1.3.3. Гамма-параметры горных пород

Измеряя гамма-излучение, прошедшее через горную породу, можно определить её поглощающие и рассеивающие способности, приближенно оценить элементный состав и плотность породы. Для разделения влияния z_эф и  на распреде­ление гамма-квантов используются различные интервалы энергии: для определения  – область комптоновского рассе­яния, для определения z_эф – область фотоэлектрического по­глощения.

Влияние элементного состава на распределение гамма-квантов сказывается интегрирование, через z_эф. Безрудные горные породы характеризуются значениями z_эф, близкими к порядковому номеру кремния – 14. Несколько более высокими значениями отличаются породы повышенной основности (за счет железа) и известняки. Увеличение в по­родах содержаний тяжелых элементов приводит к повышению их z_эф и способности к поглощению гамма-кван­тов. Так, по аномальному поглощению гамма-излучения могут быть обнаружены баритовые, хромитовые, галенитовые и другие руды тяжелых металлов. Из табл. 1.6 можно видеть более высокие значения z_эф минералов этих металлов в срав­нении с эффективными порядковыми номерами пород. Значе­ния коэффициентов поглощения показывают, что в этих минералах вероятность поглощения энергии гамма-излучения в среднем в два раза выше, чем в безрудных породах.

Породы, содержащие легкие компоненты (углерод, водород), отличаются пониженной способностью к поглощению гамма-излучения. Для углей характерна зависимость z_эф от качества углей (табл. 1.7): наименьшие значения z_эф соответствуют высокоуглеродистым антрацитам с минимальной зольностью. По гамма-излучению можно не только выделять пласты углей среди вмещающих пород, но и оценивать их зольность.

Показателем состава породы служит также спектр рассеянного гамма-излучения. Наличие в породе элементов с большим порядковым номером делает спектр рассеянного гамма-излучения более высокоэнергетичным (рис. 1.5), поскольку высокая поглощающая способность таких пород не позволяет гамма-квантам рассеяться до низких энергий. Последние преобладают в породах вообще и в особенности в породах с низким z_эф.

Таблица 1.7 – Гамма-параметры углей и горючих сланцев

Порода	Содержание углерода, %	zэф	, 103кг/м3
Антрацит	9297	6,47,2	1,41,7
Каменный уголь	7593	6,58,3	1,21,4
Бурый уголь	6778	6,88,8	1,151,2
Горючие сланцы	5682	6,88,5	до 2,2
Сапропелит	7080	6,458,1	1,21,45

N, имп/с

Рисунок 1.5 – Спектры рассеянного гамма-излучения сред

с различным порядковым номером

Фотопоглощение гамма-квантов вызывает в породе вторичное рентгеновское излучение. Электрон выбивается гамма-квантом с внутренней электронной оболочки, которая не может быть вакантной. Серии переходов электронов на более низкие уровни, сопровождаются излучением рентгеновского спектра. Поскольку энергетические уровни электронов у каждого элемента строго индивидуальны, столь же индивидуален для элемента и спектр рентгеновского излучения. В целом в спектре породы преобладают энергии рентгеновского излучения тех элементов, которые отличаются повышенной способностью к фотопоглощению гамма-квантов, т. е. элементов с высокими порядковыми номерами, и которые в достаточном количестве содержатся в породе. Интенсивность рентгеновского излучения, соответствующей химическому элементу энергии, зависит как от сечения фотоэлектрического поглощения этого элемента, так и от содержания его в породе.

Плотность как гамма-параметр горной породы проявляется во всем диапазоне энергий гамма-излучений, но в «чистом виде» влияние плотности можно выделить лишь в области комптоновского рассеяния. Распределение гамма-квантов, прошедших через горную породу, должно быть скорректировано с учетом ещё и электронной плотности т_, которая для тяжелых сред отличается от единицы. В рудных минералах наблюдаются понижение электронной плотности (табл. 1.5) и относительный дефицит электронов, что понижает вероятность рассеивания гамма-квантов в этих средах (1.19). Всем вариациям плотности горных пород и руд подобно соответствуют вариации распределения в этих породах и рудах рассеянного гамма-излучения, а с помощью гамма-излучения можно оценить плотность в разрезах скважин, а значит провести расчленение и корреляцию пород по плотности, выделить полезные ископаемые с аномальной плотностью.

Взаимодействие гамма-квантов с горными породами не ограничивается теми наиболее распространенными процессами, которые мы уже рассмотрели. Горные породы, содержащие тяжелый водород дейтерий, олово в форме касситерита, железо и бериллий, проявляют аномальные свойства поглощать гамма-излучения ядрами названных элементов. При этом поглощение происходит резонансно, только гамма-квантов определенной энергии.

Ядерное гамма-резонансное поглощение характерно для железо- и оловосодержащих пород. Оно заключается в аномальной способности ядер изотопов ¹¹⁹Sn и ⁵⁷Fe этих элементов поглощать гамма-кванты энергий соответственно 23,8 и 14 кэВ, поскольку именно эти энергии необходимы ядрам для перехода их в возбужденное состояние. По этому аномальному поглощению гамма-излучения Sn и Fe могут быть обнаружены в породах. В принципе такое резонансное поглощение характерно для всех элементов, но для его протекания необходимо охлаждение минералов до температуры жидкого азота, чтобы при поглощении гамма-кванта импульс движения передавался не отдельному ядру, а кристаллу в целом. Особенность ядер олова (в касситерите) и железа заключается в том, что для некоторых из них поглощение без потерь энергии на отдачу возможно и при обычных температурах.

Аномальные свойства бериллия и дейтерия связаны с неоптимальным устройством их ядер, проявляющимся в низкой энергии связи нейтрона в ядре. Действительно, ядро бериллия состоит из 5 нейтронов и 4 протонов, в то время как устойчива комбинация с одинаковым числом протонов и нейтронов, соответствующая двум ядрам гелия (-частицам); дейтерий содержит лишний нейтрон в сравнении с устойчивым изотопом водорода. Для бериллия энергия связи нейтрона в ядре составляет 1,67 МэВ, у дейтерия – 2,23 МэВ, в то время как у остальных элементов она очень высокая и часто превышает 10 МэВ.

Энергия связи нейтрона в ядре является пороговой для протекания гамма-нейтронной реакции, заключающейся в поглощении энергии гамма-кванта ядром и испускании им нейтрона. Поскольку изотопные источники гамма-излучения, используемые в полевой ядерной геофизике, имеют энергии в основном до 3 МэВ, то при облучении горных пород гамма-квантами таких энергий возможно их гамма-нейтронное взаимодействие только на ядрах бериллия или дейтерия. Вторичная нейтронная активность является исключительным свойством бериллия или дейтерийсодержащих пород.