В России на первое место должно быть выдвинуто выяснение имеющейся на нашей территории части мировых запасов радиоактивных веществ.

В.И. Вернадский

Специфика радиометрических методов позволяет использовать их не только для лабораторного, но и для полевого определения радионуклидов. Уран и торий с продуктами распада, а также калий легко обнаруживаются в породах полевыми радиометрическими методами даже в кларковых концентрациях. Это же относится к γ-излучающим искусственным радионуклидам, в первую очередь к ¹³⁷Cs. Поэтому при решении ряда практических вопросов (геологическое и экологическое картирование, поиски радиоактивных и нерадиоактивных полезных ископаемых и др.) удобно применять сравнительно простые и дешевые радиометрические методы.

Основным условием их применения должно быть статистически значимое различие радиоактивности исследуемых пород, руд, загрязненных и чистых участков и других исследуемых объектов между собой. Обычно в процессе полевых радиометрических исследований используют приемы и принципы, разработанные для геохимических поисков (металлометрической съемки) (Соловов, 1985). Однако в отличие от металлометрической съемки, где результаты получают после окончания полевых работ и анализа проб в лаборатории, полевые радиометрические методы дают требуемую информацию непосредственно в точках опробования и позволяют при необходимости вносить коррективы в полевые наблюдения.

14.1. ПОЛЕВЫЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

14.1.1. Полевые гамма-методы

Гамма-излучение является наиболее проникающим из всех типов радиоактивных излучений, поэтому при полевых исследованиях радиоактивности пород пользуются измерением γ-излучения.

302

Глубинность метода определяется активностью излучателя, мощностью и составом перекрывающих относительно неактивных пород и чувствительностью аппаратуры. Расчеты показывают, что 99% γ-излучения радиоактивного слоя поглощается слоем неактивных пород мощностью 50 см, если их плотность ρ = 2 - 2,5 г/см³. Для практически полного поглощения γ-излучения воздухом достаточно слоя мощностью 600 - 700 м. Наиболее вероятный физический процесс поглощения естественного γ-излучения горными породами, водой и воздухом сводится к многократному комптоновскому рассеянию γ-фотонов до энергий 0,2 - 0,05 МэВ и последующему их поглощению в процессе фотоэффекта.

Рассеяние γ-излучения изменяет первичный энергетический спектр, на который накладывается непрерывный спектр рассеянных γ-фотонов. В области малых энергий рассеянное излучение преобладает. Это приводит к тому, что первичное γ-излучение с энергией меньше 0,2 МэВ не может быть выделено на фоне рассеянного излучения даже на уровне земной поверхности. По мере удаления от нее количество первичных спектральных линий уменьшается и сдвигается в жесткую область спектра.

Существует два вида измерений γ-активности в полевых условиях: интегральный и спектрометрический.

Интегральный метод заключается в измерении суммарного γ-излучения и является качественным, так как не учитывает вклад отдельных радионуклидов в измеряемую активность. Это наиболее простой и быстрый способ оценки общей радиоактивности пород.

Спектрометрические измерения позволяют определять природу излучателей и их концентрацию по энергетическому спектру γ-излучения.

Обычно при проведении полевых исследований радиоактивности земной поверхности спектрометрический метод используют для раздельного определения урана, тория, калия и ¹³⁷Cs. Сильное рассеяние мягкого γ-излучения ²³⁸U и ²³⁵Th в окружающей среде не позволяет использовать собственное излучение этих радионуклидов. Их определяют по жесткому γ-излучению продуктов распада: уран - по ²¹⁴Bi с энергией γ-фотонов 1,76 МэВ, торий - по ²⁰⁸Тl с энергией γ-фотонов 2,62 МэВ. Вследствие этого нарушение радиоактивного равновесия между торием, ураном и продуктами их распада может привести к несоответствию между результатами измерения и истинным соотношением элементов.

В практике полевой γ-спектрометрии обычно пользуются многоканальными γ-спектрометрами, в которых один канал регистрирует интегральное γ-излучение, а другие настроены на интервалы энергий, соответствующие ²¹⁴Bi, ²⁰⁸Ti, ⁴⁰K, ¹³⁷Cs и т.д.

303

Полевой γ-метод имеет несколько вариантов: пешеходный, автомобильный, аэрогаммаметод, гамма-каротаж.

Пешеходный гамма-метод является наиболее распространенным, простым и доступным по сравнению с другими и может быть использован практически в условиях любой местности. Он заключается в точечном измерении γ-излучения на поверхности пород с помощью легкого переносного прибора. В процессе работы оператор имеет возможность осуществлять точную геологическую привязку точек измерения и в случае необходимости отбирать образцы для более детального исследования.

Приборы для пешеходных измерений должны обладать небольшой массой, стабильно работать в большом диапазоне температур и в условиях повышенной влажности. В пешеходных радиометрах, как и в большинстве других типов радиометров, используют сцинтилляционные детекторы с NaI (Tl), характеризующиеся хорошими спектрометрическими свойствами и высокой эффективностью по отношению к γ-излучению естественных радионуклидов. При поисковых работах широко используют приборы, работающие только в интегральном режиме. Пешеходные γ-спектрометры применяют при более детальных исследованиях.

Автомобильный вариант гамма-метода заключается в непрерывном измерении γ-активности пород с движущегося автомобиля. Естественно, метод применим только в районах, доступных для автотранспорта. Он обладает большей производительностью, чем пешеходный метод, в комплексе с которым обычно и проводится. Автомобильный метод имеет много общего с аэрогаммаметодом и использует принципиально схожую γ-спектрометрическую аппаратуру, так как оба метода требуют непрерывной записи γ-излучения в движении, в удалении от излучающей поверхности.

Аэрогаммаметод состоит в непрерывной регистрации γ-излучения с самолета или вертолета в движении. Метод обладает наибольшей производительностью по сравнению с другими, позволяет с высокой скоростью исследовать γ-активность больших площадей и проводить работы в районах, трудно доступных для других методов. Так как измерения γ-активности аэрорадиометрическим методом производятся в значительном удалении от излучающих объектов, то на детектор аэрорадиометра поступает излучение от большого объема пород. Величина радиуса R поверхности, излучение с которой попадает на детектор, зависит от высоты полета h (Смирнов, Тихомиров, см.: Методы поисков урановых месторождений, 1969):

h, м	10	30	50	70	100	150
R, м	60	120	170	215	280	360

Таким образом, с одной стороны, аэрогаммаизмерения дают возможность получить средние концентрации элементов в породах

304

на значительной площади их выхода (массой 10⁴ - 10⁶ т), с другой стороны, существует опасность пропуска небольших излучающих объектов. Слой воздуха, находящийся между детектором и поверхностью земли, сильно ослабляет γ-излучение и ограничивает высоту полета. Максимальная высота для горных районов принята равной 75 м, для холмистых - 50 - 75, для равнинных - 25 - 50 м. Минимальная высота полета определяется правилами безопасности Гражданской авиации. Одним из основных требований при проведении аэрогаммаизмерений является соблюдение постоянной высоты полета, что затруднительно в горных районах и ограничивает применение там аэрогаммаметода.

Измерение в движении, на расстоянии от излучающего объекта, предъявляет особые требования к аэрогаммаспектрометрам, которые должны обладать высокой чувствительностью и малой инерционностью.

Результаты измерения регистрируются путем непрерывной записи γ-активности. Информация с каналов γ-спектрометра и высотомера поступает на компьютер, который производит все расчеты, вносит необходимые поправки и выдает окончательные результаты в виде содержания U, Th, ¹³⁷Cs, К и распределения радионуклидов в приповерхностном слое пород.

Гамма-каротажем называется метод исследования пород по их γ-активности в скважинах. Спецификой γ-каротажа является измерение в условиях 4π, когда детектор окружен со всех сторон излучающими породами. В качестве детекторов применяют сцинтилляторы NaI (Tl) или счетчики Гейгера, вмонтированные в специальный герметичный буровой снаряд. Снаряд передвигают по стволу скважины с помощью гибкого кабеля. Регистрирующее устройство расположено близ устья скважины и осуществляет непрерывную запись γ-активности. Исключение составляет каротаж мелких (до 20 м) скважин, где работу выполняют легкими переносными приборами с точечной регистрацией.

305