Методы ядерной геофизики

Общие принципы ядерных методов

Ядерные методы в геофизике основаны на использовании взаимодействия ионизирующего излучения с веществом горных пород. Применяются как естественные источники излучения (естественная радиоактивность), так и искусственные (радиоактивные изотопы, генераторы нейтронов, ускорители). Характеристики взаимодействия частиц с веществом позволяют получать данные о плотности, пористости, водонасыщенности, составе пород и содержании полезных компонентов.

Основные типы излучений, используемых в ядерной геофизике:

• γ-излучение (гамма);
• нейтроны;
• β-излучение (бета);
• α-излучение (альфа).

Наиболее широкое применение получили гамма- и нейтронные методы, ввиду их высокой проникающей способности и чувствительности к изменениям состава вещества.

Гамма-спектрометрия и гамма-каротаж

Гамма-спектрометрия позволяет измерять интенсивность и энергетический спектр естественного γ-излучения пород. Это излучение связано главным образом с радиоактивными распадами элементов урана (U), тория (Th) и калия-40 (K-40). Метод позволяет:

• определять литологию пород;
• устанавливать границы пластов;
• выделять продуктивные горизонты по аномалиям радиогенности.

Современные спектрометры разделяют гамма-спектр на узкие энергетические диапазоны, что позволяет проводить количественный анализ содержания U, Th и K.

Гамма-каротаж — это регистрация естественного гамма-излучения в скважинах. Различают:

• естественный гамма-каротаж (ГК): используется без внешнего источника излучения;
• спектральный гамма-каротаж (СГК): определяет по спектру концентрации отдельных радиоэлементов.

Гамма-гамма-плотностной метод

В этом методе используется искусственный источник гамма-излучения. Его взаимодействие с породами происходит по механизму комптоновского рассеяния. Интенсивность рассеянного γ-излучения зависит от плотности среды. Метод применяется:

• для определения плотности горных пород в скважинах;
• при инженерно-геологических изысканиях;
• при контроле качества бетонных конструкций и заполнителей.

Различают одно- и двухдетекторные схемы, а также ближнюю и дальнюю геометрию размещения детектора, от чего зависит глубина зондирования и чувствительность метода.

Нейтронные методы

Нейтроны обладают высокой проникающей способностью и активно взаимодействуют с ядрами атомов среды. Особенно чувствительны к водородосодержащим веществам, что делает нейтронные методы незаменимыми при определении влажности, пористости, а также при обнаружении нефтенасыщенных интервалов.

Основные нейтронные методы:

• нейтрон-нейтронный каротаж (ННК);
• нейтрон-гамма-каротаж (НГК);
• активационные методы.

Нейтрон-нейтронный каротаж (ННК)

Метод основан на регистрации замедленных нейтронов, рассеянных в породе. Источником является либо радиоактивный изотоп (например, ²⁴¹Am-Be), либо генератор нейтронов. Замедление нейтронов зависит от содержания водорода, что позволяет оценить:

• пористость;
• водонасыщенность;
• фильтрационные свойства пород.

Преимуществом метода является слабая зависимость от литологии и температуры среды.

Нейтрон-гамма-каротаж (НГК)

В этом случае регистрируются γ-кванты, возникающие при захвате замедленных нейтронов ядрами пород. Спектр γ-излучения содержит информацию о химическом составе среды. Метод применяется:

• для качественного и количественного анализа элементов (Si, Al, Fe, Ca, S и др.);
• для определения типа глинистого материала;
• при оценке минерализации флюидов.

Активационные методы

Активационные методы базируются на наведении радиоактивности в породах под действием облучения нейтронами или гамма-квантами. После облучения происходит регистрация излучения, испускаемого активированными ядрами. Применяются:

• нейтронно-активационный анализ (НAA): высокая чувствительность к микро- и ультрамалым концентрациям элементов (до 10⁻⁹ г/г);
• промежуточные методы: сочетание активации и спектрометрии для анализа состава руд.

Методы эффективны при поисках руд цветных, редкоземельных, радиоактивных металлов, а также в экологических исследованиях.

Методы с использованием деления ядер

В ряде случаев используют искусственное индуцирование деления тяжёлых ядер (например, урана-235). Продукты деления регистрируются в специальных детекторах, что позволяет:

• определять содержание урана в породах;
• проводить радиометрическую разведку;
• использовать метод в системах контроля ядерных материалов.

Радиометрические методы

Радиометрия охватывает широкий спектр методов измерения ионизирующего излучения: α-, β-, γ-излучения, а также нейтронов. Радиометры применяются в полевых условиях, лабораториях и при каротажных исследованиях. Особое значение имеют:

• поисковые радиометры для экспресс-оценки радиоактивности;
• счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы;
• измерения радиоактивного фона, радиоэкологических параметров.

Методы ядерной томографии и сканирования

Применение методов томографии (нейтронной, гамма-томографии) позволяет получать пространственные распределения плотности, состава и пористости пород. Основные преимущества:

• неразрушающий контроль;
• высокая пространственная разрешающая способность;
• возможность анализа внутри герметичных кернов и проб.

Используются в лабораторных и промышленных условиях, особенно при изучении керна, моделировании процессов фильтрации, оценке неоднородности структуры пород.

Лабораторные исследования ядерными методами

В лабораториях проводятся следующие виды исследований:

• спектрометрия излучения образцов — определение удельной активности U, Th, K, Cs-137 и других нуклидов;
• нейтронная активация образцов — анализ микроэлементов;
• радиометрические измерения плотности и водонасыщенности керна;
• использование гамма- и нейтронных сканеров для детального анализа структуры кернов.

Оборудование лабораторий включает:

• сцинтилляционные и HPGe-детекторы;
• нейтронные генераторы;
• γ-источники (Co-60, Cs-137, Am-241 и др.);
• системы защиты и автоматизированной регистрации.

Контроль качества и метрология

При проведении ядерных методов необходимо строгое соблюдение норм радиационной безопасности. Все измерения подлежат метрологической поверке, калибровке оборудования, сертификации методик. Эталонные образцы, фоновые измерения, корректировки на геометрию и состав — обязательные этапы обработки данных.

Особое внимание уделяется:

• экранированию источников и детекторов;
• расчету дозовых нагрузок;
• соблюдению нормативов ИБ (инструкции, лицензии, разрешения на обращение с РИ и ИИИ).

Преимущества и ограничения ядерных методов

Преимущества:

• высокая чувствительность;
• возможность работы в герметичных, закрытых условиях;
• широкий диапазон определяемых параметров (от плотности до химического состава);
• неразрушающий характер большинства методов.

Ограничения:

• необходимость в специальных разрешениях на использование источников;
• сложность интерпретации при сложной литологии;
• влияние внешних факторов (влажность, температура, минерализация);
• необходимость обеспечения радиационной безопасности.

Применение ядерных методов

На практике ядерные методы применяются в следующих направлениях:

• нефтегазовая разведка и разработка — каротажные исследования, анализ керна;
• рудная геофизика — поиск радиоактивных, цветных, редкоземельных и других полезных ископаемых;
• инженерная геология и экология — контроль плотности и влажности, мониторинг загрязнений;
• археология, криминалистика, геохимия — анализ состава и происхождения объектов.