Естественная радиоактивность горных пород

Естественная радиоактивность горных пород (лабораторные методы изучения физических свойств)

Естественная радиоактивность горных пород обусловлена присутствием в них радионуклидов – нестабильных изотопов, способных к самопроизвольному распаду с испусканием ионизирующего излучения. Основные природные радиоактивные элементы — уран (U), торий (Th) и калий-40 (⁴⁰K). Эти элементы входят в состав минералов, формирующих породы, и, несмотря на низкое содержание, играют важную роль в геофизических исследованиях, так как радиоактивное излучение может быть зарегистрировано и количественно измерено.

Формы излучения

Естественная радиоактивность проявляется через следующие типы излучения:

  • Альфа-излучение — поток ядер гелия (²⁴He²⁺), проникающая способность крайне низкая, но ионизирующая способность высокая.
  • Бета-излучение — поток электронов (или позитронов), проникающая способность выше, используется в ряде лабораторных исследований.
  • Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии, обладает большой проникающей способностью и широко используется в геофизике для анализа состава пород.

Радиоактивные элементы в горных породах

Содержание радионуклидов в горных породах различно:

  • Уран и торий концентрируются преимущественно в кислых и метаморфических породах** (граниты, гнейсы).
  • Калий-40 присутствует во всех силикатных минералах, содержащих калий (например, в полевых шпатах, мусковите, биотите).

Значения содержания (в среднем):

  • Калий: 1–3 %
  • Уран: 1–5 ppm
  • Торий: 5–20 ppm

Методика лабораторных измерений радиоактивности

Подготовка образцов

Перед началом измерений образцы горных пород проходят стандартную подготовку:

  • сушка при температуре 105 °C до постоянной массы;
  • дробление до фракции 0,25–1 мм;
  • герметизация образцов в измерительных сосудах (для обеспечения радиационного равновесия дочерних продуктов распада, особенно для урана-радия).

Приборное оснащение

Для измерения естественной радиоактивности применяются следующие типы детекторов:

  • сцинтилляционные счетчики (например, с кристаллом NaI(Tl)) — наиболее распространены;
  • газоразрядные счетчики (Гейгера-Мюллера);
  • полупроводниковые детекторы (Ge(Li), HPGe) — применяются для спектрометрии гамма-излучения.

Измерения проводят в условиях, исключающих влияние фона (экранирование свинцом не менее 5 см), а также с учетом времени накопления спектра (обычно не менее 1000–2000 с).

Основные методы лабораторного анализа

Гамма-спектрометрия

Используется для качественного и количественного анализа излучения. Позволяет определить содержание урана, тория и калия по характерным гамма-пикам:

  • ¹⁴⁶⁰ кэВ (⁴⁰K),
  • ²⁶¹⁴ кэВ (²¹⁴Bi, из цепочки распада урана),
  • ²⁶⁰ кэВ (²²⁸Ac, из цепочки тория).

По интенсивности пиков рассчитывают активность элементов в беккерелях на килограмм (Бк/кг).

Радиометрия

Простейшая методика, основанная на регистрации общего уровня излучения от образца. Не дает спектральной информации, но эффективна для сравнительной оценки радиоактивности между разными образцами.

Трековые методы

Основаны на регистрации альфа-частиц, оставляющих повреждения (треки) в специальных детекторах (пластинах из слюды или полимеров). Применяются для оценки плотности потока и возраста минералов (метод спонтанных треков).

Вычисление содержания радиоактивных элементов

Для перевода зарегистрированной активности в массовую долю элементов используют пересчетные коэффициенты, зависящие от типа детектора, геометрии измерения и матрицы образца.

Например, для калиброванного сцинтилляционного гамма-спектрометра:

  • 1 % калия соответствует примерно 310 Бк/кг по ⁴⁰K,
  • 1 ppm урана — около 12,3 Бк/кг (по ²³⁸U),
  • 1 ppm тория — около 4,1 Бк/кг (по ²³²Th).

Корректировка на радиевое равновесие

В природных условиях и в лабораторных образцах возможен выход из равновесия между ураном и его дочерними продуктами (особенно в присутствии воды). Для достоверных измерений образцы выдерживают в герметичной упаковке не менее 21 суток перед измерением.

Практическое применение лабораторных методов

  1. Геологоразведка — локализация зон обогащения ураном и торием.
  2. Петрология — идентификация типов пород по их радиоактивному “подписью”.
  3. Экология и радиационный мониторинг — оценка радиационного фона и загрязнения.
  4. Датирование — радиометрическое определение возраста пород и минералов.

Характеристики радиоактивности основных типов пород

Тип породы Содержание U (ppm) Th (ppm) K (%) Суммарная активность (Бк/кг)
Граниты 3–5 10–20 3 1000–2000
Гнейсы 2–4 8–15 2 800–1500
Базальты <1 <2 0.5 100–300
Песчаники 1–3 5–10 1 300–800
Известняки 0.2–1 <2 0.1 50–150

Меры предосторожности при лабораторной работе

  • Использование индивидуальных дозиметров;
  • Проведение работ в радиационно-защищённых помещениях;
  • Контроль радиационного фона в лаборатории;
  • Надежная герметизация образцов;
  • Утилизация радиоактивных отходов в соответствии с санитарными нормами.

Особенности интерпретации результатов

Результаты лабораторных измерений требуют аккуратной интерпретации:

  • Содержание радиоактивных элементов может не отражать общей радиоактивности (например, при нарушении равновесия в урановой серии).
  • Неоднородность распределения радионуклидов в породе влияет на воспроизводимость.
  • Влажность образцов может снижать регистрируемую активность гамма-излучения (экранный эффект воды).

Связь с другими физическими свойствами

Радиоактивность часто коррелирует с плотностью, минеральным составом и пористостью пород. Повышенная радиоактивность может свидетельствовать о присутствии кислых интрузивных пород, зон метасоматоза или изменений, связанных с гидротермальными процессами. Это делает радиоактивность важным индикатором в геофизической и геохимической интерпретации.

Оглавление