Способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород Советский патент 1986 года по МПК G01V5/00 G01N23/00 

Изобретение относится к области ядерно-геофизических и радиометрических методов опробования горных пород и может быть использовано в геолого-разведочной практике при по исках и разведке месторождений ради активных элементов, а также в комплексе с другими ядерно-геофизическими методами разведки. Известен способ детектирования гамма-излучения горных пород,, в час ности, в шпурах и скважинах, заключ ющийся в измерениях интенсивности гамма-излучения радиометром с неэкр нированным .детектором. Недостаток этого способа состоит в том, что на детектор попадает излучение от довольно большого объема горной пор.од на фоне которого невозможно выделит излучение отдельных исследуемых уча ков. В частности, невозможно вьвделить излучение призабойной области mnypa изучение которой представляет наибольший интерес, т.к. излучение пр забойной области шпура несет информацию о содержании радиоактивных элементов в породах, которые еще не пересечены шпуром и залегают ниже (.или дальше) его забоя. Невозможность направленного измерения интен сивности гамма-излучения от призабойной части шпура приводит к разубоживанию руды при опробовании взрывных шпуров на месторождениях руд (за счет отпалки пустых пород пр чрезмерном заглублении шпуров) или к пропуску первичных ореолов рассеяни радиоактивных элементов в коренных породах при поисках месторождений. Наиболее близок к изобретению способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород с применением экранированного спектрометрического детектора гамма-излучения. В этом способе для отделения гам ма-излучения исследуемого участка породы от мешающего излучения cdседних пород используют либо радиометры направленного приема, либо обычные полевые радиометры, детектор которых помещают в свинцовый экран, имеющий прорезь со стороны исследуемой породы. В этом случае для вьщеления гамм излучения исследуемого участка к не му прикладывают открытой стороной 26 экран с детектором радиометра и производят два измерения интенсивности излучения: первое - с открытой прорезью в экране, а при втором измерении про()езь закрывают специальным свинцовым вкладышем. Разница между первым и вторьлм измеряемыми и характеризует излучение исследуемого участка. Описанный способ прост и достаточно точен, что обеспечивает его широкое распространение при поисках и разведке месторождения радиоактивных руд. Однако этот способ имеет ограниченную производительность из-за необходимости двух измерений в одной точке и не применим при гамма-опробовании горных пород в шпурах ограниченного диаметра,где невозможно поместить детектор радиометра с экраном, а бурение шпуров большего диаметра экономически невыгодно. Цель изобретения - повышение производительности и расширение возможности применения способа направленного детектирования гамма-излучения горных пород. Цель достигается тем, что в способе направленного детектирования гамма-излучения горных пород с применением экранированного спектрометрического детектора гамма-излучения, детектор экранируют в направлении детектирования, регистрируют интенсивность гамма-излучения в двух энергетических интервалах, nepBbrii из которых включает низкоэнергетическое гамма-излучение, а второй - высокоэнергетическое гамма-излучение, и по разности интенсивностей гаммаизлучения в указанных интервалах судят об интенсивности гамма-излучения определяемых элементов в направлении детектирования. При регистрации интенсивности гамма-излучения в каждом из энергетических интервалов учитывают чувствительность детектора к излучению данной энергии и ослабление излучения при прохождении его через экран. В предложенном техническом решении в отличие от известных для вьщеления излучения исследуемой области на фоне мешающего излучения соседних участков детектор экранируют не со стороны мешающего излучения, а наоборот, со стороны исследуемой области.

Экранирование детектора от исследуемой области приводит к тому, что с этой стороны экраном поглощается низкоэнергетическая составляющая гаммаизлучения и на детектор попадает только гамма-излучение достаточно высокой энергии, прошедшее через экран, тогда как от вмещающих пород на детектор попадает все гамма-излучение, как низких, так и высоких энергий. Это 10 создает необходимое различие в энергии излучения исследуемой, области и соседних участков, что и выявляют по разности интенсивностей гаммаизлучения в двух энергетических ин- 15 тервалах: низкоэнергетическом, интенсивность в котором характеризует вклад окружающих пород, и высокоэиергетическом, интенсивность в котором определяет, преимущественно, 20 вклад исследуемой области.

На фиг. 1 изображен датчик для шпурового гамма-опробования по предложенному способу и геометрия измерений излучения исследуемой области 25 и окружающих пород; на фиг.. 2 - энергетическое распределение гамма-излучения исследуемой (призабойной) области шпура и окружающих пород; на фиг. 3 - диаграмма направленности зо приема излучения датчика шпурового гамма-опробования в предложенном способе; на фиг. 4 - результаты применения предложенного способа гаммаопробования при картировании контакта горных пород с различным содержанием радиоактивных элементов под слоем наносов.

Датчик шпурового гамма-опробования согласно предложенному способу до (см.фиг.1) содержит так же, как и в способе - прототипе, металлический защитный корпус 1, в котором размещены сцинтилляционный детектор гаммаизлучения 2 и фотоэлектрический умно-45 итель , (ФЭУ) 3. В отличие от прототипа, здесь же располагается экран 4, поглощающий низкоэнергетическое излучение со стороны забоя шпура. Экран 4 имеет форму круглой пластины 50 и изготовлен из материала с большой плотностью, например, свинца.

Полный дифференциальный спектр естественного гамма-излучения горных пород-при его непосредственной ре- гистрации открытым детектором в диапазоне энергий до 500 кэВ приведен на фиг. 2 - кривая Н(0о„) . Максимум

1264

спектра располагается в диапазоне, энергии порядка 100 кэВ и соответствует многократно рассеянным в горных породах гамма-квантам. Интенсивность рассеянного излучения зависит .от эффективного дтомното номера горных пород Z . Для исключения влияния Z на определение содержания радиоактивных элементов применяют либо дискриминацию рассеянного гамма-излучения, т.е. регистрацию гамма-квантов с энергетическим порогом Е, - 20U-250 кэВ, либо поглощение рассеянного излучения специальным экраном, роль которого играет металлический корпус 1 датчика (сталь пл небольшой, до 1,5 мм, слой свинца). После прохождения металлического корпуса спектральное распределение гамма-квантов от горных пород имеет форму, пример которой приведен на фиг. 2 - кривая N(3on . При поглощении рассеянного излучения металлическим корпусом энергетический порог регистрации может быть установлен на уровне Е, порядка 20-40 кэ (фиг.2), что повьш1ает стабильность измерений. Пороги Е, и Е, по измеряемой интенсивности излучения для своих условий измерений являются эквивалентными.

Для создания различия в формах регистрируемых спектров гамма-излучения от окружающих пород К (До„ ) или N (Ло„) и от пород призабойной области N (Д ) или N (J ) детек тор излучения спектрометрического типа, например, сцинтилляционный детектор 2 на фиг. 1, экранируют от излучения пород призабойной области экраном 4, толщину которого выбирают такой, чтобы в области низкоэнергеТического гамма-излучения спектр гамма-квантов, проходящих на детектор через экран от призабойной области, существенно отличался от спектра излучения окружающих пород. Примеры спектров приведены на фиг.2.N(J,) для открытого детектора и N (З J) для детектора в металлическом корпусе.

При вьше сформулированных условиях измерений осуществляют регистрацию интенсивности гамма-излучения в двух энергетических интервалах спектра излучения. Энергетические интервалы регистрации выбирают таким образом, чтобы вклады излучения

51

призабойнон области i х н окружающих пород Jon в суммарную регистрируемую интенсивность в каждом энергетическом интервале существенно различались формы спектров (фиг.2), первый энергетический интервал устанавливают таким, чтобы он включал низкоэнергетическую часть излучения Зоя от окружающих пород, т.е. ту часть которая для излучения 3, в максималь ной степени поглощается экраном: интервал Е, - EJ для спектра N (3(,„ ) или интервал Е, - Е для N () . Если Z пород имеет стабильный характер, то для спектра N (3) в регистрируемую интенсивность может включаться интервал Е, - Ej. Основное условие для установления нижней границы первого энергетического интервала регистрации - чтобы гамма-кванты ниже пороговой энергии, приходящие со стороны пород забоя гапура, существенно поглощались экраном 4 (фиг.1), через который проходит их путь к детектору т.е. коэффициент их поглощения в экране (вероятность поглощения) должен быть не менее 0,50, что обеспечивает достаточную для измерений .разницу в форме спектров. Верхняя граница энергий регистрируемых гамма квантов в первом интервале может включать либо все высокоэнергётическое естественное гамма-излучение (в том числе проходящее через экран), либо может быть ограничена по какойлибо величине, например, по значению порога Ej , где различие в форме спектра излучения от окружающих пород К (Зд, ) или N(3on) форме спектра, проходящего через экран 4, К(З) начинает сглаживаться. Принципиального значения для это не имеет.

Второй энер гетический интервал измерений выбирают таким образом, чтобы в нем регистрировалось, в основно высокоэнергетическое излучение пород призабойной области, проходящее на детектор 2 через экран 4 с малой степенью ослабления, т.е. коэффициент поглощения которого в экране существенно ниже поглощения низкоэнергетического излучения, например - с порогом Ej , где форма спектра излучения N (3,), проходящего от забоя на детектор через экран, начинает приближаться к форме спектра излучения от окружающих пород.

266

При таких условиях интенсивность (скорость счета) импульсов п,.в первом энергетическом интервале и втором энергетическом интервале будут определяться выражениями:

n,e,otD« + e,Jon;

(1) ,;о„„,

где , , Ej чувствительности детектора (в единицах скорости счета импульсов на единицу интенсивности гамма-излучения) соответственно в первом и во втором энергетических интервалах спектра к излучению от пород призабойной области, проходящему через экран, и к излучению от окружающих пород{ ,, j)i л - коэффициент ослабления экраном излучения от призабойной области.

Совместное проведение измерений И, и п позволяет определить значение интенсивности излучения от пород призабойной области:

«(,e;ih-it

Для установленных значений порогов регистрации (энергетических интервалов регистрации) и конструкции датчика значения всех коэффициентов и oi в уравнении (2) являются постоянными, откуда:

(3)

3,-А(пг-Вп,),

где А и 6 - постоянные коэффициенты датчика опробования. Интенсивность гамма-излучения от призабойной области зависит от содержания в ней радиоактивных элементов ( :

...(4)

,

где К - пересчетный коэффициент в единицах интенсивности излучения на единицу содержания радиоактивных элементов. Отсюда: А

,(,V-K nj-6n,). (5)

к

Значения постоянных коэффициентов Kg и & определяют опытным путем при измерениях на моделях исследуемой среды с двумя известными содержаниями радиоактивных элементов ({ и (| .

7

Ц реальных условиях измерений {фиг.1) присутствуют не только излучения Зод и 3 , но и излучения on и З , гамма -кванты которьвс проходят через часть тoJlЩины экрана (оп в малой степени, 3 в большей степени) , поэтому фактические коэффициенты сС и будут несколько отличатся от чисто теоретических, рассчитанных по спектрам на фигуре 2, т.е. иметь эффективные значения и определять соответствующую эффективную направленность приема гамма-излучения по формуле (3), которая, как и в датчиках направленного приема, харак теризуется угловой чувствительностью и пример которой приведен на фигуре 3. Эффективный угол направленности приема излучения датчика, определи-, ющий размеры зоны опробования в при забойной области, соответствует углу If (относительно оси датчика) на половине максимума угловой чувствительности датчика опробования. Как видно из фиг.З, способ обеспечивает четкую направленность гамма-опробования на призабойиую область. Эффективный угол направленности зависит от соотношения размеров (диаметров) детектора 2 и экрана 4, расстояния между центрами детектора и экрана, и дополнительно может изменяться путем изменения энергетических интервалов регистрации интенсивностей П, и iTj (через соответствующее изменение коэффициентов и, в первую

1268

очередь, С /, ) и изме ением толщины экрана (через изменение коэффициента об ) .

На фиг. 3 приведены результаты лабораторного измерения угловой чувствительности датчика, на фиг. А сравнительные результаты измерений при проведении профильной шпуровой гамма-съемки известным способом кривая 5 и предложенным способом направленного детектирования гамМаизлучения - кривая 6.

Измерения проведены по чехлу рыхлых отложений 7, мощность которого по профилю изменяется от 0,2 до 1,5 метров, что вызывает существенные флюктуации измеряемой интенсивности гамма-излучения при использовании способа ненаправленного в сторону забоя измерения излучения и практическую невозможностью четкого выделения границы двух типов пород габоро 8 и гранодиоритов 9 по данным обычной шпуровой гамма-съемки. Анализ данных предложенного способа направленного детектирования гаммаизлучения показывает, что его результаты имеют повышенную точность за счет измерения гамма-излучения i oренных пород, при этом мощность рыхлых отложений 8 и содержание в них радиоактивных элементов мало влияют на результаты измерений, а граница двух типов пород 9 и 10 разной радиоактивности выделяется с высокой точностью и достоверностью.

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД с применение экранированного спектрометрического детектора гаммаизлучения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и расширения возможностей применения, детектор экранируют в направлении детектирования, регистрируют интенсивность гамма-излучения в двух энергетических интервалах, первый из которых включает низкоэнергетическое гамма-излучение, а второй - высокоэнергетическое гамма-излучение, и по разности интенсивности гамма-излучения в указанных интервалах судят об интенсивности гамма-из(О лучения определяемых элементов в направлении детектирования.

N,Unn./MUH H() / f .f(f