Радиоактивные свойства

Радиоактивные свойства горных пород: лабораторные методы изучения

Радиоактивность — это способность некоторых нестабильных изотопов атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и электромагнитного излучения. В геологических и геофизических задачах основное внимание уделяется естественной радиоактивности, обусловленной присутствием в земной коре радиоактивных элементов: урана (U), тория (Th) и калия-40 (⁴⁰K). Эти элементы, особенно в форме оксидов (UO₂, ThO₂, K₂O), накапливаются преимущественно в кислых породах (гранитах, риолитах), а также в некоторых осадочных образованиях.

Понимание радиоактивных свойств необходимо при геологоразведке, изучении состава горных пород, термохронологии, палеотемпературных реконструкциях и оценке теплового потока Земли.

Основные параметры радиоактивности

  • Активность (A) — количество радиоактивных распадов в единицу времени (измеряется в беккерелях, Бк, или в кюри, Ки);
  • Удельная активность — активность, приходящаяся на единицу массы породы (Бк/кг);
  • Мощность поглощённой дозы — характеризует интенсивность ионизирующего излучения, измеряется в грэй/ч или мкГр/ч;
  • Концентрация радионуклидов — массовая или объемная доля радиоактивных изотопов, часто выражается в ppm или %.

Типы излучения

  • Альфа-излучение — тяжёлые положительно заряженные частицы (ядра гелия), поглощаются на небольших расстояниях (до нескольких см в воздухе, микрометры в породах);
  • Бета-излучение — электроны и позитроны, более проникающее, но также ограниченное по дальности;
  • Гамма-излучение — электромагнитные волны высокой энергии, способные проникать сквозь значительные толщи вещества, именно гамма-излучение наиболее широко используется в геофизических измерениях.

Лабораторные методы измерения радиоактивности

Гамма-спектрометрия

Один из наиболее точных и универсальных методов. Позволяет количественно определить содержание ⁴⁰K, ²³²Th и ²³⁸U за счёт анализа энергии и интенсивности гамма-линий, излучаемых их дочерними продуктами распада.

Оборудование:

  • Сцинтилляционные детекторы (NaI(Tl), CsI(Tl)) — применяются в полевых и лабораторных условиях;
  • Германиевые полупроводниковые детекторы (HPGe) — обеспечивают высокое энергетическое разрешение;
  • Системы регистрации спектров (анализаторы, усилители, цифровые процессоры данных).

Методика:

  1. Проба помещается в радиометрическую ячейку;
  2. Детектор регистрирует поступающие гамма-кванты;
  3. Полученный спектр анализируется по линиям характерных энергий;
  4. Вычисляется удельная активность и концентрации элементов.

Преимущества: высокая точность, возможность выявления изотопного состава, отсутствие необходимости разрушения образца.

Ограничения: чувствительность к геометрии и массе образца, необходимость радиометрического экранирования.

Альфа- и бета-счётчики

Используются для регистрации низкоэнергетического излучения, испускаемого вблизи поверхности образцов.

Альфа-счётчики:

  • Газоразрядные и сцинтилляционные системы;
  • Применяются для анализа тория и урана после химического выделения.

Бета-счётчики:

  • Используются в дозиметрии и при изучении активности изотопов, испускающих бета-частицы, например, ⁹⁰Sr.

Особенности:

  • Требуют пробоподготовки (осаждение радионуклидов);
  • Высокая чувствительность, но низкая проникающая способность требует точной геометрии.

Жидкостная сцинтилляционная спектрометрия

Применяется для регистрации слабых бета-излучателей, часто в биогеохимических исследованиях. Метод основан на регистрации вспышек света, возникающих при взаимодействии бета-частиц с жидкой сцинтилляционной средой.

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)

Хотя не является прямым методом измерения радиоактивности, позволяет определить концентрацию элементов (U, Th, K), на основании которых можно рассчитать радиоактивный тепловыделяющий потенциал породы.

Термолюминесцентные и фотолюминесцентные методы

Применяются для измерения накопленной дозы радиации в минералах, что используется в датировке отложений и тектонических событий (термолюминесцентное датирование).

Пробоподготовка и калибровка

Подготовка образцов включает:

  • Сушка до постоянной массы;
  • Измельчение до стандартной фракции (например, менее 0,2 мм);
  • Гомогенизация;
  • Помещение в стандартные контейнеры (металлические, пластиковые или стеклянные) с фиксированной массой и объёмом.

Калибровка оборудования:

  • Производится по стандартным образцам (ГСО), сертифицированным на содержание радионуклидов;
  • Обязательно учитываются эффекты самопоглощения, геометрии, комptonовского рассеяния.

Изучение теплового потока и тепловыделения

Радиоактивный распад урана, тория и калия является источником тепла в земной коре. В лабораторных условиях, определяя содержание этих элементов, можно вычислить:

Q = 9.52 ⋅ CU + 2.56 ⋅ CTh + 3.48 ⋅ CK  [μW/m3]

где

  • CU, CTh, CK — концентрации урана, тория и калия соответственно.

Этот параметр имеет ключевое значение при моделировании тепловых полей и расчёте геотермальных градиентов.

Радиоактивные методы в задачах датирования

Использование радиоактивных изотопов лежит в основе изотопного датирования:

  • U–Pb-метод (на цирконах) — для датировки архейских и протерозойских пород;
  • K–Ar и Ar–Ar методы — для вулканических образований;
  • Th–Pb и Rb–Sr методы — в стратиграфии и тектонотермической реконструкции;
  • (U–Th)/He и Fission Track — в термо-хронологии.

Для всех методов важна высокая точность лабораторных измерений содержания родительских и дочерних изотопов, что требует масс-спектрометрического анализа и прецизионной пробоподготовки.

Экологические и радиационные аспекты

Лабораторные методы радиоактивности также применяются в целях оценки радиационной обстановки:

  • контроль строительных материалов;
  • мониторинг радона в горных выработках;
  • оценка радиационной безопасности геотермальных и урановых месторождений.

Методы, ориентированные на гамма-спектрометрию и дозиметрию, позволяют определить радиационные характеристики с точностью, достаточной для инженерных и санитарных расчётов.

Заключительные замечания по лабораторной практике

Работа с радиоактивными материалами требует соблюдения строгих норм радиационной безопасности: индивидуальные дозиметры, экранирование, удалённое обращение с высокоактивными пробами, регулярная поверка оборудования. Протоколы измерений должны быть тщательно стандартизированы, с обязательной верификацией результатов по контрольным образцам.

Современные лаборатории геофизики, оснащённые высокоточным радиометрическим оборудованием, играют важнейшую роль в фундаментальных и прикладных исследованиях литосферы, включая прогнозирование месторождений, анализ тектонической эволюции и изучение теплового режима Земли.

Оглавление