−100 0,5−3 мин То же Анализ прс стых сред.

С использованием эффекта Мес-сбауэра Бп (касситерит) 1−5 п-10″ 2 5−15 15−50 4−20 мин То же Анализ руд продуктов: переработк и) гообразие и непрерывно возрастающая сложность аналитических задач диктуют необходимость в рациональном комплексировании существующих методов элементного анализа. Ясно, что физические методы анализа превосходят химические методы по экспрессности и производительности определений. Известно, что физические методы, как правило, основаны на относительном способе измерений, при котором содержание определяемого элемента в пробе сравнивается с содержанием этого же элемента в стандартном препарате.

При анализе горных пород и руд ядернофизическими методами также целесообразно их комплексировать. Такое комплексирование позволяет существенно расширить диапазон концентрации определяемых элементов и решать многообразные аналитические задачи с минимальными затратами средств, сил и времени (Якубович и др., 1982).

Один из примеров рационального комплексирования ядернофизиче-ских методов анализа — это комплекс инструментального активационного и рентгенорадиометрического методов анализа. Методы дополняют возможности друг друга при необходимости анализа проб в широком диапазоне концентрации определяемых элементов (от п-10″ 6 до п-10%) — при этом расширяется и круг определяемых элементов.

Для анализа активированных проб по мягкому гаммаили характеристическому излучению образующих радиоактивных нуклидов может быть применена та же аппаратура, что и для рентгенорадиометрического анализапрограммы обработки результатов измерений с помощью ЭВМ при многокомпонентном анализа тем и другим методами имеют много схожего.

Важная задача комплексирования ядернофизических методов — повышение точности определений за счет уменьшения влияния вещественного состава исследуемых проб. Для разных методов анализа характерны различные мешающие элементы, поэтому в зависимости от состава исследуемых проб целесообразно применять тот или иной метод анализа.

Сочетание различных ядернофизических методов дает возможность определять в исследуемой пробе содержание как анализируемого, так и мешающего элементов для последующего внесения поправок в результаты анализа.

Так, например, при рентгенорадиометрическом определении некоторых элементов середины периодической системы элементов Д. И. Менделеева по К-серии характеристического излучения мешающими оказываются радионуклиды, излучение Ь-серии которых попадает в окно анализатораопределению ЫЪ мешает присутствие ТЬ, определению У — наличие в пробах и и т. д. Содержание радионуклидов в таких пробах можно легко оценить радиометрическими методами, применяя практически ту же анализирующую аппаратуру, что и для рентгенорадиометрического анализа. При использовании методов анализа, основанных на испускании нейтронов ядрами анализируемых элементов [фотонно-нейтронный метод анализа, анализ по реакциям (а, п) и т. п.] мешающее влияние оказывают элементы, ядра которых сильно поглощают нейтроны, однако определение содержания таких элементов в пробах просто и быстро осуществляется нейтронно-абсорбционным методом анализа.

При исследовании вещественного состава горных пород и руд возможности ядернофизических методов не исчерпываются только элементным анализом. Эти методы могут быть с успехом привлечены для решения более широкого круга задач. Так, например, уже проведены успешные эксперименты по реализации возможностей эффекта Мессбауэра для оценки фазового состава руд, в частности для определения формы соединения Ре в рудах черных металлов. Ведутся исследования по разработке экспрессных ядернофизических методов анализа изотопного составаспособствует решению этой сложной задачи то обстоятельство, что по своим ядерным свойствам изотопы одного и того же элемента различаются порою сильнее, чем атомы разных элементов.

Многообразны возможности ядернофизических методов для изучения пространственного распределения того или иного элемента в горной породесуществующие методы аи {-радиографии позволяют исследовать распределение ряда элементов в образце.

Важная особенность ядернофизических методов недеструктивного анализа — дистанционность измерений, что предопределяет возможность их применения для ускоренной оценки элементного состава руд и горных пород в естественном залегании без отбора проб. Например, разработанную к настоящему времени переносную аппаратуру с успехом используют для рентге-норадиометрического опробования руд на многие интересующие практику элементы, а также для каротажа скважин, существует переносная аппаратура для определения в горных породах бериллия фотонно-нейтронным методом и т. п.

Благодаря высокой экспрессности и большой производительности, дис-танционности измерений и простоте выполнения анализов, надежности анализирующей аппаратуры и возможности ее применения непосредственно на объектах исследования ядернофизические методы получают возрастающее применение не только на всех стадиях поисково-разведочных работ, но также для автоматизации контроля и управления процессом обогащения и технологической переработки минерального сырья.

Одно из перспективных направлений — ядернофизическое опробование руд в процессе транспортировки из дробильного забоя, позволяющее более точно разделить поток добываемого сырья по его промышленной ценности (Шестаков, 1987). Ядернофизическое опробование руд в процессе транспортировки при выборе ядернофизических исследований зависит от глубинности, «порога чувствительности» метода, а также вида транспортируемых средств (на ленте транспортера, в ковшах экскаватора, вагонетках, автосамосвалах, вагонах). По глубинности исследований методы разделены на три группы: повышенной (10−30 см) — гамма-метод, гамма-нейтронный метод, нейтрон-нейтронный метод, нейтронный гамма-метод, нейтронный актива-ционный методсредний (5−15 см) — гамма-гамма-методнизкой глубинности (миллиметры — доли миллиметров) — рентгенорадиометрический и рентге-нофлуоресцентный методы, резонансный гамма-гамма-метод [5]. Порог чувствительности ядерногеофизического анализа на некоторые элементы приведен в таблице 1.2. (Филиппов, 1962; Плотников, Пшеничный, 1973) [5].

Таблица 1.2.

Порог чувствительности ядерногеофизического анализа на некоторые элементы при опробовании руд с пропорциональным и сцинтилляционным детектором.

Элемент Метод Порог чувствительности, абс. %.

Алюминий НГМ 10−20.

Барий ГГМ 0,5−3.

Бериллий ГНМ 10−5-10'3.

Бор ННМ 0,003−0,1.

Вода ННМ 1−3.

Вольфрам ГГМ 0,2−0,3.

Железо ГГМ 2−5.

Кадмий ННМ 0,01−0,05.

Калий ГМ 0,25.

Литий ННМ 0,05.

Марганец ННМ 1−10.

НАМ 0,01−0,1.

Медь НГМ 0,2−0,5.

Элемент Метод Порог чувствительности, абс. %.

НАМ 0,2−0,4.

Натрий НАМ 0,3−1.

Никель НГМ 0,15−0,3.

Олово ГГМ 0,1−0,3.

Ртуть ННМ 0,1−0,3.

РедкоземельННМ 0,003−0,01 ные элементы.

Свинец ГГМ 0,1−0,3.

Сурьма ГГМ 0,2−0,5.

Титан НГМ 4−6.

Фтор НАМ 0,1−0,3.

Хлор ННМ 1−2.

Хром НГМ 0,2−5.

Ядериофизический анализ объектов окружающей среды. Под влияние достижений ядерной физики в науках о Земле сформировались самостоятельные ядернофизические направления исследований вещества планеты [261, 262]. Изучение распределения и перемещения естественных и искусственных радионуклидов способствовало углублению знаний о глобальных проблемах развития Земли. Полученные данные резко изменили представления о происхождении и эволюции Земли, ее возрасте и тепловом режиме, энергетических ресурсах и процессах рудообразования, перемещениях и кру.

ГОСУДАРСТВЕННАЯ.

БИБЛИОТЕКА повороте воды и т. д., показали неотвратимость распространения загрязнения природных вод, почв и всей биосферы осколками испытаний ядерного оружия и отходами производств атомной, нефтегазодобывающей, топливно-энергетической и горнодобывающей промышленностей. Никогда ранее мы не стояли так близко перед реальностью, что дальнейшее пренебрежение и бездействие могут привести к необратимым и долговременным изменениям, которые сделают жизнь на нашей планете невозможной. Это своего рода вызов нам, поскольку сами экологические системы чрезвычайно сложны, а потому их анализ требует глубокого, до тонкостей, понимания ядерных методик и их уместного применения.

Наши представления о природе как об окружающей нас среде радикально изменились в последние несколько лет, как это можно видеть хотя бы на примере отношения к водным ресурсам. Еще недавно общее мнение было таково: вода — лишь щедрый дар природы, и мы можем пользоваться ею как заблагорассудится, а природа сама каким-то образом будет восполнять ее запасы и освобождать ее от привнесенных загрязнений не проявляясь незамедлительно. В распоряжении было много сведений о неблагоприятных воздействиях загрязнений на окружающую среду, и с отходами обращались так, чтобы обходилось как можно дешевле и проще. Таким образом, интересы акцентировались на удобстве и дешевизне, а о будущем или о защите окружающей среды не беспокоились. Другими словами, проблема с отходами решалась путем разбавления (То1§ уез8у, К1еИг, 1991).

Наше представление об окружающей среде должно быть общесистемным и оно нуждается в тончайших методах химического анализа.

Под анализом окружающей среды мы понимаем всестороннее исследо вание окружающей системы, ее составных частей, их внешних и внутренних соотношений, а также их взаимодействие с соседним окружением. Поэтому понятие «химический анализ окружающей среды» гораздо сложнее, чем-то, что мы подразумеваем под термином «аналитическая химия». Оно включает идентификацию химических веществ, определение концентраций или активностей и исследование реакций или процессов. Понятие ядерные методы химического анализа окружающей среды применяется к научному направлению, в котором используются радиоактивные материалы и (или) ядерные реакции, применение которых способствует решению задач химического анализа. Эти представления, несмотря на их широту, можно обобщить в виде простой схемы (рис. 1.1).

Идентификация химических веществ.

Ядерные методы в аналитической химии окружающей среды.

Определение концентраций и активностей.

Ядерные методы химического анали окру".

Определение физических и биологических свойств.

Изучение реакций и процессов.

Идентификация: исходные данные, оценка, продолжительность, окончание, устойчивое состояние, равновесие.

Факторы контроля.

Изучение радиоактивных материалов в окружающей среде.

Контроль.

Происхождение и свойства.

Рис. 1.1. Общие принципы ядерных методов анализа окружающей среды [261].

Имеется три основных направления в ядерных методах химического анализа окружающей среды.

Термин аналитические определения включает разработку и применение ядерных аналитических методик для идентификации химических веществ и определения их концентраций или активностей. Они также предполагают определение некоторых химико-физических или химико-биологических параметров, например таких, как концентрация взвешенных частиц в воздухе или воде, определение содержания влаги в почвах и др.

Исследование реакций или процессов, происходящих в окружающей среде, предполагает использование ядерных методов измерения. Рассмотрению подлежат такие аспекты процессов или реакций, как начало, скорость, протяженность, степень, продолжительность, окончание, устойчивое состояние и равновесные условия. Сколь же важным является установление всех факторов управления этими процессами, таких как температура, время, рН и окислительно-восстановительный потенциал.

Понятие исследование радиоактивных материалов включает использование ядерных аналитических методов для изучения происхождения, распространенности, поведения и контроля за естественными и искусственными радиоактивными материалами в окружающей среде.

Ядерная аналитическая химия является частью прикладной радиохимии и аналитической химии. Она включает в себя такие аналитические методы, в которых используются свойства соответствующих нуклидов для получения качественной и количественной информации о различных веществах и окружающей среде. Методы основаны на использовании внутреннего и внешнего излучений. Внутреннее излучение испускается самим образцом или радиоактивным изотопом элемента в образце, который может присутствовать изначально или быть добавленным, или может использоваться при активации. Внешнее излучение образуется при взаимодействии с образцом путем абсорбции, рассеяния, захвата или теплового эффекта. В большинстве случаев изменения внешнего излучения, вызванные взаимодействием с образцом, поддаются измерению. Обычно могут быть выполнены как качественные, так и количественные измерения, однако чаще проводят количественные измерения. Классификация различных применяемых ядерных аналитических методов представлена на рис 1.2 [261]. Существуют две основные группы методов: прямые и косвенные.

Рис. 1.2. Ядерные аналитические методы [26 $ 3.

Прямые методы основаны на прямом измерении радионуклидов в исследуемом образце (например,, 3|Г в молоке,^Бг в костях, '^Сб в почвах, 238и в рудах). Самая большая группа косвенных методов основана на применении индикатора: радиоактивный нуклид добавляют к образцу (обычно в известных количествах) и используют для контроля за поведением определяемого элемента в анализируемом образце. Примерами индикаторных методов является анализ путем изотопного разбавления, радиометрическое титрование и анализ с использованием радиоактивного реагента. Эти методы обычно проще, чем активационные методы. Анализ, основанный на взаимодействии с излучением без активации, заключается в поглощении или рассеянии аили р-частиц, фотонов или нейтронов образцом.

Ядерные методы, применяемые при химическом анализе окружающей среды, и специальные ядерные аналитические методы, а также связи между ними представлены на рис. 1.3. Эта схема является видоизмененным вариантом работы Буйдозо и Тота. Для разработки и реализации этих методов необходимо использовать: основные научные представления, данные о современных приборах, а также иметь в виду возможности квалифицированного персонала и использование других ресурсов. Получаемые аналитические результаты приводят к новым научным представлениям, что способствует более успешному решению поставленных проблем, а также совершенствованию аппаратуры и приборов, повышению квалификации персонала и поиску новых путей в использовании других ресурсов.

Рис. 1.3. Механизм положительной обратной связи при разработке ядерных аналитических методов анализа окружающей среды (261].

ЯдерноФизические исследования в системе литомониторинга.

Известно, что геологическая среда (Сергеев, 1967) под которой понимается верхняя часть литосферы, рассматривается как один из элементов окружающей среды, как единая природно-техногенная система, состоящая из взаимодействующих, взаимосвязанных компонентов, представленных снизу вверх горными породами (грунтовой толщей), подземными водами, почвами и поверхностными водами [229].

Если проанализировать степень изученности загрязнения отдельных компонентов геологической среды, то к настоящему времени наиболее детально изучены поверхностные воды, несколько хуже подземные воды и почвы, а грунтовая толща (зона аэрации) изучена весьма слабо [2]. Ежегодно из недр извлекаются массы горных пород и на земной поверхности вырастают объемы отвалов, в ряде случаев занимающие ценные Земли (КМА, Донбасс) и одновременно загрязняющие почву, атмосферу, поверхностные и подземные воды (Арский и др., 1992).

Огромные пространства уже заняты отходами горнодобывающей промышленности, вредные отходы нагнетаются в глубокие скважины и шахты. Поверхностные воды загрязняются в результате деятельности химической, нефтеперерабатывающей, лесоперерабатывающей промышленности. Подземные воды также подвержены влиянию деятельности человека. Суточный расход на отдельных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности исчисляется десятками и сотнями тысяч кубических метров. В России известны месторождения промышленных вод, связанные с нефтеносными районами: Краснокамское, Пермской областиТюменское, Западная СибирьСухокумское, Дагестан (Грязнов, Палкин, Новиков и др., 1997). Важным источником известных, редких и редкоземельных металлов на Урале являются дренажные (шахтные, рудничные, карьерные) воды месторождений твердых полезных ископаемых [262]. Дренажные воды угольных и медноколчеданных месторождений Среднего Урала характеризуются повышенными содержаниями ряда сидерофильных, халькофильных, литофильных (в том числе РЗЭ) химических элементов, от пО до пОО раз превышающих минимально-промышленное содержание в подземных водах Урала. Ежегодно они выносят в окружающую среду значительное количество загрязняющих, в том числе токсичных элементов и их соединений (Грязнов, 1997). Также по данным Табаксблата Л. С. [263] шахтные воды при разработке соответствующих технологий извлечения полезных компонентов могут являться важным источником попутного гидроминерального сырья. Сосредоточение на территории Урала и Сибири предприятий горнодобывающей, металлургической и энергетической промышленности определяет и большое число техногенных месторождений и объектов, которые являясь по своей сути отходами производств, одновременно могут являться сырьевой базой для получения ценных компонент, а также оказывать отрицательное воздействие на окружающую среду.

Геологические науки о Земле отличаются масштабностью изучаемых объектов и явлений. Ряд геологических процессов протекает многие миллионы лет, поэтому большинство из них не может наблюдаться в течение одной человеческой жизни. В связи с этим в геологических науках приходится оперировать фактами разной достоверности или общими качественными соображениями. Однако современная геология, как любая другая наука, не находится в стороне от научно-технического прогресса: геологи применяют методы математического моделирования геологических процессов, разрабатывают их физико-химические основы, шире привлекают современный эксперимент, новейшее полевое и лабораторное оборудование, вычислительную технику, аэрокосмические методы исследования.

Успех реализации программы литомониторинга полностью зависит от качества аналитических данных. Анализ собранных образцов при опробовании техногенных месторождений и образований составляет значительную часть работы по осуществлению программ литомониторинга. В связи с этим при выборе надежности аналитического метода (или комплекса методов) должен учитываться ряд аспектов, в частности, его способность охватывать многие элементы, чувствительность, правильность и точность, стоимость проведения работ, характеристика образца и доступность. Необходимые требования для ядернофизического анализа техногенных образований и объектов окружающей среды заключается в высокой производительности и экс-прессности в сочетании с надежностью работы аппаратуры и сравнительной ее простотой при эксплуатации.

Многоэлементный охват. Очевидно, что в ядернофизических исследованиях при литомониторинге процедура анализа должна фокусироваться прежде всего на концентрациях самого широкого спектра соответствующих элементов, чтобы свести к минимуму возможность пропустить какой-либо полезный компонент или загрязнение. По возможности процедура анализа должна также давать информацию о петрогенных элементах в отходах пром-производств и нетоксичных элементах в техногенных образованиях.

Картина распределения концентраций этих элементов может дать информацию о характере перераспределения элементов на стадиях: исходное сырье -> промпродукты -" отходыо характере и происхождении некоторых загрязнений и поможет отличить природные источники от антропогенных.

Чувствительность. Пределы детектирования тяжелых, вредных и токсичных металлов в техногенных объектах должны быть достаточно низкими (ниже ПДК), чтобы можно было изучать эти элементы на самых разных стадиях загрязнения. Такие же требования предъявляются и к определению редких, благородных и рассеянных элементов в отходах (шламах, шлаках, «хвостах мокрой магнитной сепарации», золах, золоуносах и др.) промышленных производств. Требуемая чувствительность может быть определена на основе данных о концентрациях 15 элементов в горных породах, концентратах и промышленных отходах определенных с помощью нейтронного активацион-ного анализа (см. табл. 1.3). Кроме того, должна быть возможность обнаруже.

Таблица 1.3.

Содержания редких и рассеянных элементов в горных породах, рудах и промпродуктах.

Вольфрамовый концентрат Промотходы.

Атомный номер Элемент Горные породы Флюори-товая руда Уголь Шлак FeW Шлак РеМо Шлам хвостов мокрой сепарации Золы Золоуносы.

21 Скандий 1+30 <2,0 9,32−13,12 6−390 70+650 30−110 125,2−133,5 11,3−29,4 24,1−28,2.

41 Ниобий 0,1−21 <50 — — - - - <0,1−8 <0,1.

57 Лантан 0,1-ь92 <50 11,58−20,5 100−1000 100+1000 300+1100 — 27,4−46,1 36,2−45,4.

58 Церий 0,1−92 3−31 41,0−54,0 3−1300 3+1300 600+1500 — 65,4−83,5 59,0−72,1.

60 Неодим 0,1−47 <50 <0,1 <50 <50 140+1500 — <50 <50.

62 Самарий 0,1−10 0,6−18,8 2,01−4,31 <0,6 30+80 0+100 1,22−3,87 7,6−17,4 6,9−13,6.

63 Европий 0,1−2 <0,1 0,97−1,92 0−9 0,1+4,0 — - 2,2−3,5 2,2−4,2.

64 Гадолиний 0,1−10 <15 <15,0 <1,5 <15 — ¦ - 10−43.

65 Тербий 0,1−2 <2,0 0,14−0,31 0+28 0.8+50 — 1 <0,8 0,5−1,1.

70 Иттербий 0,1−4 0,8−35,4 0,95−3,23 <0,8 150+400 — - <0,8 3,4−6,2.

71 Лютеций 0,1−1 0,5−4,3 <0,5 <0,5 20+70 — - 0,74−1,35 0,34−0,58.

73 Тантал 0,01−2 <1−17,8 0,3 50—1700 150+1600 500+1700 — <1,0 <1,0.

79 Золото 0,001−1,0 0,02 <0,1 — - 0−0,27 <0,1 <0,1.

90 Торий 0−12 4−88 3,5−6,3 1−400 1+220 — - 8,9−12,5 7−13.

92 Уран 0−3 0,6−4,5 1−3 5+570 5+600 — - - ния в большинстве проб широкого спектра «образующих» элементов, а также их радиоэкологических характеристик.

Правильность и точность. Результаты осуществления программ мониторинга геологической среды могут стать основой часто очень дорогостоящих мер по ее защите. Поэтому к точности применяемых аналитических методов предъявляются высокие требования. Правильность и точность анализа по каждому из идентифицируемых элементов зависит от характера решаемой задачи.

Стоимость анализа. Для реализации программы литомониторинга обычно требуется от нескольких сотен до нескольких тысяч проб. Поэтому анализ должен применяться в конкретном масштабе (зависит от объекта), а стоимость анализа должна быть приемлемой по сравнению со всеми расходами на программу литомониторинга. Большие расходы на сбор и подготовку проб, к которым присовокупляются затраты на администратирование процедуры и интерпретацию данных, делают целесообразным применение математических процедур, обеспечивающих получение от проб максимум информации, и затем использование этой информации при составлении геоинформационного пакета.

Характеристика образцов. Объекты исследований геофизической среды могут анализироваться ядернофизическими методами в любом агрегатном состоянии (жидком, твердом, газообразном). Для проб техногенных месторождений предпочтителен метод неразрушающего анализа.

Доступность. Применяемые в программе литомониторинга ядернофи-зические исследования должны быть хорошо отработаны и опробованы, чтобы можно было надлежащим образом спланировать работы по опробованию техногенных объектов и месторождений, а также их геоэкологическому картированию. Имеющиеся возможности ядернофизических методов должны быть достаточными для того, чтобы выполнить значительный объем работ, предусмотренных программой литомониторинга. Кроме того, необходимо учитывать, что при опробовании техногенных месторождений и объектов, ядернофизические исследования должны быть высокопроизводительными и экспрессными в сочетании с надежной работой аппаратуры и сравнительной ее простотой при эксплуатации. Также необходимо иметь отработанные схемы исследования объектов: пробоотбор —> пробоподготовка -> анализ -" обработка -" контроль -> информационная база.

Исследования на всех стадиях выполнения работ должны быть четко согласованы и сопровождены методически и метрологически, что обеспечит высокий уровень и качество работ, доступность для пользователей.

Опыт, приобретенный учеными по применению ядернофизических исследований в различных направлениях, с учетом отмеченных выше особенностей при литомониторинге, должен помочь перекинуть мосты от исследовательских идей к реально созданному аппаратурно-методическому комплексу.

Необходимо провести системный анализ материала по современным ядернофизическим методам определения элементного состава объектов ли-томониторинга, провести исследования по выявлению возможностей методов применительно к анализу техногенных объектов и объектов окружающей среды и на этой базе разработать комплекс экспрессных инструментальных методик и сформулировать требования к аппаратурным комплексам, их метрологическому сопровождению. Эта программа реализуется автором и представлена в настоящей работе.

II. ЛИТОМОНИТОРИНГ.

Экологическое состояние геоэкологической среды — предмет общечеловеческих интересов. Проблема охраны окружающей среды является одной из главнейших в ряду современных проблем мирового развития. Достижения науки и техники должны обеспечивать одновременно рациональное, комплексное использование природных ресурсов и контроль за их использованием не только с позиций производства, но также и с экологической точки зрения. Отсюда вы-гекает необходимость государственного контроля состояния геологической среды, поскольку разнообразно ее использование как среды жизнеобитания 4,24,26]. Информация о состоянии геологической среды должна иметь официальный государственный статус, обеспечиваемый стандартами и нормативами ее качества и признаками юридической ответственности [7,264, 265].

Для организации эффективного мониторинга геологической среды нужна олная реконструкция существующей наблюдательной сети, как в количествен—ом отношении, так и в качественном, с учетом новых (экологических) задач [ 1, 226].

Геологическая среда, под которой понимается верхняя часть литосферы, должна рассматриваться как один из элементов окружающей среды, как единая природно-техногенная система, состоящая из взаимодействующих, взаимосвязанных компонентов, представленных снизу вверх горными породами (грунтовой толщей), подземными водами, почвами и поверхностными водами [3].

Требования к качеству геоэкологической информации обуславливает необходимость создания и введения единой государственной информационной системы, включающей постоянно пополняемый автоматизированный банк информации. Регулярность пополнения автоматизированной информационной системы новыми данными и знаниями должна обеспечиваться производственно-организационными структурами, располагающими наблюдательными сетями, а также условиями для периодических обследований (наземных и дистанционных) состояния геологической среды конкретных территорий и объектов [1,3−5,7,27].

Такой государственной системой является система экологического мониторинга геологической среды Российской Федерации — «Литомониторинг России», в которой предусматриваются [1]:

1. Комплексное изучение и регулярная оценка изменения экологического состояния геологической среды территорий с техногенной нагрузкой.

2. Информационное обеспечение:

— органов управления рациональным использованием и охраной окружающей среды- ,.

— государственного мониторинга земель, земельного и водного кадастров, а также мониторинга и кадастров других природных и при-родно-техногенных сред;

— обобщающих оценочно-аналитических работ, математического моделирования и картографирования геоэкологической ситуации и среды в целом;

— населения и отдельных организаций данными о состоянии и возможных изменениях геологической среды.

3. Регулярное прогнозирование экологического состояния геологической среды и разработка рекомендаций по рациональному использованию, экологическому оздоровлению и охране геологической среды.

4. Учет и оценка эффективности мероприятий по регулированию влияния хозяйственной деятельности на геологическую среду.

5. Обеспечение своевременной геоэкологической информированности Верховного Совета и Правительства России, Верховных Советов и Правительств республик Российской Федерации, а также органов планирования и управления использованием и охраной окружающей среды всех административных уровней.

6. Информационный обмен по сопряженным с геологической средой компонентам окружающей среды, создание и ведение автоматизированного банка данных о состоянии геологической среды на локальном, региональном и государственном уровнях.

В соответствии с целевым назначением системы, она должна обеспечить контроль экологического состояния геологической среды на территории страны в целом, располагать достаточно полной и качественной информацией для принятия решений по рациональному использованию геологической среды и-ее охране с учетом критериев экосистемы человека. Система должна основываться на действующей службе изучения режима подземных вод, экзогенных геологических процессов и используемой в настоящее время наблюдательной сети, опытно-производственных и опытно-методических полигонов. В функциональном и производственно-организационном отношении система должна основываться на концепциях государственного мониторинга подземных вод и мониторинга земель России. В качестве системного прототипа информационной структуры должна быть принята система государственного учета вод и их использования и ведения государственного кадастра, осуществляемых ВСЕГИНГЕО [24].

Совершенствование экологических аспектов методологии и технологии изучения, оценки и прогноза состояния геологической среды должно включать разработку и внедрение современных средств автоматизированного сбора и обработки данных геологических, геохимических и геофизических исследований на четырех уровнях наблюдений: космос-воздух-земля-скважина [6, 266, 267].

Геологические исследования обладают высокой наукоемкостью, что определяется сложностью и новизной постановки задач, многообразием хозяйственного использования литосферы. В числе первоочередных научных разработок геоэкологического направления необходимо выделить следующие:

— теоретические основы и модели миграции загрязняющих веществ (в том числе через зону аэрации) в подземной гидросфере, оценка защитной роли почв и зоны аэрации;

— совершенствование научно-методических основ комплексного регионального изучения геологической среды, ее рационального использования на базе комплексных геоэкологических съемок, моделирования гидрогеологических структур и процессов;

— теоретические основы и модели физической устойчивости верхних слоев литосферы, прогнозирования активных экзогенных геологических процессов природного и техногенного происхождения и последствий их проявления;

— разработка региональных моделей прогноза сильных землетрясений;

— научное обоснование оптимальных схем размещения наблюдательных сетей и опытно-методических полигонов, а также программ наблюдений для создания мониторинга геологической среды и последовательного картографирования геологически опасных районов;

— теория и методы прогнозирования экстремальных экологических ситуаций в геологической среде и связанных с ней других природных средах;

— разработка допустимых норм техногенной нагрузки на геологическую среду отдельных регионов;

— обоснование структуры, объема и технологии функционирования единой геологической системы как части мониторинга природной среды.

Следует особо подчеркнуть, что геоэкологические исследования теснейшим образом смыкаются с традиционными общегеологическими, гидрогеологическими и инженерно-геологическими работами [4, 20,268−279].

3.4. Выводы.

В результате выполненных работ впервые отработана технология радиоэкологических обследований нефтегазопромыслов на основе применения методик, аттестованных Органами Госстандарта РФ, реализованных на базе аккредитованной лаборатории радиационного контроля.

Проведенные обследования показали необходимость совершенствования методических аспектов разработки и внедрения следующих мероприятия:

— проведение обследований на других нефтепромыслах России;

— организация строгого контроля за демонтажем, транспортировкой, дезактивацией и хранением отработавшего технологического оборудования и труб, предотвращение его выноса за пределы хранения и дезактивации:

— организация захоронения загрязненных естественными радионуклидами грунтов, шлама, продуктов дезактивации как радиоактивных отходов;

— проведение исследований процесса выноса на поверхность радона и торона, их концентрации в атмосферном воздухе, а также загрязнений атмосферы, водоемов и почвы альфа-активными дочерними продуктами распада.

Жа и ТЬ, обусловленными пылевым уносом почвы и грунта ив районов радиоактивных загрязнений,.

— разработка санитарно-гигиенических норм, регламентирующих обращение с радиоактивно загрязненным оборудованием и материалами.

4. Аудит территорий промышленных предприятий.

Возникающие в последние годы проблемы экологии Уральского региона в значительной мере связаны с загрязнением окружающей среды предприятиями металлургического профиля. В первую очередь, основной средой загрязнения являются сами территории промышленных предприятий, за длительный период существования которых грунты оснований превращены в техногенные «породы». Последние несут значительные содержания разнообразных металлов, набор которых определяется перерабатываемым сырьем. Поэтому в ближайшем будущем вполне вероятна не просто реабилитация загрязненных металлургическими предприятиями площадей, но и использование подобных техногенных грунтов как источника для извлечения цветных и благородных металлов. Распределение некоторых металлов в техногенных грунтах одного из промышленных предприятий автором рассмотрено ниже [314].

Опробование территории выполнено автором совместно с А. Б. Макаровым и А. А. Кашкаровым. Верхняя часть грунтовой толщи предприятия сложена перемещенными искусственными техногенными образованиями. Вдоль железнодорожных путей они состоят из обломков крупной фракции, представленных сланцами, серпентинитами, гранитами, горнблендитами, обломками шлака, кирпича, стекла, а также мелкими зернами кварца и полевых шпатов. Крупная фракция (>5мм) составляет около половины грунта, другая же представлена пылевато-глинистым материалом. В грунтах постоянно отмечаются металлические обломки, стружка, проволока, в значительной мере окисленные.

Нижняя часть грунтовой толщи представлена элювиальными суглинками мощностью 2−3 и более метров. Это породы буроватой окраски с включениями зерен полевых шпатов и чешуек слюды. В низах суглинков присутствуют обломки выветрелых кварц-серицитовых, кварц-серицит-хлоритовых сланцев.

Распределение некоторых металлов в мелкой фракции техногенных грунтов по двум профилям опробования показано в таблице 3.18. Использованы данные результатов приближенно-количественного спектрального анализа.

Приведенные данные свидетельствуют о значительном накоплении металлов, вполне сопоставимом с содержаниями в рудах ряда цветных металлов, в частности, минимальное содержание меди в рудах 1−2%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, выполненных автором, получены новые оригинальные результаты, основными из которых являются:

1. Разработан комплекс методов и технология мониторинга природных и техногенных образований и месторождений. Описаны состав, строение техногенных месторождений (ТМ), произведена оценка запасов ТМ на ряде объектов. Показана возможность использования оптимального комплекса ядернофизических исследований для мониторинга геологической среды. Технология исследований техногенных месторождений включает методики опробования (МВИ №№ 2−94, 7−95, 9−94, утв. органами Госстандарта РФ) и реализована на 11 объектах Урала и Западной Сибири. Разработана методология и технология формирований банка данных ТМ. Предложены рекомендации по промышленной оценке техногенного сырья и целесообразности его промышленного использования.

2. Введено понятие литотехногенеза как процесса формирования новых техногенных пород за счет изменения, дезинтеграции горных пород, в процессе производственной деятельности, а также использования энергетических ресурсов, рудных и нерудных полезных ископаемых (образование шлаков, шламов, золы).

3. В соавторстве подготовлены, разработаны и утверждены в Госстандарте России нормативно-технические и методические документы, обеспечивающие деятельность Органа по сертификации минерального сырья и Испытательного центра (аттестаты Госстандарта РФ РОСС.1Ш11АЮ32 от 18.09.97, 4211−94 от 20.12.94 и Яи. ООО1.510 220 от 31.01.95) в системе экоаналитичес-кого и радиационного контроля, геологических, научных исследований и сертификации минерального сырья, продуктов и отходов его переработки (МВИ №№ 1−91, 2−94, 3−94,4−94, 5−94, 6−94, 7−95, 8−95, 9−94, а.с. 1 609 320, а.с. 1 596 949). Предложена схема сертификации отходов промпроизводств. Составлен атлас спектров наведенной активности и характеристического рентгеновского излучения горных пород, руд, отходов их переработки, почв.

4. Предложена и отработана технология радиоэкологических исследований нефтегазопромысл ов.

Разработанный комплекс методических, метрологических и технических средств ядернофизических исследований может продуктивно использоваться для повышения эффективности работ при мониторинге геологической среды, экоаналитическом и радиационном контроле объектов окружающей среды, оценки качества и сертификационных работ техногенных образований и месторождений, а также формирования банка данных и принятия решений по управлению объектами недрои природопользования.