Полевые радиометрические методы

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.

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.

применяется пешеходный гамма-метод (гамма-съемка). 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 γ-излучения элементарного объема. Поток γ-излучения на поверхности земли от тонкого активного слоя толщиной dz, лежащего на глубине z от подошвы наносов, равен:

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.

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.

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 γ-излучения в шпуре (мелкой скважине) через каждые 10—20 см с помощью радиометров с телескопическим зондом.

(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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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 калийных солей.