Полевые радиометрические методы

1.

Полевые радиометрические
методы
Алексеев М.А. ЗРФ-17

2.

Радиометрические методы
• Радиометрические методы являются важной частью комплекса поисково-разведочных
методов на руды радиоактивных элементов, а также полезных ископаемых, находящихся
в парагенетической связи с радиоактивными элементами (фосфориты, редкие и
редкоземельные элементы, осадочные руды ванадия, молибдена и др.).
• Радиометрические методы исследования горных пород в условиях их естественного
залегания можно разделить на две группы:
• Полевые радиометрические методы (радиометрическая съемка), применяемые для
приближенной оценки радиоактивности горных пород;
• Методы радиометрического опробования, позволяющие более точно определять
радиоактивность горных пород в условиях их естественного залегания (в скважинах,
шурфах, обнажениях и т. п.)
• В основе радиометрических методов лежит обнаружение различных поисковых
признаков в виде коренных выходов руд и ореолов рассеяния вокруг рудного тела.
• Рассмотрим кратко классификацию ореолов рассеяния, их формирование и важнейшие
особенности. Различают открытые ореолы, выходящие на дневную поверхность, и
закрытые, развивающиеся лишь на некоторой глубине от поверхности.

3.

• Радиометрическими методами поисков иногда называют методы, основанные на
изучении радиационных ореолов. Вследствие распространенности закрытых ореолов
важной характеристикой полевых (поисковых) методов является их глубинность, т. е.
максимальная мощность неактивных отложений, перекрывающих рудное тело или
ореол рассеяния, при которой возможно обнаружение последних. Для повышения
надежности поисков радиометрическая съемка проводится в комплексе с другими
геофизическими, геологическими, гидрохимическими и геохимическими
исследованиями. Роль методов общей геофизики (электро-, магнито-, гравиразведка)
особенно велика при поисках месторождений, не имеющих выхода на дневную
поверхность. Однако ведущее место при этом остается за радиометрическими
методами, среди которых основными являются авиационный, пешеходный и автомобильный гамма-методы.

4.

Пешеходный гамма-метод.
• При поисках месторождений радиоактивных элементов и сопутствующих
им полезных ископаемых применяется пешеходный гамма-метод (гаммасъемка). Широкое применение метода обусловлено:
• Простотой методики, портативной, достаточно чувствительной, простой в
обращении аппаратуры;
• Высокой результативностью и относительно небольшой стоимостью
съемки;
• Возможностью применения в любых геоморфологических и климатических
условиях, включая горные и иные районы, недоступные для авиационных и
автомобильных гамма-методов.
• В зависимости от задач выделяют рекогносцировочную, маршрутную и площадную съемки.
• Глубинность гамма-метода. Для ее оценки рассчитаем поток у-квантов от
бесконечного полупространства, перекрытого неактивными наносами
мощностью h. Учитывая приближенный характер расчетов, будем исходить
из следующей упрощенной модели, в которой необходимо рассчитать поток
γ-квантов от бесконечного по простиранию пласта, перекрытого
неактивными наносами мощностью h. γ-излучение каждого элементарного
объема dV представляется в виде шести пучков, параллельных осям
координат и имеющих интенсивность (I0/6)*dV, где I0 – интенсивность γизлучения элементарного объема. Поток γ-излучения на поверхности земли
от тонкого активного слоя толщиной dz, лежащего на глубине z от подошвы
наносов, равен:

5.

• где μн и μп – эффективные коэффициенты поглощения γ-квантов в наносах и в пласте.
• Поток излучения от всего полупространства:
• где Фγ0 = I0/(6μп) – поток излучения при нулевой мощности наносов.
• За глубинность метода принимается мощность наносов hmax, ослабляющая
интенсивность излучения в 20 раз.
• В среднем для наносов μн ≈ 0.07 см-1, отсюда hmax ≈ 45 см.
• +Дальнейшее увеличение глубины исследования возможно лишь за счет развития
ореолов рассеяния над активными объектами.

6.

Методика проведения пешеходной съемки
• По данным рекогносцировки, предшествующей проведению поисков, уточняются
природные условия ведения работ, мощность и характер рыхлых отложений, условия
формирования в них ореолов рассеяния, нормальные значения радиоактивности
отдельных типов горных пород. Выделяются наиболее перспективные по геологическим
данным участки, намечаются маршруты, обычно в крест простирания геологических
структур, зон тектонических нарушений, контролирующих оборуденение.
• Густота точек наблюдения намечается, исходя из масштаба поисков и сложности
геологического строения. На участках простого строения с небольшим изменением
радиоактивности по маршруту расстояние между точками наблюдения достигает 20 м
при масштабе съемки 1:10 000 и 40 - 50 м при более мелком масштабе съемки. В
пределах зон тектонических нарушений, на участках частой смены пород и при больших
колебаниях радиоактивности это расстояние уменьшается вдвое.
• Пешеходную гамма съемку по маршрутам проводят путем непрерывного прослушивания
излучения пород с помощью телефона и отсчета показаний по стрелочному прибору
радиометра в отдельных точках. Оператор медленно передвигается (скорость 1—2 км/ч)
по маршруту, держа выносной датчик на высоте 5—10 см от поверхности земли. На
намеченных для наблюдения точках датчик прикладывается к обследуемой поверхности.
Отсчет записывается в мкР/ч или иногда в делениях шкалы. Кроме измерений по
маршруту оператор отклоняется от него в полосе шириной до 100 м для обследования
имеющихся там горных выработок, обнажений пород, крупных валунов, осыпей и т. П.

7.

• При обнаружении на маршруте точки с повышенным γ-излучением проводится
более тщательное обследование окружающей зоны. После нахождения точки с
максимальным в этой зоне γ-излучением проводится измерение γ-излучения в
закопушах с целью обнаружения высокоактивного образца. Аномальные точки
отмечаются на местности репером. Для определения размера аномалии
проводят дополнительные профили, параллельные маршруту (основному
профилю). На поисковом этапе параллельно проводят геологические
наблюдения, отбирают образцы пород, пробы воды, растений, донных осадков
для последующего лабораторного изучения.
• +Разновидностью пешеходной гамма-съемки является шпуровая гамма-съемка.
Она проводится на площадях, где рудные тела или их ореолы перекрыты
рыхлыми неактивными отложениями мощностью 1—3 м и более и недоступны
для обычной гамма-съемки, а применение более глубинных методов
(эманационного и др.) нецелесообразно (обводненность отложений, выход на
поверхность непроницаемых для эманации пород и т. д.). Измеряют γизлучения в шпуре (мелкой скважине) через каждые 10—20 см с помощью
радиометров с телескопическим зондом.

8.

Обработка и интерпретация
результатов
• Перевод показаний, зарегистрированных в делениях шкалы, в мкР/ч (с помощью
эталонировочного графика или переводной таблицы), и вычитание натурального
(при измерениях на поверхности) или остаточного фона (при измерениях в шпурах).
• Нанесение на радиометрическую карту результатов измерений, включая
радиоактивность обнажений, горных выработок и водопунктов.
• Графическое изображение результатов съемки в виде карты, профилей интенсивности излучения, карты изолиний интенсивности γ-излучения.
• Геологическая интерпретация результатов: изучение нормального распределения
радиоактивных элементов в различных комплексах пород; выявление участков
повышенной активности среди однотипных пород с целью проведения на этих
участках детальных исследований; выявление локальных аномалий γ-поля и их
перспективная оценка.
• За аномалию принимают превышение активности над средним фоном пород более
чем на утроенную величину среднеквадратического отклонения нормального фона.
Аномалии γ-поля делят на три группы:
• Рудные аномалии, связанные с рудными скоплениями радиоактивных элементов
или ореолами их рассеяния. Подразделяются на урановые, уран-ториевые и
ториевые.
• Аномалии, связанные с потоками рассеяния.

9.

• Безрудные аномалии, связанные с изменением нормальной радиоактивности горных
пород, степени их обнажения и т. п.
• По интенсивности -излучения выделяют малоинтенсивные (до 3 - 4 мкР/ч),
средней интенсивности (4 - 8 мкР/ч) и интенсивные (более 8 мкР/ч) аномалии. По
протяженности аномалии разделяют на локальные (до 0,35 км) и нелокальные.
• Оценка аномалий — завершающий этап наземных поисков, имеющий
исключительное значение для определения эффективности поисковых работ. Из
большого числа аномалий, выявленных при съемке, лишь несколько процентов
оказываются связанными с рудопроявлением, а из последних лишь небольшая часть
(несколько десятков процентов) оказываются промышленными месторождениями.
• Критерии выделения, перспективных на поиски урана, аномалий:
• +Большинству выходов урановых тел и ореолов рассеяния соответствуют
относительно небольшие размеры аномалий - от десятков до 500 м. Поэтому
небольшая протяженность аномалий является критерием оценки ее
перспективности. Однако, локальные аномалии наблюдаются также над
пегматитами, и обнажениями пород с повышенными кларками радиоактивных
элементов, например тория.
• Достаточно высокая интенсивность γ-излучения, соответствующая содержанию
урана в приповерхностном слое более 0,01%, является признаком перспективности
аномалии.
• Аномалии, с содержанием урана в 2 - 3 раза выше содержания урана во вмещающих
породах, в некоторых случаях могут приниматься за перспективные.

10.

Эманационная съемка
• Эманационная съемка используется в основном при крупномасштабных поисках на
участках, закрытых рыхлыми отложениями мощностью до 5—8, иногда до 10 м. Преимуществом съемки является относительно высокая глубинность исследований, а
недостатком - резкое падение эффективности в условиях малопроницаемых, сильно
увлажненных и мерзлых грунтов.
• Физические основы. Часть атомов эманации (Rn, Tn), образующихся при распаде
изотопов радия, из минеральных зерен породы попадает в поровое пространство,
заполненное газом или жидкостью. В результате диффузии, а также движения
подземных вод, эманации могут уноситься на значительное расстояние, создавая
вокруг рудных тел газовые ореолы рассеяния.
• Отношение количества эманации, выделяющихся из породы в ее поры, ко всему
количеству образующихся эманации называется коэффициентом эманирования Кэ. Последний колеблется от долей процента в породах с плотной кристаллической решеткой
до 95 - 98% в сильно разрушенных породах. Большой диапазон изменения
коэффициента эманирования затрудняет интерпретацию результатов эманационной
съемки.
• Удельная активность эманации Сэ, в порах бесконечной однородной среды
определяется по формуле:
• Сэ = (СхКэρ)/Кп
• где Сх - удельная активность радиоактивного элемента, из которого образуется
эманация; Кп - коэффициент пористости в долях от объема породы; ρ - плотность
породы, г/см3.

11.

где Сэ0 – концентрация эманаций на границе эманирующего пласта; Сэ – концентрация эманаций
в точке с координатами (x, y, z); λ – постоянная распада радона; D – коэффициент диффузии
эманаций в наносах.
На рисунке показано изменение концентрации радона в зависимости от расстояния до
рудного тела. Мощность наносовh = ∞ (сплошная линия) и h = 2 м (пунктир). Коэффициент
диффузии d = 0.01 см2/сек, λ = 3.05*10- 6 с-1 (для радона).

12.

• Глубина отбора проб подпочвенного воздуха 0.8 – 1 м, в
зависимости от типа покрышки (почвы), глубинность метода
составляет, в среднем, от 3 до 7 метров. При наличии
механических и солевых ореолов глубинность метода возрастает.
Основным фактором, определяющим глубинность съемки для
данного изотопа, является коэффициент диффузии D. Он растет с
увеличением пористости и проницаемости пород и почв, а также с
уменьшением их влажности. Именно низким значением D
обусловлена неэффективность эманационных поисков в условиях
заболоченности, вечной мерзлоты, моренных отложений, а также
частично при обнажениях плотных коренных пород с низкой
проницаемостью.
• +Наиболее благоприятны для проведения эманационной съемки
площади развития рыхлых отложений однородного состава с относительно постоянной мощностью (в пределах 1—5 м) и небольшими колебаниями нормального эманационного поля. При
мощности малопроницаемых наносов 1,5—2 м обычные
эманационные съемки малоэффективны и вместо них используют
глубинные поиски.

13.

Методика исследований.
• Различают эманационные исследования рекогносцировочные, площадные и детальные.
• Рекогносцировочная (маршрутная) съемка в плохо изученных районах на первом этапе
поисковых работ для выявления перспективности на уран площадей, закрытых
рыхлыми отложениями, и выделения благоприятных рудоконтролирующих структур и
пород. Расстояние между профилями до нескольких километров, расстояние между
точками наблюдения 10 - 25 м.
• Площадная съемка в масштабе 1:25 000 (сеть наблюдений: профили через 200м, точки
наблюдения – через 10 м) или чаще 1:10 000 (сеть наблюдений 100м; 10 м) используется
для непосредственных поисков новых рудных полей и отдельных месторождений.
• +Детальная съемка в масштабе 1:5000 (сеть наблюдений 50м; 5 м) или 1:2000 (сеть
наблюдений 20м; 2,5 м) используется с целью исследования выявленных
радиометрических аномалий и оконтуривания рудных тел.

14.

Обработка и интерпретация результатов.
• Результаты эманационной съемки изображают в виде графиков концентрации эманации по профилям, на которые наносится схематическая геологическая основа. По
результатам детальных работ строят карты изоэман.
• Задачей интерпретации является выделение среди обнаруженных аномалий тех из них,
которые представляют интерес для дальнейшего исследования, т. е. рудных и
ореольных. При оценке аномалий учитывают следующие факторы:
• Концентрация эманации является надежным признаком рудной или ореольной
аномалии лишь при ее значениях свыше 1000 эман.
• Одним из наиболее информативных факторов является изменение концентрации
аномалий с глубиной в шпурах и мелких скважинах . Для рудных аномалий характерен
непрерывный рост, причем с глубиной градиент концентраций растет. Для аномалий
эманирования концентрация по глубине остается постоянной. Для остальных типов
аномалий характерно выполаживание кривой или нерегулярные изменения с глубиной.
• Ореольные аномалии характеризуются широким площадным распространением и
изометрической формой.

15.

Комплекс радиометрических исследований на разных
стадиях поисков и разведки месторождений радиоактивных
руд.
• Выбор комплекса методов исследования должен учитывать геологические,
гидрогеологические, геоморфологические особенности района.
• Из геологических факторов наиболее сильное влияние на эффективность
радиометрической съемки оказывают тектоническое строение,
неоднородность поверхностных отложений и мощность наносов. От этого
зависит постоянство нормального фона, эманирующая способность пород,
ослабление γ-излучения и эманации наносами. Поэтому параллельно с
радиометрическими исследованиями поисково-разведочные работы включают
также изучение состава, свойств пород, их тектоники и т. п.
• Из геоморфологических особенностей района основное значение имеет
степень обнаженности пород, определяющая возможность применения
методов той или иной глубинности.

16.

• Развитие гидросети в исследуемом районе, способствуя развитию водных и
солевых ореолов, часто способствует применению различных методов
радиометрической съемки. Свободный обмен подземных и поверхностных
вод способствует нарушению радиоактивного равновесия с недостатком
радия, что ограничивает возможность применения гамма-метода. Высокий
уровень грунтовых вод снижает эффективность эманационной съемки.
Районы с вечной мерзлотой и повышенной влажностью не благоприятны
для эманационной съемки.
• Выбор комплекса радиометрических методов базируется на районировании
территории по условиям ведения поисково-разведочных работ. С учетом
степени расчленения рельефа, условий эрозионного вскрытия пород,
вмещающих рудные тела, характера четвертичного покрова и ряда других
факторов выделяют четыре типа районов:
• Горные области с сильно пересеченным рельефом; породы с урановым
оруденением хорошо обнажены.
• Предгорные и некоторые горные области с рельефом средней сложности.
Коренные породы, несущие оруденения, частично обнажены, частично
покрыты четвертичным покровом.
• Районы со слабовсхолмленным рельефом и сплошным перекрытием
коренных пород рыхлыми отложениями небольшой мощности (от
нескольких метров до первых десятков метров) разделяют на два подтипа:
районы, где механические и солевые ореолы хотя бы спорадически выходят
на поверхность; районы, в основном закрытые аллохтонными осадками.

17.

• Районы, где формации, несущие оруденения, не вскрыты эрозией, а также районы с
большой мощностью четвертичного покрова (более 30—40 м).
• На каждом этапе геологоразведочных работ комплекс методов различен.
• На этапе региональной геологической съемки поиски урановых месторождений являются
не основной, а попутной задачей (массовые поиски). Основным методом массовых
поисков является пешеходная гамма-съемка, проводимая в процессе геологической
съемки повсеместно. Для проверки аномалий или рудопроявлений применяют в
небольшом объеме гамма-спектрометрию и уранометрическую съемка по донным
осадкам. Кроме того, обязательно проводится обследование на радиоактивность
коллекций образцов руд, всех карьеров, горных выработок, старых и действующих
рудников.
• При проведении специализированных поисков урановых месторождений для
перечисленных типов районов применяются следующие комплексы методов.
• В районах I типа (горные районы) основным методом является пешеходная гамма-съемка.
На участках, покрытых делювиальными отложениями небольшой мощности, применяют
шпуровую гамма-съемку, реже эманационную. При детализации аномалий применяют
гамма-профилирование, исследование обнажений, расчисток и канав, для количественной
оценки радиоактивности - гамма-опробование, для определения типа радиоактивности –
гамма-спектральные измерения.
• В районах II типа применяют главным образом пешеходную гамма-съемку, а на слабо
обнаженных участках - эманационную.
• В районах III типа на первом этапе работ проводится авиагамма-съемка относительно
мелкого масштаба (1:25 000). Для проверки и оценки выделенных аномалий используют
пешеходную и шпуровую гамма- и эманационную съемки, а для детального изучения
аномалий — радиометрическое опробование горных выработок.
• В районах IV типа основным является гамма-метод исследования скважин в комплексе с
изучением керна и вод.

18.

Применение радиометрических методов для изучения
геологического строения района, поисков и разведки
нерадиоактивных полезных ископаемых.
• Данные о содержании радиоактивных элементов в горных породах несут информацию
о типе горных пород, условиях их образования и последующего изменения. Для многих
полезных ископаемых наблюдаются генетические или парагенетические связи с
радиоактивными элементами. Это позволяет решать такие геологические задачи, как
литологическое расчленение горных пород, геологическое картирование (в частности,
прослеживание тектонических нарушений), поиски и разведка полезных ископаемых.
• Литологическое расчленение горных пород методами радиометрии основано на
различии их радиоактивности. Особенно важен гамма-метод исследования скважин в
комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин
осуществляется без отбора керна или процент выноса керна невелик.
• Повышенная радиоактивность зон тектонических нарушений обусловлена как
гидротермальными изменениями и подъемом радиоактивных флюидов по трещинам,
так и повышенной эманирующей способностью пород в этой зоне.
• Примером использования радиометрии для геологического картирования является
оконтуривание структур в осадочной толще при поисках нефтяных и газовых
месторождений. Над многими известными месторождениями нефти и газа наблюдается
понижение γ-излучения (в основном ее радиевой составляющей). Это явление
объясняется тем, что в районах с молодой тектоникой породы над сводами структур

19.

• Примером использования радиометрии для геологического картирования является
оконтуривание структур в осадочной толще при поисках нефтяных и газовых
месторождений. Над многими известными месторождениями нефти и газа наблюдается
понижение γ-излучения (в основном ее радиевой составляющей). Это явление объясняется
тем, что в районах с молодой тектоникой породы над сводами структур более
грубозернистые, чем на крыльях этих структур, поскольку в момент отложения осадков
глубина бассейна на своде была меньше.
• Радиометрические методы широко применяются на всех этапах поисков и разведки
нерадиоактивных полезных ископаемых, генетически и парагенетически связанных с
ураном и торием. Поскольку радиоактивные элементы в виде минералов или изоморфных
примесей присутствуют во всех пегматитах, то, например, для поисков пегматитовых
редкоземельных месторождений с успехом используются гамма и эманационные методы.
Радиометрические методы полезны при поисках осадочных месторождений ванадия,
молибдена, фосфоритов, углей и ряда других полезных ископаемых, также нередко
отмечаемых повышением радиоактивности. Эти методы успешно применяются для поисков
титановых россыпных месторождений, в которых всегда присутствуют циркон и монацит,
содержащие примеси урана и тория. Наконец, радиометрические методы широко
применяются при разведке месторождений