Естественная радиоактивность. 
Свойства горных пород

Естественная радиоактивность Iг — самопроизвольный распад неустойчивых ядер атомов, подчиненный определенному статистическому закону.

Изменяются характерные признаки:

• а) строение, состав, энергия ядер;
• б) происходит испускание би в-частиц или захват электрона K- или L- оболочки коротковолновым излучением электромагнитной природы (г-излучение)

Происходит выделение радиогенного тепла, ионизация газов жидкостей и твердых тел.

В природных условиях отмечается также спонтанное деление тяжелых ядер (урана, тория) на осколки и изомерные тренды.

Академик В. И. Вернадский отмечал: «Открытие явления радиоактивности не только открытие физическое, но и открытие геологическое…» .

Основные ядерно-физические свойства элементов, используемые при геологических, геохимических и геофизических исследованиях

I. Естественные процессы.
а) ионизирующее излучение.	б-част. в-част. г-кванты. k-захват.	элементы семейств. и др.	поиск и разведка радиоактивных руд, изучение радиологического возраста, определение геохимических элементов, геологическое картирование.
б) спонтанное деление.	определение радиологического возраста, изучение формы нахождения урана.
в) наведенная радиоактивность космическими лучами.	оценка радиологического возраста новейших образований (радиоуглеродный метод).
г) генерация радиогенного тепла.	U, Th, K.	оценка теплового поля земной коры, поиски радиоактивных руд.
II. Искусственные процессы.
Использование ядерных реакций.	(n, г), (n, p), (б, n) и др.	Определение влажности, пористости, плотности, содержания химических элементов.

Закон радиоактивного распада и радиоактивное равновесие

При радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение — ичастиц илучей.

• -частица имеет положительный заряд и представляет собой ядро гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов; при — распаде элемента его атомный номер уменьшается на 2, атомная масса — на 4 единицы.
• -частица — электрон или позитрон.
• -излучению приписывают волновые и корпускулярные свойства.

Скоростьквантов равна скорости света и энергия Eг определяется формулой.

где h — постоянная Планка, равная 6,6262Ч10−34 ДжЧс;

н — частота электромагнитных колебаний.

Закон радиоактивного распада (Э. Резерфорд, Ф. Содди, 1902 г.) характеризуется зависимостью.

(7).

где dN — число распадающихся ядер из общего количества N за время dt;

л — постоянная, характеризующая скорость распада;

— активность (число распадов в единицу времени).

После интегрирования выражения (7) получаем.

имеем.

=>

при t = 0.

=> ,.

или.

В ядерной физике для изучения радиоактивного распада вводится единица Т ½ — период полураспада (абсолютная мера длительности геологических процессов):

В результате би враспада основные радиоактивные элементыU, U, Th образуют радиоактивные ряды, включающие до 15 — 18 изотопов.

Остальные радиоактивные элементы и другие обладают одноактным распадом и рядов не образуют.

При распаде элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

л1N1 = л2N2 = … = лnNn.

Типы взаимодействия г — квантов с веществом

Поскольку би вчастицы в веществе испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью, в радиометрии, в основном, используется г-излучение.

г-излучение ослабляется в породах вследствие процессов, именуемых фотоэффектом, комптоновским эффектом, эффектом образования электрон-позитронных пар, фотоядерными взаимодействиями.

Фотоэффект — процесс, когда г-кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:

где h — постоянная Планка;

н — частота электромагнитных колебаний;

E0 — энергия связи электрона в атоме.

Процесс фотоэффекта протекает при Е < 0,5 МэВ; отмечается сильная зависимость от порядкового номера элементов Z.

Комптоновский эффект — процесс, когда гкванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывают многократное рассеяние. Процесс идет в основном при 0,2 < Е < 3 МэВ, именно в области спектра первичного излучения естественно-радиоактивных элементов.

Процесс образования электронно-позитронных пар — процесс, когда эти пары возникают из фотонов в поле ядер атомов. Процесс идет при Е > 1,02 МэВ.

Таким образом, при различных энергиях г-кванты взаимодействуют преимущественно с различными мишенями: атомами, электронами, атомными ядрами.

Спектр многократно рассеянного г-излучения в породах различного состава можно отобразить графически (рис. 21).

Рис. 21. Спектр многократно рассеянного гизлучения в породах различного состава.

Для моноэлементной среды справедлива зависимость.

где ne — число электронов в единице объема;

NA — число Авогадро;

A — массовое число;

Ж — порядковый номер;

д — плотность.

Условие устойчивости атомных ядер требует, чтобы.

А = N + p = N + Ж = 2Ж,.

где N и p — число нейтронов и протонов в ядре. Значит.

и тогда.

Таким образом, при взаимодействии г-квантов с веществом имеет место его жёсткая связь с плотностью.

Энергетический спектр г — излучения

Естественное г-излучение горных пород в основном определяется содержанием в них элементов К, U, Th при их следующем процентном распределении:

К = 60%;

U = 30%;

Th = 10%.

Массовые содержания K, U, Th можно выделить из суммарного г-излучения, поскольку указанные элементы имеют неодинаковые энергии излучения (рис. 22).

Существуют аппаратурные решения. Способ получил название гамма — спектрометрия, где спектр горных пород выражается нисходящей по энергии кривой с всплесками (аномалиями) против K, U, Th:

Рис. 22. Энергетический спектр естественного гамма-излучения.

Калий образуется преимущественно из силикатов магматических пород, полевых шпатов, слюд, которые преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран, как и калий, образуется из силикатов магматических пород. Отмечается его высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого уран-иона (урания-иона) UО 2+.

Торий, как и калий и уран, — продукт силикатов магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах.

Единицы измерения радиоактивности

Беккерель 1 Бк = 1, 1 Бк = 0,27Ч10−10 Ки (Кюри), где Ки — внесистемная единица, равная 3,7Ч1010, столько же, сколько у 1 г Ra;

• 2) Удельная массовая активность: ;
• 3) Удельная объемная активность: ;
• 4) Мощность экспозиционной дозы: — системная единица (ампер на килограмм);

• 5) — внесистемная единица, соотносимая с мощностью экспозиционной дозы как
• 1 = 0,0717Ч10−12 = 7,2Ч10−14 .

Твердая фаза

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

Слабои нормальнорадиоактивные минералы содержат уран и торий в рассеянной форме, а в высокорадиоактивные акцессории — преимущественно в виде изоморфных примесей.

Тенденция изменения естественной радиоактивности (Iг) для основных групп минералов следующая (рис. 23):

Рис. 23. Тенденция изменения естественной радиоактивности для основных групп минералов.

Жидкая фаза

Воды поверхностные и подземные, а также нефть в их естественном состоянии характеризуются низкой радиоактивностью. Исключение составляют подземные воды, циркулирующие в зонах урановых месторождений, поскольку урановые соединения, в отличие от ториевых, хорошо растворяются в воде. Для таких вод характерно выделение эманаций радона (Rn), период распада которого T=3,8 дня.

Газовая фаза

Природные газы и воздух, как атмосферный, так и почвенный, не содержат в своем составе радиоактивных элементов. Их естественная радиоактивность может создаваться за счет эманаций радона, образующихся над урановыми месторождениями и от радиоактивных элементов, содержащихся в окружающей среде.

Магматические породы

Радиоактивность этих пород, в основном связана с присутствием акцессорных урани торийсодержащих минералов.

Содержание U и Th возрастает с повышением кремнекислоты и калия, что приводит к повышению г-активности с ростом К и SiO2.

Радиоактивность интрузивных и эффузивных пород известково-щелочной серии возрастает от ультраосновных пород к основным, средним и далее к кислым пропорционально увеличению содержания в них кремнезема и калия.

Интрузивные и эффузивные породы с повышенной щелочностью отличаются более значительной радиоактивностью, чем близкие по кислотности породы известково-щелочной серии. Максимальные концентрации радиоактивных элементов приурочиваются к краевым частям крупных интрузивных тел.

Урановый эквивалент eU изменяется от 3−9 до 20−30% (рис. 24).

Рис. 24. Тенденция изменения естественной радиоактивности в щелочно-земельном ряду магматических пород.

Метаморфические породы

Метаморфические породы в среднем имеют радиоактивность, близкую к магматическим породам среднего, основного и ультраосновного составов с eU =2−10%. В амфиболитовой стадии eU увеличивается до 15−16%. То есть чем больше степень метаморфизма массивов, тем меньше средняя концентрация в них урана и тория.

Необходимо выделить породы пневматолитовых и гидротермальных жил. К последним приурочены многие виды и разновидности урани торийсодержащих минералов.

Влияние метаморфизма на концентрацию урана и тория можно проследить от эпидот-амфиболитовой до гранулитовой стадий. Зависимость имеет вид (рис. 25):

Рис. 25. Изменения естественной радиоактивности в зависимости от стадий метаморфизма пород.

Осадочные породы

Радиоактивность осадочных пород связана с наличием в их составе урани торийсодержащих минералов, а также адсорбированных радиоактивных элементов.

По степени радиоактивности эти породы можно разделить на три группы:

• 1. Низкая радиоактивность: кварцевые пески, известняки, доломиты, каменная соль ангидриты, гипсы, угли, нефтенасыщенные породы.
• 2. Повышенная радиоактивность: глинистые разности всех терригенных пород.
• 3. Высокая радиоактивность: калийные соли, монацитовые и ортитовые пески, глубоководные и красные глины.

Содержание U, Th, К в осадочных породах зависит от условий их образования. Для песчано-глинистых пород наблюдается зависимость г-активности от глинистости (рис. 26):

Рис. 26. Изменение гамма-активности осадочных пород в зависимости от их глинистости.

Для одноименных стадий преобразования осадочных пород тенденция изменения естественной радиоактивности следующая (рис. 27):

Рис. 27. Тенденция изменения естественной радиоактивности осадочных пород в зависимости от их вещественно-петрографического состава.

Процесс окаменения пород влияет на изменение естественной радиоактивности в основном у глинистых разностей, так как песчаные являются низкорадиоактивными.

Для глинистых пород зависимость имеет вид (рис. 28):

Рис. 28. Изменение естественной радиоактивности глинистыхпород с возрастанием степени их преобразования.

В заключение следует привести средние значения содержания Iг и eU для основных групп пород.

Содержание Iг в отн. ед (Th/U) Содержание eU· 104,%.

Магматические породы Iг = 4−2,5 0,03−4,7.

Метаморфические породы Iг = 4−2,5 0,6−3,0.

Осадочные породы Iг = 3,5−0,5 1,7−5,0.

Воды Iг = 0 1· 10−3-6·10−3.

Измерения радиоактивности в лабораторных условиях

Измерение естественной радиоактивности проб горных пород в лабораторных условиях выполняется с целью определения содержания в них радиоактивных элементов. Для этого применяют сцинтилляционные лабораторные спектрометры, позволяющие определять содержание различных элементов на основе изучения спектрального распределения -, — иизлучения. Сцинтилляционные — и -спектрометры подразделяются на спектрометры с пороговой и дифференциальной дискриминацией. Среди дифференциальных спектрометров имеются как одноканальные приборы, так и многоканальные (до 100 каналов). Последние позволяют одновременно измерятьизлучение в нескольких интервалах энергетического спектра.

Существуют установки, которые позволяют путем изучения спектраизлучения раздельно определять уран (равновесный) и торий в смешанных пробах с содержанием урана от 0,01% и более. Комбинированные —, -измерения позволяют определять малые содержания (3−10−4 — 5−10−4%) урана в неравновесных рудах. Путем измеренияизлучения имеется возможность определить активность пробы в эквивалентных единицах равновесного урана и судить о наличии в ней тория. С помощью специальных приборов для лабораторныхизмерений можно, кроме того, определять концентрации эманации в пробах воздуха. Датчиком для исследования порошковых проб является плоская прозрачная подложка диаметром 15 см с тонким слоем (4−8 мг/см 2) цинк-сульфидного люминофора. Датчиком измерения эманации является цилиндрическая камера, на внутреннюю поверхность которой нанесен светосостав толщиной 100 мг/см 2. Сцинтилляции воспринимаются фотоумножителем через прозрачную торцовую стенку камеры или с подложки (рис. 40).

Рис. 40. Схема устройства датчика лабораторных спектрометрических установок с определением концентрации эманаций.

• 1 — плексигласовый стакан,
• 2 — кристалл NaJ (Tl),
• 3 — реперный источник
• -излучения,
• 4 — порошок стильбена,
• 5 — плексигласовая пластина,
• 6, 7 — фотоумножители

Большие возможности для радиометрического анализа создаются с применением многоканальных спектрометров. Исследуемая порошковая проба в специальном плексигласовом стакане 1 помещается между датчиками —, -излучений. Датчикомизлучения является кристалл 2 с вмонтированным в негореперным источником 3. Датчикомизлучения служит порошок стильбена 4, нанесенный на плексигласовую пластинку 5 слоем 50−60 мг/см 2. Световые вспышки, возникающие в датчиках, воспринимаются одновременно фотоумножителями 6 и 7. Электрические импульсы, возникающие на выходе ФЭУ, усиливаются и поступают на четыре блока дифференциальных дискриминаторов, а после них — на пересчетные устройства, которые могут уменьшать число поступающих импульсов в 2, 10 или 100 раз, и на электронные счетчики. Каждый дискриминатор имеет регулируемые начальный порог дискриминации Е 1 (от 1 до 79 В через 1 В) и ширину окна Е (2, 4, 6, 8,10 и 12 В). Гамма-излучение может быть также записано во встроенную электронную записную книжку или непосредственно в компьютер. Альфа-реперный источник 3 служит для стабилизации высокого напряжения ФЭУ. Импульсы от него с выхода ФЭУ проходят через пороговый дискриминатор на интегрирующий контур. Между интегрирующим контуром и схемой питания ФЭУ существует обратная связь. Это приводит к тому, что при изменении напряжения питания ФЭУ изменится амплитуда сигнала от реперного источника и, следовательно, величина тока в интегрирующем контуре (ибо импульсы поступают в него в ненормализованном виде). Данное явление через цепь обратной связи приводит к компенсации изменения высокого напряжения на ФЭУ, т. е. к его стабилизации.

Импульсы от бета-датчика с выхода ФЭУ через пороговый дискриминатор (срезающий шумовой фон) поступают на пересчетное устройство и электронный счетчик пятого канала. Следовательно, с помощью описанных установок путем комплексного —, -изучения пробы имеется возможность вести раздельное определение содержания урана (от 2 10−4% и выше), радия (от 10−4 до 5 -10−4% в эквиваленте равновесного урана), тория (от 10−4%), калия (от 0,2−0,3%). Длительность полного анализа одной пробы массой 150−200 г — около 30 мин.