4. Ядерная геофизика

4.1 Законы радиоактивных превращений. Единицы измерения Радиоактивность – самопроизвольный процесс распада неустойчивых изотопов химических элементов, сопровождающийся испусканием или захватом частиц ( нейтронов) и выделением коротковолнового электромагнитного излучения ( - квантов). частицы – He ++ (q= Кл, m= кг) – частицы – электроны или позитроны (q=+/ Кл, m= кг) Пример -распада: Атомная масса Заряд (атомный номер) Энергия -кванта

Пример k захвата: рентгеновское излучение Нейтроны: q=0, m= кг образуются в ускорителях в резуль- тате ядерных реакций и в изотопных источниках dN=- Ndt N=N 0 e - t Число ядер в начальный момент Число ядер в момент времени t Средняя продолжительность жизни изотопа T=ln(2)/ Период полураспада t=10T Время практически полного распада Закон радиоактивного распада Постоянная распада Пример распада (89.5%) (10.5%)

Источники естественной радиоактивности 238 U… 226 Ra 222 Rn… 206 Pb 232 Th … 220 Rn… 208 Pb 235 U… 219 Rn… 207 Pb Ряды радиоактивных превращений K (T= лет) Ar Ca Rb (T= лет) Sr Sm (T= лет) Nd 238 U и 235 U – примеры изотопов – их атомная масса – различна, а зарядовое число – одинаковое.

Радиоактивное равновесие Рассмотрим материнский (T 1 ) и дочерний (T 2 ) элементы. Если материнский элемент – долгоживущий, то при t>10T 2 наступает радиоактивное равновесие: N 1 1 = N 2 2 В ряду с долгоживущим родоначальником N 1 1 = N 2 2 … =N k k Примеры: U(T= лет) и Ra (T=1600 лет) (время установления равновесия – лет Ra и Rn (T=3.8 сут.) (время установления равновесия – 38 сут.)

Искусственные изотопы Возникают в результате ядерных реакций, проходящих в два этапа: (1) Материнское ядро испытывает воздействие нейтронов, -частиц или квантов и образуется новый изотоп; (2) Искусственный изотоп распадается с испусканием частиц и квантов

Единицы радиоактивности Активность – число распадов в единицу времени (Бк (Беккерель)=1/с), внесистемная единица – Ки (Кюри)= Бк Удельные единицы активности относятся к единице массы, объема или поверхности Воздействие радиоактивного излучения на среду оцени- вается единицами дозы и мощности дозы: Поглощенная доза: Энергия(Дж)/массу(кг) = грей (Г) Экспозиционная доза: Кл/кг. Внесистемная единица – Рентген (Р= Кл/кг) Мощности дозы – соответствующая доза деленная на единицу времени, например Р/час или A/кг

4.3 Взаимодействие излучений с веществом -частицы: пробег в воздухе не более 11.5 см, прямоли- нейная траектория. Ионизируют вещество -частицы: пробег в воздухе до 13 м, криволинейная траек- тория. Ионизируют вещество, их торможение в электри- ческом поле ядра приводит к возникновению рентгеновского излучения –излучение обладает наибольшей проникающей способностью и энергией от 0.02 до 3 МэВ. Ослабление гамма-излучения в среде зависит от ее плотности, среднего заряда ядер и атомной массы Длина пробега гамма-кванта в воздухе ~ сотни метров, в земле

4.4 Регистрация радиоактивных излучений I Газ Газонаполненные детекторы, работающие на основе ионизации газа излучением.

Сцинтилляционные детекторы Кристалл Люминофора (NaI(Tl), CsI(Tl)) Фотокатод Анод Диноды

Принцип гамма-спектрометрии U(1.65 – 1.85 МэВ) Th(2.5 – 2.7 МэВ) K1.46 МэВ K U Th N 1 =a 1 q K +b 1 q U +c 1 q Th N 2 =a 2 q K +b 2 q U +c 2 q Th N 3 =a 3 q K +b 3 q U +c 3 q Th Аппаратурные спектры излучения

4.5 Естественная радиоактивность пород Кларки концентрации: U %, Th – % K – 2.5%

Некоторые тенденции миграции радиоактивных элементов 1.Окисление U до U +6 и переход в раствор 2.Восстановление U и переход в твердую фазу 3.Миграция Th со взвешенными частицами 4.Сорбция U и Th на глинах 5.Присутствие U в виде примесей в цирконе, глауконите 6.Высокая (U), средняя (K) и низкая (Th) подвижность в приповерхностных условиях.

4.6 Методы, основанные на естественной радиоактивности Гамма-метод (интегральный и спектрометрический) Наземный и аэро-варианты

Поиски месторождений урана

Картирование дифференцированных интрузий

Картирование гидротермально-измененных пород

Определение положения пласта фосфоритов

Пример обработки гамма-спектрометрических данных (способ RGB) с целью уточнения геологической карты

4.6.2 Эманационный метод

4.7 Некоторые методы, основанные на искусственной радиоактивности Гамма-гамма плотностной Гамма-гамма селективный (Fe, Pb, W, Hg, Ba) Рентгено-радиометрический (определение широкого круга элементов) Возбуждающее – гамма-излучение Нейтрон – нейтронный (определение влажности) Возбуждающее – нейтронное излучение

4.7.1 Плотностной гамма-гамма метод Поток рассеянного -излучения = f (, Z эф ) E = 0.66МэВ ( 137 Cs) или 1.25 МэВ ( 60 Сo) r

4.7.2 Рентгено-радиометрический метод Я ФрФр Я K Ф=f(q 1,q i,…, поглощающие свойства среды) Цель – определение содержания широкого круга элементов

Выводы Радиоактивный распад сопровождается -, - и -излучением; только последнее распространяется достаточно далеко через породы и воздух, чтобы его можно было зарегистрировать на поверхности земли и в воздухе; Спектрометрия -излучения позволяет определять содержание U, Th и K;

Выводы В изверженных породах U и Th содержатся в акцессорных минералах, U – мигрирует в окислительных условиях и осаждается в восстановительных условиях; Rn мигрирует к поверхности от источников и является признаком урановых руд, обладающим большей глубинностью, чем - излучение; однако концентрация Rn зависит также от степени трещиноватости пород;

Выводы Методы, основанные на искусственном излучении позволяют определять плотность и влажность пород и содержание в них широкого круга элементов.