Материал: Области применения ГГМ-П

Области применения ГГМ-П

Содержание

Введение

. Физические основы метода

.1 Сущность метода и его физические основы

.2 Процессы взаимодействия излучения

.3 Схема реализации зондового устройства

.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

. Методика и техника работ

.1 Метод просвечивания узким пучком γ-излучения

.2 Обработка измерений и вычисление плотности

.3 Метод просвечивания широким пучком γ- излучения. Измерение плотности поверхностных слоев

.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

.5 Методы регистрации γ-излучения

.6 Аппаратура применяемая при реализации метода

. Применение метода

.1 Области применения ГГМ-П

.2 Другие возможности применения ГГМ-П

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ядерно-геофизические методы разведки являются средством анализа горных пород и руд в широком смысле этого слова. С их помощью можно определить вещественный состав горных пород и полезных ископаемых, а также такие свойства, как плотность, влажность, пористость и некоторые другие. Ядерно-геофизические методы применяют при поисках и разведке самых различных полезных ископаемых. По своей сути они являются составной частью геохимических методов разведки, так как их применение и интерпретация результатов базируются на закономерностях распределения и миграции элементов в земной коре.

Ядерно-геофизические методы обладают небольшим радиусом действия (глубинностью) - не более нескольких десятков сантиметров. Эта особенность во многом определяет их возможность и место в геологораз-ведочном производстве: исследование поверхности горных пород, анализ пород в горных выработках и скважинах. Существенное достоинство ядерно-геофизических методов состоит в том, что они являются в большинстве случаев прямыми методами определения тех или иных полезных ископаемых или физических свойств пород.

Ядерно-геофизические методы разведки основаны на использовании излучений естественных и искусственных радиоактивных элементов.

Методы изучения естественной радиоактивности - радиометрия - исторически развивались обособленно и в настоящее время разработаны более детально, чем методы искусственной радиоактивности. Обычно под ядер но-геофизической разведкой понимают методы, основанные на использовании искусственных источников ионизирующего излучения. Методы, основанные на изучении естественной радиоактивности, в на-стоящей книге не рассматриваются.

Существует несколько десятков ядерно-геофизических методов, но на практике применяются не все. Они условно делятся на две группы: гамма-методы, основанные на использовании источников у-излучения и изучении у-полей, и нейтронные методы, в которых изучают поля нейтронов или связанное с нейтронным полем у-излучение. Классификация ядерно-геофизических методов окончательно не разработана, поэтому нередко встречаются различные названия одного метода. Общепризнанной считается классификация, но которой название метода включает обозначение первичного ионизирующего излучения, воздействующего на горную породу, и вторичного излучения, которое испускается горной породой и анализируется детектором: например гамма-гамма-метод (ГГМ), нейтрон-нейтронный метод (НИМ), нейтронный гамма-метод (НГМ).

Важный метод изучения радиоактивных руд и геологического разреза - гамма-каротаж (ГК) - предложили и осуществили в1934 г Г. В. Горшков, Л. М. Курбатов и В. А. Шпак. В 1937 г. Г. В. Горшков обосновал гамма-нейтронный метод анализа бериллиевых руд. В 1941 г. родился еще один метод ядерно-геофизической разведки - нейтронный гамма-каротаж (НГК), предложенный Б. М. Понтекорво. В 1946 г. Г. В. Горшков и Н. М. Лятковская опубликовали статью, в которой были изложены результаты проведенных в 1942-1944 гг. работ по обоснованию нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) и соответствующей каротажной аппаратуры. Позже ННК нашел применение как способ определения влажности грунтов (Белчер Д. Дж. и др., 1950). В 1950 г. Бердан, Бернард и Белчер применили гамма-гамма- метод (ГГМ-П) для измерения плотности почв и грунтов. Плотностной гамма-гамма-каротаж на угольных и рудных месторождениях осуществлен в 1954-1957 гг. советскими учеными (Ю. П. Булашевичем, Г. М. Воскобойниковым, А. П. Очкуром, Е. М. Филипповым). Один из важных методов ядер но-геофизической разведки - активационный (AM) - предложил в 1940 г. Фирон; в развитие метода внесли большой вклад советские ученые, работающие над AM с 1950-1953 гг. под руководством Г. Н. Флёрова и Ф. А. Алексеева. В 1957 г. Г. М. Воскобойников предложил гамма-гамма-метод опробования руд тяжелых элементов (селективный гамма-гамма-каротаж - ГГК-С), получивший в последующие годы широкое применение. Советские ученые обосновали и применили импульсный нейтрон-нейтронный каротаж(ИННК), разработка которого начиная с 1958 г. выполнялась под руководством Г. Н. Флёрова. Следует отметить быстро прогрессирующий изотопный рентгеноспектральный (рентгенорадиометрический) метод анализа руд, создание которого связано с именем А. Л. Якубовича (1958 г.).

Советские ученые внесли большой вклад в развитие теории ядерно-геофизических методов. Основополагающими явились работы В. И. Баранова, Ю. П. Булашевича, Г. В. Горшкова, А. Г. Грамматикова. Теория нейтронных методов формировалась в работах С. А. Кантора, Д. А. Кожевникова, А. Л. Поляченко и др. Развитие теории гамма-методов связано с именами Г. М. Воскобойникова, И. Г. Дядьнна, Е. М. Филиппова и др. Из зарубежных исследователей следует отметить Титмана, Колдуэла, Титла.

В СССР сформировались и успешно работают научные коллективы, которые разрабатывают ядерно-геофизические методы. Одной из старейших является лаборатория ядерной геофизики Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. И. М. Губкина (В. Н. Дахнов, А. И. Холин), которая занимается разработкой нейтронных методов применительно к разведке нефтяных и рудных месторождений. Здесь же разрабатывался гамма-каротаж как метод исследования осадочного разреза (В. В. Ларионов). На Урале в Институте геофизики УФ АН СССР выполнены работы по развитию гамма-методов ядерной геофизики (Ю. П. Булашевич, Г. М. Воско- бойников). Обширные исследования выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной геофизики и геохимии (ВНИИЯГГ) по развитию многих ядерно-геофизических методов (Д. И. Лейпунская, В. М. Запорожец, И. И. Фельдман и др.). Разработка ядерно-геофизических методов применительно к опробованию рудных месторождений проводится во Всесоюзном институте разведочной геофизики (М. М. Соколов, А. П. Очкур). Вопросы применения ядерно-геофизических методов на нефтяных и газовых месторождениях успешно разрабатывались в Волго-Уральском филиале ВНИИ - Геофизики (Ю. А. Гулин и др.). Обширная программа исследований по нейтронным и гамма-методам ядерной геофизики выполнена в Институте геофизики СО АН СССР (Е. М. Филиппов, Е. Б. Бланков, Т. Н. Бланкова) и в Казахском филиале Всесоюзного института разведочной геофизики (И. П. Кошелев). Исследовательские ядерно- геофизические группы имеются в Сверллоеском горном институте (Г. С. Возженников), Ленинградском горном институте (В. А. Арцыбашев), Ленинградском университете (В. А. Мейер) и др.

Ядерно-геофизические методы в настоящее время широко применяются при разведке угольных, нефтяных и рудных месторождений. Особо следует отметить эффективнее применение ядерно-геофизических методов опробования на рудниках черных и цветных металлов, где их внедрение позволяет коренным образом усовершенствовать технологические процессы добычи полезных ископаемых. Применение ядерно- геофизических методов дает ежегодно большой экономический эффект, улучшает качество, повышает темпы геологоразведочных работ.

. Физические основы метода

.1 Сущность метода и его физические основы

Изучение плотности пород и руд гамма-гамма-методом (ГГМ-П) выполняют, помещая в среду или на поверхность среды источник γ-излучения и детектор, регистрирующий γ-поле на небольших расстояниях от источника ( до 50-70 см). При некоторых условиях поглощение и рассеяние γ-квантов, испускаемых источником, зависит только от плотности среды, поэтому измерение ослабленного γ-излучения позволяет определять плотность.

Существует три модификации ГГМ-П: метод просвечивания узким пучком γ-излучения, или метод первичного γ-излучения; метод просвечивания широким пучком, или метод широкого пучка, и метод регистрации рассеянного γ-излучения.

В методе узкого пучка с помощью свинцовых диафрагм или радио-техническим путем выделяют первичное γ-излучение источника, проходящее через образец или слой горной породы. Метод применяют главным образом в лабораторных условиях.

В методе широкого пучка источник и детектор, не имеющие коллиматоров, помещают в две параллельные скважины и просвечивают слой породы между ними. При этом детектор регистрирует как первичное, так и многократно рассеянное γ-излучение.

В методе рассеянного γ-излучения детектор и источник соединены в единую конструкцию (зонд). Между ними находится свинцовый экран, поглощающий первичное γ-излучение источника. Зонд помещают в скважину или на поверхность горной породы и регистрируют только γ-излучение, рассеянное породой.

С помощью ГГМ-П определяют абсолютные значения плотности пород и руд в лаборатории, в полевых условиях и в скважинах. Точность измерений высокая (погрешность 1-3%), что достаточно при использовании ГГМ-П для изучения плотности горных пород в процессе геофизических исследований (методами гравиразведки и сейсморазведки), при расчленении геологического разреза и идентификации пород, а также для использования значений плотности руд при подсчете запасов полезных ископаемых.

1.2 Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Вероятность поглощения τф, при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии γ-кванта Еγ и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние - это неупругое рассеяние γ-квантов на электронах вещества, в результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Еγ > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта τγ зависит от сечения комптоновского рассеяния σк, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества пe.

Рисунок 1- Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом:

Фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в), ядерный фотоэффект (г) .

Образование пар - происходит при взаимодействии γ-кванта с полем ядра атома, γ-квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Вероятность этого процесса невелика, во-первых, потому, что ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (Eγ > 1,02 МэВ).

Процесс образования пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона. Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия γ-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера.

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ-γ-каротаж.

Для узкого пучка гамма - квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

J = J₀ exp ( - μ^∑ * r)       [1.1]

где, μ^∑ = τ_ф^макр + τ_эп^макр + σ_к^макр

μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Для перехода к 4π пространству, введём множитель в формулу 2.1:

J =(1/4πr²) J₀ exp ( - μ^∑ * r) [1.2]

Из приведённых в главе формул микроскопических сечений взаимодействия можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон - эффекта однозначно зависит от плотности среды. Действительно, отношение Z / A_m для породообразующих минералов стабилен и равен 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит погрешность, на мой взгляд, меньший, чем погрешность измерений, и ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон - эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.

Эффект Комптоновского рассеяния имеет смысл некогерентного (рис 3). В среде также возможно упругое (когерентное) рассеяние. Но когерентное рассеяние начинает происходить при энергиях гамма - кванта менее приблизительно 50 кэВ, а гамма - кванты с такой энергией фильтруются.

Из вышесказанного понятно, что для определения плотности информация, полученная в процессе искажения первичного потока гамма - квантов другими видами взаимодействий, является помехой. Для решения этой задачи рассмотрим вероятности протекания различных видов взаимодействий в зависимости от энергии гамма - квантов.

Взаимодействие с образованием электронно - позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолровой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон - эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Сделаем вывод, что если снимать информацию с гамма - квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма - квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма - квантов J_yy [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.

Как было показано в главе 1, рис 3 - б при рассеянии гамма - кванты меняют свою первоначальную траекторию на некоторый угол θ, с вероятностью, зависящей от энергии. В интервале рабочих энергий углы рассеяния лежат в области 2π, причем отражения на угол более 90 становятся вероятнее с снижением энергии, таким образом накапливаются. Распределение плотности гамма - квантов зависит от двух параметров - плотности и расстояния от источника.

Существует окно значений, в котором изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма - квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из - за возврата гамма - квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Совершенно понятно, что данные, полученные из инверсионной области для данной модификации некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление об величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора, воздействием ПРИ. Это главная и безусловная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды.