Радиоактивность горных пород

Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превраще- ние неустойчивых изотопов химических элементов в другие, более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испуска- нием α-, β- и γ-лучей. Различают естественную и искусственно вы- званную радиоактивность горных пород, результаты измерений ко- торых широко используются для изучения геологических разрезов скважин. Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом [40, 53, 88].

Естественная радиоактивность. В естественных радиоактив- ных превращениях основными видам распада являются: α- и β-распа- ды, захват ядром электрона одной из оболочек атома, самопроиз- вольное деление некоторых тяжелых ядер и др. При распадах радиоактивных ядер и их переходах из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное возникает γ-излучение.

Все виды радиоактивных излучений, попадая в материальную среду, испытывают в той или иной мере поглощение. Наибольшему поглощению подвержены α-лучи. Поток α-лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги или слоем пород толщиной в не- сколько микронов. Поток β-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров. γ-излучение пред- ставляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским. Оно возникает в результате ядерных процессов и рассматривается как поток дис- кретных частиц γ-квантов; γ-лучи не отклоняются ни в электриче- ском, ни в магнитном поле. Благодаря своей высокой проникающей способности γ-излучение имеет практическое значение при исследо- вании разрезов скважин.

Для количественной оценки радиоактивности пользуются соот- ветствующими единицами измерений. Чаще всего на практике за та- кую единицу принимают весовую или объемную единицу эквива- лентной концентрации радия по γ-излучению – г-эквивалент радия на 1 г породы (г-экв Ra/г). Такая единица соответствует концентрации радиоактивных элементов в горной породе, при которой возникает γ-излучение такой же интенсивности, как при распаде 1 г радия.

Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актино- уран, продуктов распада и изотопа калия ₁₉⁴⁰К. Кроме этих элемен- тов, источниками радиоактивных излучений, составляющих мень- шую долю, чем вышеназванные, являются изотопы рубидия, цир- кония, индия, лантана, самария, лютеция, рения, висмута и др.

В литосфере известно более 200 минералов, в состав которых входит уран, торий, радий и калий. Радиоактивность горных пород зависит от радиоактивностей их твердой, жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев пластовые воды и нефти характери- зуются незначительной радиоактивностью, а у природных углево- дородных газов она практически равна нулю. Радиоактивность твердой фазы обусловлена наличием в ее составе собственно ра- диоактивных минералов и минералов, содержащих адсорбирован- ные радиоактивные элементы. Обычно глинистая составляющая твердой фазы, особенно в кварцевых песчаниках и карбонатных породах, обладает значительно большей удельной радиоактивно- стью, чем ее собственно твердая фаза (скелетная часть). Поэтому для конкретных типов пород характерно наличие однозначной свя- зи между их радиоактивностью и глинистостью, что широко ис- пользуется при интерпретации результатов гамма-каротажа.

Искусственная радиоактивность. Нейтронные свойства гор- ных пород (искусственная радиоактивность) связаны с радиоак- тивным распадом искусственных радиоактивных изотопов хими- ческих элементов, образующихся при облучении их элементарны- ми частицами (электронами, протонами, нейтронами, γ-частицами и др.) в результате изменений в ядре, происходящих вследствие проникновения в него заряженной частицы или нейтрона.

Нейтроны, получаемые при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с яд- рами ее химических элементов. При этом наиболее существенны- ми процессами являются рассеяние и поглощение (захват).

Рассеяние нейтронов может быть упругим и неупругим. Сущ- ность этого процесса состоит в изменении направления движения и уменьшении кинетической энергии нейтронов при их столкновении с ядрами элементов окружающей среды. При упругом рассеянии происходит перераспределение энергии между налетевшим нейтро- ном и неподвижным ядром в соответствии с их массами и углом рас- сеяния по принципу соударения упругих шаров. При неупругом рас- сеянии нейтрон сначала захватывается, а затем выбрасывается ядром, но уже с меньшей энергией и под некоторым углом к направлению

начального движения. Ядро же, захватившее и потерявшее нейтрон, остается на некоторое время в возбужденном состоянии и затем воз- вращается в основное, испуская γ-квант.

Быстрые нейтроны, распространяясь в окружающей среде, в процессе неупругого и упругого рассеяний сравнительно быстро теряют свою энергию и скорость и превращаются в тепловые. По- следние поглощаются ядрами вследствие реакции радиационного захвата с образованием на первой стадии составных ядер, которые затем переходят в основное состояние с испусканием γ-квантов. Распределение нейтронов в среде (породах), т. е. плотность ней- тронов на различном расстоянии от источника, зависит от ней- тронных свойств этих пород, в основном связанных с химическим составом последних. Для большинства горных пород поглощаю- щие и замедляющие свойства определяются водородосодержани- ем: чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Вероятность той или иной реакции взаимодействия нейтронов с веществом количественно характеризуется нейтронным эффектив- ным сечением, численное значение которого выражается в метриче- ских единицах. Поэтому интенсивность поглощения тепловых ней- тронов зависит от содержания в породах элементов с высоким эф- фективным сечением захвата, основным из которых в осадочных породах является хлор. Замедляющая и поглощающая способности горных пород определяют пространственное распределение нейтро- нов на различных стадиях их взаимодействия с породами, на изуче- нии которого основаны нейтронные методы исследования скважин.