15.2.3. Нагрев за счет радиоактивности.

В ходе поглощения альфа-, бета-, гамма-лучей горными породами происходит их нагрев. Самые распространенные радиоактивные минералы (уран, торий, калий-40) имеют период полураспада, сравнимый с возрастом Земли, поэтому они являются основными источниками радиогенного тепла в прошлом, настоящем и будущем.

15.3. Ядерно-физические свойства горных пород

15.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств.

Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий. Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физических явлений,сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образование электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением). Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, от пути проходящего излучения в горной породе и ее ядерно-физических свойств. Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.

15.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород.

Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы (см. (6.3)). Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:

(6.4)

где - микроскопическое сечение взаимодействия атомаi-го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента в единице объема и общем числе элементов;- интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной. Практически определяют эффективный коэффициент ослабленияпо экспериментально полученной интенсивности вторичного гамма-излучения:

(6.5)

Макроскопическое сечение взаимодействия, или эффективный линейный коэффициент ослабления, зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева и массовых чисел химических элементов всей горной породы, а также ее плотности . На изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности вторичного (рассеянного) гамма-излучения (). При этом комптоновское рассеяние зависит от плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических элементов (см. 15.3.1).

15.3.3. Нейтронные свойства горных пород.

Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы (см. 15.1.3). Величинаопределяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами () всех составляющих ее химических элементов отi = 1 до i = k с числом атомов i-го элемента в единице объема по формуле:

где

(6.6)

Здесь - плотность потока нейтронов в конце и начале слоя толщиной. Нейтронное микроскопическое сечение рассеяния и поглощенияизмеряется в барнах и равно эффективной площади ядра, которая обычно больше его геометрического сечения. Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10^-25 м²). Наибольшими нейтронными сечениями обладают редкоземельные элементы, например, гадолиний (46*10^-25 м² ), кадмий (2,25*10^-25 м² ), бор (0,769*10^-25 м² ), ртуть (0,38*10^-25 м² ) и др. У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах (0,1 - 10)*10^-25 м² . Практически коэффициент является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породыпри облучении ее нейтронами.

Величину, обратную , называют полной длиной пробега нейтронов (). Она включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов () определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ). Наименьшей длиной замедления (10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородосодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы,составляет первые десятки сантиметров.

Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата нейтронов сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражают через среднюю длину диффузии или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов. Наименьшими значениями этих параметров (5 см,5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных породизменяется от 10 до 30 см, а- от 10 до 3000 мкс. Важным параметром среды является также коэффициент диффузии.

На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности (интенсивности) тепловых нейтронов или вторичного гамма-излучения.