1.3.5. Нейтронные характеристики горных пород

В соответствии с двумя видами взаимодействий с нейтронами различают две группы нейтронных свойств пород: замедляющие и поглощающие.

Кроме названных параметров замедления и сечения рассеяния в качестве нейтронной характеристики используют так называемую длину замедления нейтронов L_s:

,

(1.26)

где r – среднее значение квадрата расстояния от начала движения в породе быстрого нейтрона до точки его замедления до тепловой энергии.

При постоянной начальной энергии быстрых нейтронов (для одного источника) длина замедления зависит только от замедляющих способностей породы. Последняя же определяется как возможностью рассеяния (сечением), так и потерей энергии нейтрона при столкновении. По последнему свойству элементы горных пород наиболее разнятся между собой, и именно потерей энергий при столкновении элементов определяются аномальные или нормальные свойства пород.

Рисунок 1.7 – Зависимость нейтронных и гамма-параметров горных пород от содержания в них водорода: 1 – кварцевый песчаник; 2 – известняк;

3 – ангидрит; L_s – длина замедления нейтронов (Е=1,46 эВ);

L_d, L_ – длины диффузии тепловых нейтронов и гамма-квантов

Аномальным замедлителем в горных породах являете водород. На нем теряется максимальное количество энергии нейтрона, он в сравнении с другими легкими элементами (Li, Be, С), обладающими также повышенными потерями, находится в достаточно больших количествах в минеральном скелете породы и в веществе, заполняющем поры. Низкие длины замедления (L_S<15 см) характерны для водородосодержащих минералов - силикатов, сульфатов, боратов (табл. 6.7, рис. 6.22). Увеличение в породах воды, газа или нефти приводит к существенному понижению длины замедления нейтронов. Из рис. 6.21 видно, что увеличение водородосодержания породы на 30% приводит к уменьшению L_s в 2,5 раза. При этом минеральный состав осадочной породы мало сказывается на длине замедления. Наличие же в породах сульфидов и других минералов тяжелых металлов, на ядрах которых потерь энергии нейтронов практически не происходит, увеличит длину замедления породы (рис. 6.22).

2. Ядерная геохронология

Ядерная геохронология использует явление радиоактивного превращения одних элементов в другие для определения возраста геологических объектов. Скорость радиоактивного распада оставалась постоянной во все геологические эпохи, она не зави­сит от внешних условий (давление, температура и т. п.); на этом основании показания «ядерных хронометров» могут считаться весьма надежными.

В настоящее время для датирования геологических объектов применяется целый ряд методов. Ядерная (или изотопная) геохронология превратилась в самостоятельную отрасль геологической науки. Обобщение и систематизация результатов ядернo-геохронологических исследований обусловили создание шкалы абсолютного летоисчисления Земли. Совершенствование ана­литической техники (главным образом масс-спектрометрии) позволило применять при анализе одного и того же образца несколько методов. Только в том случае, если результаты, полученные разными методами, согласуются друг с другом, образцу приписывается определенный абсолютный возраст.

Известно, что начало кембрийского периода палеозойской эры, к которому относится отождествление первого беспозво­ночного, отстоит примерно на 600 млн. лет от нашего времени. Проследить значительно более далекую геологическую историю удается только с помощью методов ядерной геохронологии.

По современным оценкам, полученным мето­дом свинцовых изотопов, возраст Земли составляет 4,534,55 млрд. лет.

Порода с возрастом, превышающим 4 млрд. лет, обнаружена на Луне. Есть основания считать, что Луна образовалась на несколько сотен миллионов лет позже Земля, но не путем «отрыва» от нее, а в результате процессов аккреции. С помощью изотопного датирования метеоритов удалось установить возраст Солнечной системы  4,7 млрд. лет.

Использование радиоактивного превращения одного из са­мых редких элементов – рения позволило оценить возраст химических элементов во Вселенной: оказалось, что процесс нуклеосинтеза начался примерно 18 млрд. лет назад.

В результате распада естественных радиоэлементов непрерывно накапливаются устойчивые продукты. По отношению содержания радиоактивного элемента и его продукта распада можно определить промежуток времени, протекший с начала их накопления. На этом основана первая группа методов определения возраста (свинцовый, гелиевый, стронциевый, аргоновый).

Другая группа методов основана на изучении изменения со временем количества радиоэлемента, если известно его начальное содержание (радиевый и иониевый методы определения возраста молодых отложений, углеродный метод определения возраста молодых образований и др.).

Третья группа методов основана на изучении изменений, происходящих в среде, содержащей радиоактивные элементы (метод плеохроических ореолов, кислородный метод и др.).

Наконец, можно выделить в особую группу методы, основанные на изменении изотопического состава в результате радиоактивного распада (свинцовый изотопический метод, метод отношений изотопов радия и др.).

При определении возраста радиоактивными методами в каждом случае необходимо точно представлять, что понимается под возрастом исследуемого объекта. Любой природный объект, возраст которого подлежит определению, образовался или выделился из вещества, существовавшего раньше, а следовательно, содержавшего как радиоактивные элементы, так и продукты их распада. В идеальном случае при образовании исследуемого объекта не захватываются продукты распада из окружающей среды, а момент начала их накопления совпадает с моментом образования объекта. В других случаях может наблюдаться захват и переотложение как радио­элементов, так и продуктов их распада. Иногда радиоактивные методы при сознательном их применении позволяют расчленить различные этапы выделения и переотложения вещества.

Таким образом, можно различать дату образования минерала и дату процессов, его изменяющих.

Последующие изменения минерала, с одной стороны, делают его непригодным для непосредственного определения возраста, с другой – позволяют подойти к датировке эпох изменения (метаморфизма).