Статус документа

Инструкция по проведению геофизических исследований рудных скважин

2.1.1. Рентгенорадиометрический каротаж скважин и опробование керна

2.1.1.1. Общие сведения физико-геологического характера

2.1.1.1.1. Рентгенорадиометрический метод является одним из наиболее универсальных и эффективных способов изучения вещественного состава руд и минерального сырья при каротаже скважин и опробовании керна. Его применение рекомендуется во всех случаях, когда требуется выделение рудных тел с количественной оценкой полезных компонентов или вредных примесей, представленных элементами, имеющими порядковый атомный номер от 22 (титан) до 83 (висмут). При этом рентгенорадиометрический каротаж скважин и опробование керна на рудных месторождениях решают следующие основные геологоразведочные задачи:

- получение исходных данных для подсчета запасов полезного ископаемого при разведке и эксплуатации месторождений, т.е. сведении о положении рудных зон и их мощности, количественной оценке содержаний полезных компонентов и вредных примесей, разделении рудных зон на промышленные типы руд по содержанию основного полезного компонента (кондиционные, некондиционные, богатые, рядовые, забалансовые) или по содержаниям сопутствующих элементов и вредных примесей (монометалльные, комплексные и т.д.);

- получение исходных данных для прогнозирования геолого-технологических и геохимических свойств руд и продуктов их последующей добычи, обогащения и переработки с целью технико-экономического обоснования рентабельных и рациональных систем отработки и эксплуатации месторождений при проектировании горных предприятий;

- получение исходных данных для оперативного управления процессом добычи и переработки руд при эксплуатации месторождений.

2.1.1.1.2. Рентгенорадиометрический метод основан на возбуждении и регистрации характеристического рентгеновского излучения элементов, которое иначе называется атомной флуоресценцией. Атомная флуоресценция является электромагнитным фотонным излучением, она не поляризована, распространяется изотропно и имеет линейчатый спектр. Энергия характеристического рентгеновского излучения для каждого элемента строго фиксирована (прямо пропорциональна элемента), а интенсивность его определяется массовой концентрацией этого элемента в исследуемой среде. Значения энергии характеристических рентгеновских линий для каждого элемента приводятся в справочных таблицах [5, 33, 34, 69].

2.1.1.1.3. При каротаже скважин и опробовании керна используют - и -линии характеристического рентгеновского излучения элементов, т.е. фотоны, образующиеся при ионизации их - или -уровней (электронных оболочек). При этом -линии могут использоваться для идентификации элементов с 70.

2.1.1.1.4. Возбуждение характеристического рентгеновского излучения происходит в процессе фотоэлектрического поглощения фотонного излучения источника атомами элемента. Поэтому энергия возбуждающего излучения должна быть больше потенциала ионизации соответствующей ( или ) электронной оболочки определяемого элемента. Значения потенциалов ионизации электронных оболочек элементов приводятся в справочных таблицах [5, 33, 34, 69].

2.1.1.1.5. Рентгенорадиометрический метод относится к спектрометрическим. Регистрация характеристического рентгеновского излучения осуществляется сцинтилляционными или пропорциональными детекторами, имеющими хорошее энергетическое разрешение в анализируемой области спектра (не хуже 20%).

2.1.1.1.6. Характеристическое рентгеновское излучение относится к длинноволновой части спектра: его энергия для элементов с 2283 находится в пределах 4-90 кэВ. Проникающая способность такого излучения в горных породах и рудах очень мала (от 0,5-1,0 мм до 1-1,5 см), поэтому рентгенорадиометрический метод относится к малоглубинным методам исследования. В связи с этим его применение при каротаже скважин или опробовании керна предъявляет определенные специфические требования как к используемой аппаратуре, так и к подготовке объекта исследования.

2.1.1.1.7. Возбуждение и регистрация характеристического рентгеновского излучения элементов, вследствие его малой проникающей способности возможны только в так называемой геометрии прямой видимости, или геометрии отражения, когда источник и детектор ориентированы относительно исследуемой среды таким образом, что детектор "видит" часть поверхности или приповерхностного объема исследуемой среды, облучаемой источником. Геометрия прямой видимости реализуется в скважинных приборах и датчиках для опробования с помощью коллимированных зондов или без коллимации. Коллимация излучений используется при определении элементов с 50 по -линиям, для возбуждения которых применяются полихроматические радиоизотопные источники с энергией фотонов более 50 кэВ. Измерения в широком телесном угле без коллимации излучений используются для определения элементов с 55 по -серии и с 70 по -серии характеристического рентгеновского излучения, для возбуждения которых применяются монохроматические источники с энергией фотонов не более 50 кэВ.

2.1.1.1.8. Аппаратурный гамма-спектр в геометрии прямой видимости обычно состоит из линий характеристического рентгеновского излучения определяемого элемента и элементов-примесей, если они возбуждаются первичным излучением, фотопиков однократно рассеянного гамма-излучения источника, положение которых по энергетической шкале определяется формулой Комптона:

, (2.1)

где - энергия однократно рассеянного гамма-излучения, кэВ; - энергия первичного гамма-излучения источника; - угол рассеяния (для коллимированной геометрии 180°-, где - угол между коллиматорами; для неколлимированной геометрии 180°).

Если энергия характеристического рентгеновского излучения элементов или фотопика рассеянного гамма-излучения источника больше потенциала ионизации -уровня наполнителя детектора, то в аппаратурном гамма-спектре возникают и фиксируются так называемые пики вылета, положение которых по энергетической шкале определяется разностью между энергиями или и энергией характеристического рентгеновского излучения детектора, т.е. энергия пика вылета

, (2.2)

если он образован характеристическим рентгеновским излучением элемента, и

, (2.3)

если он образуется квантами однократно рассеянного гамма-излучения источника.

Кроме того, во вторичном аппаратурном гамма-спектре всегда присутствует фоновое излучение, образующееся в результате рассеяния фотонов первичного гамма-излучения источника на конструктивных деталях зондового устройства датчика или проникающих частично сквозь его защитные экраны в детектор напрямую. Это - так называемая постоянная составляющая фона.

Фоновое излучение может быть представлено также многократно рассеянными квантами источника в исследуемой среде или гамма-излучением радиоактивных элементов на месторождениях комплексных радиоактивных руд (например, на урано-молибденовых). Эти составляющие фона являются переменными, зависящими от свойств и значимости обуславливающих их факторов.

Фоновое излучение является мешающим фактором, понижающим чувствительность метода, поэтому необходимо стремиться к снижению его уровня, особенно в аналитических интервалах спектра. Если стабилизация энергетической шкалы спектрометра осуществляется с помощью гамма-репера, то линия его также присутствует в аппаратурном спектре. Обычно гамма-репер создается с помощью дополнительного радиоизотопного источника слабой активности, энергия гамма-излучения которого лежит за пределами аналитических интервалов и не создает в них заметного дополнительного фона.

2.1.1.1.9. С геофизической точки зрения рудные зоны и залежи представляют собой природные гетерогенные среды, состоящие из наполнителя, каковым является пустая рудовмещающая порода, и оруденения, которое распределено в нем в виде прослоев, жил, прожилков, гнезд, вкрапленности и тому подобных образований различных размеров и мощности, т.е. распределение оруденения в пределах рудного тела носит обычно четко выраженный дискретный и неравномерный характер, который в конечном счете определяет структуру и текстуру руды.

Кроме того, оруденение представлено природными минеральными формами элементов, содержание которых в рудных минералах обычно колеблется от целых процентов до нескольких десятков процентов, т.е. во много раз больше среднего содержания этих элементов в рудной зоне в целом или в интервалах геологического опробования, которые обычно составляют по длине 1-3 м.