Радиометрические методы исследования. Полевые радиометрические методы. Факторный анализ фондоотдачи. Анализ использования оборудования

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Реферат на тему «Радиометрические методы анализа»

Выполнил: студент группы 1111-82

Асфандиярова Лира

Проверил: доцент кафедры ТИПиКМ

Г.С.Батурова, Л.А.Кипрова

Казань 2013

Введение

2.1 Активационный анализ

3.1 Сцинтилляционный счетчик

3.2 Черенковский счетчик

3.4 Газоразрядный счетчик

3.5 Камера Вильсона

3.6 Диффузионная камера

3.7 Пузырьковая камера

Заключение

Список литературы

радиоактивный излучение изотоп распад

Введение

Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются в настоящее время при проведении разнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе.

Основными достоинствами аналитических методов, основанных на измерении радиоактивного излучения, являются низкий порог обнаружения анализируемого элемента и широкая универсальность. Радиоактивационный анализ имеет абсолютно низший порог обнаружения среди всех других аналитических методов (10-15 г). Достоинством некоторых радиометрических методик является анализ без разрушения образца, а методов, основанных на измерении естественной радиоактивности, - быстрота анализа. Ценная особенность радиометрического метода изотопного разведения заключена в возможности анализа смеси близких по химико-аналитическим свойствам элементов, таких, как цирконий - гафний, ниобий - тантал и др.

Дополнительные осложнения в работе с радиоактивными препаратами обусловлены токсичными свойствами радиоактивного излучения, которые не вызывают немедленной реакции организма и тем самым осложняют своевременное применение необходимых мер. Это усиливает необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с радиоактивными препаратами. В необходимых случаях работа с радиоактивными веществами происходит с помощью, так называемых манипуляторов в специ-альных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.

Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:

метод изотопного разбавления;

радиометрическое титрование;

активационный анализ;

определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе.

В лабораторной практике радиометрическое титрование применяют сравнительно редко. Применение активационного анализа связано с использованием мощных источников тепловых нейтронов, и поэтому этот метод имеет пока ограниченное распространение.

1. Теоретические основы радиометрических методов

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Открытие радиоактивности относится к 1896 г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от лат. radio - излучаю и activas - действенный).

Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения.

б- Распад. Распад ядра с выделением б-частиц, которые являются ядрами Не2+. Например: U

B соответствии с законом радиоактивного смещения, при б-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

в- Распад. Различают несколько видов в-распада: электронный в-распад; позитронный в-распад; К-захват. При электронном в-распаде, например, нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной в-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном в-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (в+-частица), а протон внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием г-квантов.

При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например:

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жесткого рентгеновского излучения.

Поток б- и в-частиц называют соответственно б- и в-излучением. Кроме того, известно г-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, г-излучение близко к жесткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение возникает при переходах в электронной оболочке атома, а г-излучение испускает возбужденные атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (б или в).

1.2 Закон радиоактивного распада

Скорость радиоактивного распада пропорциональна числу имеющихся ядерN : где л - постоянная распада.

При интегрировании получаем:

если t = 0 , to N = N 0 и, следовательно, const = - lg N 0 . Окончательно

где А - активность в момент времени t ; A 0 - активность при t = 0 .

Уравнения (1) и (2) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка.

В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада Т 1\2 , который так же, как и л, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.

Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.

Таким образом, в момент времени Т 1\2 отношение

С учетом этого соотношения уравнение (2) можно переписать:

Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится в пределах примерно от 10 10 лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10-15 мин и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики излучения

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Например, первичным результатом действия ра-диоактивного излучения на воздух является появление ионов:

Обладают сильным физиологическим действием - при больших дозах они являются одной из причин лучевой болезни, малокровия и т. д., так как энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови. Опасность радиоактивного воздействия возрастает вследствие того, что организм не обладает болевыми реакциями на действие радиоактивного излучения. Быстрое превращение этих частиц в безопасные для человеческого организма является одним из эффективных приёмов борьбы с лучевой болезнью.

Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Сюда относятся, например, разложение (радиолиз) воды с образованием водорода, пероксида водорода и различных радикалов, вступающих в окислительно-восстановительные реакции с растворенными веществами. Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиохимические превращения различных органических coединений - аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах.

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов

Источники радиоактивного излучения делят на закрытые и открытые. Закрытые - должны быть герметичны. Открытые - любые негерметичные источники излучения, которые могут создавать радиоактивное загрязнение воздуха, аппаратуры, поверхностей столов, стен и т. п.

При работе с закрытыми источниками необходимые меры предосторожности сводятся к предохранению от внешнего облучения.

Закрытые источники излучения активностью выше 0,2 г-экв радия должны быть помещены в защитные устройства с дистанционным управлением и устанавливаться в специально оборудованных помещениях.

При работе с закрытыми источниками меньшей активности следует применять экраны, соответствующие по толщине и материалу роду и энергии излучения радиоактивного источника, а также дистанционные инструменты, применение которых должно снижать дозу до предельно допустимой. Лаборатории при работе с закрытыми источниками могут быть обычными.

При работе с открытыми источниками необходимо учитывать: относительную радиотоксичность изотопа, которая зависит от его периода полураспада, вида и энергии излучения; активность на рабочем месте; физическое состояние вещества; особенность работы.

Для каждого радиоактивного изотопа установлена предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочих помещений.

По убывающей степени радиотоксичности радиоактивные изотопы делятся на четыре группы предельно допустимых концентраций:

Группа А - изотопы особо высокой радиотоксичности (ПДК не более 110-13 кюри/л): 90Sr, 226Ra, 239Pu и др.

Группа Б - изотопы высокой радиотоксичности (ПДК от 1 10-13 до 1 10-11 кюри/л): 22Na, 45Са, 60Co, 89Sr, 110Ag, 131I, 137Cs, l41Ce, 210Pb, U (ест.) и др.

Группа В - изотопы средней радиотоксичности (ПДК от 1 10-11 до 110-9 кюри/л): 24Na, 32P, 35S, 36C1, 42К, 56Mn, 55, 59Fe, 69Zn, 76As, 82Br, 124, 125Sb, 140Ba и др.

Группа Г - изотопы наименьшей радиотоксичности (ПДК от 110-9 кюри/л): 3Н, 14С и др.

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Активационный анализ

Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества в результате ядерных реакций при облучении стабильных ядер нейтронами, гамма-квантами, протонами или другими частицами.

На активации основан мощный метод определения состава вещества активационный анализ . Он был впервые предложен Г. Хевеши (G. Hevesy) и Х. Леви (H. Levi) (1936).

В этом методе идентификация химических элементов, содержащихся в образце и их количественный анализ производятся путем измерения активности, энергии излучений и периода полураспада образовавшихся в результате ядерной реакции радионуклидов. Пусть в естественной смеси элемента доля изотопа A, который в результате реакции A(a,b)B превращается в радиоактивный изотоп B равна k. Идентифицировав в облученном образце по периоду полураспада и энергии излучения наличие изотопа B, по его активности можно определить массу соответствующего элемента m по формуле

где М? атомная масса определяемого элемента, i определяется по активности I изотопа B.

Наряду с абсолютным методом, основанным на соотношении часто применяется относительный метод, при котором активность образца сравнивается с активностью эталона, содержащего известное количество определяемого элемента и облученного в идентичных условиях с образцом.

В активационном анализе чаще всего используются нейтроны (нейтронно-активационный анализ ) и гамма-кванты (гамма-активационный анализ ). В качестве источника нейтронов используются:

1. Радиоизотопные (ампульные) источники.

2. Ядерные реакторы.

3. Нейтронные генераторы.

Около 70% элементов имеют свойства, позволяющие использование нейтронно-активационный анализ для их идентификации и количественного анализа.

Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (10 14 -10 15 квант/с), получаемое на электронных ускорителях. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы элементов с пределом обнаружения ~10 -4 -10 -7 %. Существуют ситуации, когда использование гамма-активационного анализа предпочтительно. Гамма-активационный анализ в частности позволяет эффективно анализировать такие элементы, как Ca, Ni, Ti, Tl и Pb. Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронно-активационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно, анализу могут подвергаться образцы больших размеров.

Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и поверхностей.

2.2 Метод изотопного разбавления

В основе метода изотопного разбавления лежит допущение, что разные нуклиды одного и того же элемента химически эквивалентны. Метод целесообразно использовать для определения близких по свойствам компонентов трудно разделяемых смесей. Метод изотопного разбавления сочетает в себе преимущества методов внутреннего стандарта и добавок.

Его идею лучше всего рассмотреть на конкретном примере. При определении свинца методом изотопного разбавления в анализируемый раствор, содержащий х (г) свинца, вводят небольшое известное количество радиоактивного изотопа Рb * , в результате чего раствор приобретает активность А 0 . Какое-то количество полученного раствора осаждают раствором сульфата и получают m (г) осадка PbSO4 с активностью А . Если радиоактивный изотоп вводился в анализируемый раствор без носителя, то из пропорции

где F - фактор пересчета PbSO4 на Pb.

Если изотоп вводился с носителем, то

где m " - масса радиоактивного препарата с носителем.

При m " = 0 (изотоп без носителя) соотношение (б) переходит в (а). Как видно, пропорциональность активности изотопа количеству определяемого компонента позволяет получить точный результат и без достижения полноты осаждения, что является существенным достоинством метода изотопного разбавления.

Определение активности осадка часто нежелательно из-за адсорбции, самопоглощения и других явлений, искажающих истинную величину активности, поэтому обычно определяют активность раствора после отделения осадка. Если А1 и V1 - удельная активность и объем раствора до осаждения, A2 и V2 - после него, то, очевидно, активность осадка А будет равна А = А1V1 - А2V2.

Применение метода изотопного разбавления предполагает, что закон постоянства изотопного состава элементов соблюдается, химические свойства радиоактивного и неактивного изотопов неразличимы и реакции изотопного обмена радиоизотопа с «третьими» компонентами смеси не происходят.

Для выделения анализируемого компонента в методе изотопного разбавления наряду с осаждением используется также экстракция, хроматография и другие методы разделения, а для определения количества выделенного компонента применяют спектральные, электрохимические и другие методики.

2.3 Радиометрическое титрование

При радиометрическом титровании индикаторами являются радиоактивные изотопы элементов. Например, при титровании фосфата магнием в анализируемый раствор вводят небольшое количество фосфата, содержащего радиоактивный Р*.

При титровании протекает реакция

Изменение активности в ходе этого титрования можно видеть на рис.1 а. Здесь же показано графическое определение точки эквивалентности (т.э.). До т.э. раствора будет резко убывать, так как радиоактивный HP*O 4 2- из раствора будет переходить в осадок. После т.э. активность раствора будет оставаться практически постоянной и очень небольшой.

Как видно из рис.1. б. добавление гидрофосфата к раствору Mg2+ до т.э. практически не будет вызывать увеличения активности раствора, так как радиоактивный изотоп Р* будет переходить в осадок MgHP*O4. После т.э. активность раствора начинает возрастать пропорционально концентрации гидрофосфата.

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстракции позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае для ее определения можно измерять активность обеих фаз.

2.4 Методы определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов

Многие химические элементы являются радиоактивными, т. е. все их изотопы радиоактивны. К ним относятся технеций, прометий и все естественные и искусственные элементы, стоящие в периодической системе элементов после висмута. Кроме того, ряд нерадиоактивных химических элементов в естественной смеси изотопов содержит радиоактивные изотопы.

Следует сказать, что на практике из нерадиоактивных элементов только калий определяется этим способом.

Для определения содержания радиоактивных элементов или нерадиоактивных, содержащих в естественной смеси радиоактивные изотопы, можно использовать два способа.

В первом способе определяется активность анализируемого образца (распад/сек), и рассчитывается количество искомого элемента.

Этот способ сложен, так как определение активности (распад/сек) в большинстве случаев представляет собой трудную задачу.

Практически более доступно относительное измерение, т. е. измерение активности анализируемого образца и эталона или серии эталонов с известным содержанием определяемого элемента. Необходимо, чтобы была достигнута полная идентичность условий измерения образца и эталонов: положение их относительно детектора излучения, толщина слоя и плотность. В этом случае содержание элемента в анализируемом образце может быть найдено по калибровочному графику в координатах активность - содержание элемента или по формуле:

где рх и рэ - содержание искомого элемента в образце и эталоне;

А и Аэ - активность анализируемого образца и эталона.

Второй способ основан на определении количества дочернего радиоактивного изотопа, накапливающегося за определенный промежуток времени из материнского:

где N Д и NM - количества атомов дочернего и материнского радиоактивных изотопов;

л Д и л м - константы распада дочернего и материнского изотопов;

t - время накопления дочернего изотопа из чистого материнского.

Этот способ применяется для определения содержания тех изотопов, которые распадаются с образованием других радиоактивных изотопов, например радия по дочернему радону, урана по UX1 и т. п.

3. Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц

На изучении взаимодействия радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.

Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, де-лятся на две группы:

1) приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

2) приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).

3.1 Сцинтилляционный счетчик

Наблюдениесцинтилляций -- вспышек света при по-падании быстрых частиц на флуоресцирующий экран -- первый метод, позволивший У. Круксу* и Э. Резерфорду на заре ядерной физики (1903) визуально регистрировать a -частицы. Сцинтилляционный счетчик -- детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор и фотоэлектронный умножитель), позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Обычно в качестве сцинтилляторов используют кристаллы некоторых неорганических (ZnS для a -частиц; NaI-Tl, CsI-Tl -- для b -частиц и g -квантов) или органических (антрацен, пластмассы -- для g -квантов) веществ.

* У. Крукс (1832--1919) -- английский физик и химик.

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны.

Излученный свет собирается - в спектральном диапазоне сцинтиллятора - на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и фотодиоды.

Схема сцинтилляционого счетчика: 1- источник излучения; 2- фосфор; 3- фотокатод; 4- диоды; 5- анод

3.2 Черенковский счетчик

Назначение черенковских счетчиков -- это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, и разделение этих частиц по массам. Зная угол испускания излучения, можно определить скорость частицы, что при известной массе частицы равносильно определению ее энергии. С другой стороны, если масса частицы не известна, то она может быть определена по независимому измерению энергии частицы. Кроме того, при наличии двух пучков частиц с разными скоростями будут различными и углы испускания излучений, по которым можно искомые частицы определить. Для черенковских счетчиков разрешение по скоростям (иными словами, по энергиям) составляет 10- 3 --10- 5 . Это позволяет отделять элементарные частицы друг от друга при энергиях порядка 1 ГэВ(гигаэлектронвольт), когда углы испускания излучения различаются очень мало. Время разрешения счетчиков достигает 10- 9 с. Счетчики Черенкова устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.

3.3 Импульсная ионизационная камера

Это детектор частиц, действие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой заполненный газом электрический конденсатор, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Напряжение подбирается так, чтобы все образовавшиеся ионы, с одной стороны, доходили до электродов, не успев рекомбинировать, а с другой -- не разгонялись настолько сильно, чтобы производить вто-ричную ионизацию. Следовательно, в ионизационной камере на ее электродах непосредственно собираются ноны, возникшие под действием заряженных частиц. Иониза-ционные камеры бывают двух типов:интегрирующие (в них измеряется суммарный ионизационный ток)иимпульсные, являющиеся, по существу, счетчиками (в них регистрируется прохождение одиночной частицы и измеряется ее энергия, правда, с довольно низкой точностью, обусловленной малостью выходного импульса).

3.4 Газоразрядный счетчик

Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т. е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера -- Мюллера* (в них разряд самостоятельный т. е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора).

В пропорциональных счетчиках обычно катодом служит цилиндр, а анодом -- тонкая (10--100 мкм ) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без "размножения". П. с. заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.

Счетчик Гейгера -- Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольт-амперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера -- Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Коэффициент усиления этих счетчиков составляет 10 8 . Для регистрации раздельных импульсов возникший разряд следует гасить.

Рис. Схема пропорционального счетчика

Рис. Установка для регистрации радиоактивных излучений: а - счетчики Гейгера--Мюллера; б -- внешний вид счетной установки; в -- схема счетной установкм; 1 -- газовый счетчик; 2 -- высоковольтный выпрямитель; 3 -- усилитель; 4 -- пересчетное устройство; 5 -- электромеханический счетчик

3.5 Камера Вильсона

(1912) -- это старейший и на протяжении многих десятилетий (вплоть до 50--60-х годов) единственный тип трекового детектора. Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщенным парами воды или спирта. При резком, т. е. адиабатическом, расширении газа пар становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана. Образовавшиеся треки для воспроизводства их пространственного расположения фотографируются стереоскопически, т. е. под разными углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, a -частица оставляет сплошной жирный след, b -частица -- тонкий), об энергии частиц (по величине пробега), о плотности ионизации (по количеству капель на единицу длины трека), о количестве участвующих в реакции частиц.

* Ч. Вильсон (1869--1959) -- английский физик.

Российский ученый Д. В. Скобельцын (1892--1990) значительно расширил возмож-ности камеры Вильсона, поместив ее в сильное магнитное поле (1927). По искривлению траектории заряженных частиц в магнитном поле, т.е. по кривизне трека, можно судить о знаке заряда, а если известен тип частицы (ее заряд и масса), то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и массу частицы даже в том случае, если весь трек в камере не умещается (для реакций при высоких энергиях вплоть до сотен мегаэлектрон-вольт). Недостаток камеры Вильсона -- ее малое рабочее время, составляющее примерно 1% от времени, затрачиваемого для подготовки камеры к последу-ющему расширению (выравнивание температуры и давления, рассасывание остатков треков, насыщение паров), а также трудоемкость обработки результатов.

Рис. Схема Камеры Вильсона

3.6 Диффузионная камера

(1936) -- это разновидность камеры Вильсона. В ней рабочим веществом также является пересыщенный пар, но состояние пересыщения создастся диффузией паров спирта от нагретой (до 10°С) крышки ко дну, охлаждаемому (до --60°С) твердой углекислотой. Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной примерно 5 см, в котором проходящие заряженные частицы создают треки. В отличие от вильсоновской диффузионная камера работает непрерывно. Кроме того, из-за отсутствия поршня в ней могут создаваться давления до 4 МПа, что значительно увеличивает ее эффективный объем.

Рис.Диффузионная камера: 1 - фотоаппарат; 2 - стеклянная крышка; 3 - лоток, наполненный спиртом; 4 - стеклянный цилиндр; 5 - металлическая пластина; 6 - сухой лед

3.7 Пузырьковая камера

(1952; американский физик Д. Глезер (р. 1926)). В пузырьковой камере рабочим веществом является перегретая (находящаяся под давлением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается камера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара -- образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фотографируется. Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2--3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пузырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.

Заключение

Все описанные выше радиометрические методы анализа не лишены ряда недостатков, но они являются вполне перспективными и могут широко применяться в случае необходимости. Количественный анализ с применением радиоактивных индикаторов часто оказывается более простым и более чувствительным, чем другие методы химического анализа.

Применение радиоактивности в аналитической химии весьма многообразно. Измерение радиоактивности широко применяют также в научно-исследовательских целях: для исследования механизмов химических реакций, определения растворимости малорастворимых соединений, исследования процессов разделения и для решения многих других задач, включая определение важнейших физико-химических констант (констант устойчивости координационных соединений, констант ионообменных процессов и т. д.).

Список литературы

1. Векслер В. Ионизационные методы исследования излучений/ В. Векслер, Л. Грошев, Б. Исаев. М. -Л.: Гостехиздат, 1949. 424 с.

2. Калашникова В. И. Детекторы элементарных частиц (Экспериментальные методы ядерной физики, [ч. 1])/ В.И. Калашникова, М.С. Козодаев. М.: Наука, 1966. 408 с.

3. Крешков А.П.Основы аналитической химии. Физико-химические (инструментальные) методы анализа/ А.П. Крешков. М.: Химия, 1970. 472 с.

4. Васильев В.П. Аналитическая химия (Физико-химические методы анализа, [ч.2])/ В.П.Васильев. М.: Дрофа, 2009. 382 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Закон радиоактивного распада. Определение ионов химических элементов. Метод радиометрического титрования, изотопного разбавления, активационного анализа, определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов.

презентация , добавлен 07.05.2016


Радиоактивный анализ. Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивного излучения. Активационный анализ. Метод изотропного разбавления. Радиометрическое титрование.

реферат , добавлен 05.06.2008


Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности. Использование естественной радиоактивности в анализе. Активационный анализ. Радиометрическое титрование.

реферат , добавлен 01.06.2008


Ионизационный и сцинтилляционный методы радиоактивного излучения. Определение ионов химических элементов в растворе с помощью радиоактивных реагентов. Оптимальное время регистрации излучений. Метод радиометрического титрования и активационного анализа.

курсовая работа , добавлен 07.05.2016


История, предмет и задачи радиохимии. Протонно-нейтронный состав ядер. Законы радиоактивного распада. Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Основные виды радиационно-химических превращений. Механизм ядерных реакций и получение радионуклидов.

учебное пособие , добавлен 06.06.2010


Природная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках земли. Родоначальниками радиоактивных изотопов, входящие в состав радиоактивных семейств являются радий и торий.

курсовая работа , добавлен 25.11.2008


Современные аналитические методики. Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Типы радиоактивности урана. Методика измерения обогащения с использование натрий-йодного детектора. Обработка спектра окиси урана. Измерение обогащения блочков урана.

дипломная работа , добавлен 16.07.2015


Изучение состава, строения органических и неорганических веществ. Применение спектральных методов анализа, основанных на анализе взаимодействия с веществом электромагнитного излучения энергии. Классические спектрофотометры. Использование минералогии.

презентация , добавлен 23.12.2013


История развития микроволновой химии. Разработка специализированных микроволновых печей, предназначенных для осуществления химических реакций. Взаимодействие микроволнового излучения с веществами, его использование для проведения химических анализов.

курсовая работа , добавлен 13.11.2011


Понятие и основные разновидности излучений, их признаки и свойства. Взаимодействие бета-излучения с веществом: ионизационные, радиационные, поляризационные потери, упругое рассеяние. Отличительные особенности и отличительные свойства бета-детектирования.

Радиометрический анализ, метод анализа химического состава веществ, основанный на использовании радиоактивных изотопов и ядерных излучений. В Р. а . для качественного и количественного определения состава веществ используют радиометрические приборы. Различают несколько способов Р. а . Прямое радиометрическое определение основано на осаждении определяемого иона в виде нерастворимого осадка избытком реагента известной концентрации, содержащего радиоактивный изотоп с известной удельной активностью. После осаждения устанавливают радиоактивность осадка или избытка реагента.

Радиометрическое титрование основано на том, что определяемый в растворе ион образует с реагентом малорастворимое или легкоэкстрагируемое соединение. Индикатором при титровании служит изменение, по мере введения реагента, радиоактивности раствора (в 1-м случае) и раствора или экстракта (во 2-м случае). Точка эквивалентности определяется по излому кривой титрования, выражающей зависимость между объёмом введённого реагента и радиоактивностью титруемого раствора (или осадка). Радиоактивный изотоп может быть введён в реагент или определяемое вещество, а также в реагент и определяемое вещество.

Метод изотопного разбавления основан на тождественности химических реакций изотопов данного элемента. Для его осуществления к анализируемой смеси добавляют некоторое количество определяемого вещества m0, содержащего в своём составе радиоактивный изотоп с известной радиоактивностью I0. Затем выделяют любым доступным способом (например, осаждением, экстракцией, электролизом) часть определяемого вещества в чистом состоянии и измеряют массу m1 и I1 радиоактивность выделенной порции вещества. Общее содержание искомого элемента в анализируемом объекте находят из равенства отношений радиоактивности выделенной пробы к радиоактивности введённого вещества и массы выделенного вещества к сумме масс введённого вещества и находящегося в анализируемой смеси: , откуда.

При активационном анализе исследуемое вещество облучают (активируют) ядерными частицами или жёсткими g-лучами, а затем определяют активность образующихся радиоактивных изотопов, которая пропорциональна числу атомов определяемого элемента, содержанию активируемого изотопа, интенсивности потока ядерных частиц или фотонов и сечению ядерной реакции образования радиоактивного изотопа.

Фотонейтронный метод основан на испускании нейтронов при действии фотонов высокой энергии (g-квантов) на ядра атомов химических элементов. Количество нейтронов, определяемое нейтронными детекторами, пропорционально содержанию анализируемого элемента. Эта энергия фотонов должна превышать энергию связи нуклонов в ядре, которая для большинства элементов составляет ~ 8 Мэв (лишь для бериллия и дейтерия она равна соответственно 1,666 Мэв и 2,226 Мэв; при использовании в качестве источника g-квантов изотопа 124Sb, с Eg = 1,7 и 2,1 Мэв, можно определять бериллий на фоне всех др. элементов).

В Р. а . применяются также методы, основанные на поглощении нейтронов, g-лучей, b-частиц и квантов характеристического рентгеновского излучения радиоактивных изотопов. В методе анализа, основанном на отражении электронов или позитронов, измеряется интенсивность отражённого потока. Энергия частиц, отражённых от лёгких элементов, во много раз меньше энергии частиц, отражённых от тяжёлых элементов, что позволяет определять содержание тяжёлых элементов в их сплавах с лёгкими элементами и в рудах.

25. ОСОБЕННОСТИ РАДИОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА .

Радиохимический анализ - раздел аналитической химии, совокупность методов определения качественного состава и количественного содержания радиоактивных изотопов в продуктах ядерных превращений. Радиоактивные изотопы могут при этом возникать за счёт ядерных реакций как в природных объектах, так и в специально облученных материалах. В отличие от радиометрического анализа, имеющего целью определение содержания радиоактивных элементов только с помощью физических приборов, целью Р. а. является нахождение содержания радиоактивных изотопов в исследуемых объектах с применением химических методов отделения и очистки.

Идентификация радиоактивных изотопов и количественное их определение осуществляются путём измерения γ- или α-активности облученных мишеней или веществ природного происхождения на γ- и α-спектрометрах. Радиометрическая аппаратура позволяет анализировать сложные по составу смеси радиоактивных изотопов без разрушения исходного вещества. При анализе объектов, содержащих большое число радиоактивных изотопов, или объектов, в которых относительные концентрации различных радиоактивных изотопов варьируют в широком диапазоне, а также в тех случаях, когда распад исследуемого радиоактивного изотопа сопровождается испусканием только β-частиц или рентгеновским излучением, исходное вещество растворяют в воде или кислоте. К раствору добавляют изотопные или неизотопные носители и проводят различные химические операции разделения смеси на исследуемые элементы и последующей их очистки (с этой целью наиболее часто используют методы осаждения, экстракции, хроматографии, электролиза, дистилляции и др.). Затем с помощью радиометрических счётчиков и спектрометров ядерных частиц идентифицируют и определяют абсолютные активности радиоактивных изотопов, выделенных в радиохимически и химически чистом состояниях. Поражающее действие радиоактивных излучений требует соблюдения особой техники безопасности.

Современный Р. а. получил широкое практическое применение при решении многих аналитических вопросов, возникающих при производстве ядерного топлива, при открытии и изучении свойств новых радиоактивных элементов и изотопов в активационном анализе, в исследовании продуктов различных ядерных реакций. Р. а. используется для обнаружения на поверхности Земли радиоактивных продуктов ядерных взрывов, для изучения индуцированной космическим излучением радиоактивности метеоритов и поверхностных слоев Луны и в ряде др. случаев.

26. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ, метод исследования и анализа в-в, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения. Спектрофотометрический метод анализа основан на спектрально-избирательном поглощении монохроматического потока световой энергии при прохождении его через исследуемый раствор. Метод позволяет определять концентрации отдельных компонентов смесей окрашенных веществ, имеющих максимум поглощения при различных длинах волн, он более чувствителен и точен, чем фотоэлектроколориметрический метод. Известно, что фотоколориметрический метод анализа применим только для анализа окрашенных растворов, бесцветные растворы в видимой области спектра обладают незначительным коэффициентом поглощения. Однако многие бесцветные и слабо окрашенные соединения (особенно органические) обладают Характерными полосами поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, что используют для их количественного определения. Спектрофотометрический метод анализа применим для измерения светопоглощения в различных областях видимого спектра, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, что значительно расширяет аналитические возможности метода.

27. ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ - группа методов объемного анализа, в которых конечная точка титрования определяется по изменению оптической плотности раствора в ходе хим. р-ии м/д титрантом и титруемым в-вом. Спектрофотометрическое титрование позволяет быстро, точно и просто выполнять анализ. Относит. ошиб. опред. -<0,1 %. Можно титровать с достаточной точностью разбавленные растворы (10−5 моль). При фотометрии используют все многообразие аналитических реакций: кислотно-основные, осаждения, комплексообразования и пр.

Различают 2 варианта фотометрического титрования: титрование без индикатора и с одноцветным индикатором, титрование с 2-хцветным индикатором. Если хотя бы один из компонентов реакции окрашен, то титрование в видимой части спектра можно проводить без индикатора. В этом случае кривые титрования прямолинейны и за конечную точку принимается точка излома. Если ни один компонент реакции не окрашен, то применяют цветной индикатор, изменяющий окраску вблизи точки эквивалентности. При этом кривые титрования нелинейны, и за конечную точку принимают точку перегиба. Фототурбидиметрическое титрование. Этот метод применяют тогда, когда определяемое вещество образует взвесь с титрантом.

Прибавление каждой новой порции титранта (осадителя) ведет к образованию некоторого количества осадка. При этом мутность раствора увеличивается, что ведет к увеличению поглощения света раствором до достижения точки эквивалентности. При дальнейшем прибавлении титранта образование взвеси прекращается, мутность уменьшается вследствие разбавления, и поглощение света раствором соответственно уменьшается. Максимальная мутность и максимальное поглощение световых лучей соответствуют точке эквивалентности.

28. ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД анализа основан на возбуждении электронных спектров испускания молекул определяемого вещества при внешнем УФ-облучении и измерении интенсивности их фотолюминесценции. Для возникновения явления люминесценции молекулы вещества необходимо перевести из основного состояния в возбужденное с длительностью его существования, достаточной для осуществления излучательного электронного перехода из возбужденного состояния в основное. Это возможно для молекул с относительно устойчивым возбужденным состоянием. Флуориметрический метод определения микропримесей состоит из подготовки анализируемого вещества к анализу и оценки интенсивности его излучения. Высокая чувствительность метода требует применения реактивов с квалификацией особой чистоты или химически чистый. Во многих случаях реактивы подвергаются дополнительной очистке методами перекристаллизации, перегонки, экстракции, хроматографии. Чувствительность отдельных флуориметрических методов (например с морином) соизмерима с чувствительностью спектральных методов и значительно выше спектрофотометрических. Флуориметрические методы в большинстве случаев характеризуются более высокой избирательностью, чем спектрофотометриче-ские. Применяется для очистки вод, нефти и тд.

29. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (ИКС) - раздел спектроскопии, охватывающий длинноволновую область спектра (>730 нм за красной границей видимого света). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно - в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. ИК излучение поглощают многие газы, за исключением таких как О2, N2, H2, Cl2 и одноатомных газов. Поглощение происходит на длине волны, характерной для каждого определенного газа, для СО, например, таковой является длина волны 4,7 мкм.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно короткими молекулами: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров, комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно длинными молекулами (белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и др.) находятся в терагерцовом диапазоне, поэтому строение этих молекул можно установить с помощью радиочастотных спектрометров терагерцового диапазона. По числу и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения - о количестве вещества (количественный анализ). Основные приборы - различного типа инфракрасные спектрометры. С помощью ИК спектроскопии быстро и надёжно идентифицируются разнообразные функциональные группы: карбонильная, гидроксильная, карбоксильная, амидная, амино, циано и др.; а также различные непредельные фрагменты: двойные и тройные углерод-углеродные связи, ароматические или гетероароматические системы. Методами ИК-спектроскопии изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. В химии древесины и химии природных соединений с помощью ИК-спектроскопии исследуют структуры углеводов, лигнинов, аминокислот, терпенов, стероидов и многих других веществ. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (ИК спектроскопия), раздел мол. оптич. спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагн. излучения в ИК области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м. В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны (или волновое число) ИК спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебат. уровнями осн. электронного состояния изучаемой системы (см. Колебательные спектры). Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геом. строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому ИК спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений. Для регистрации спектров используют классич. спектрофотометры и фурье-спектрометры. Осн. части классич. спектрофотометра - источник непрерывного теплового излучения, монохроматор, неселективный приемник излучения. Кювета с в-вом (в любом агрегатном состоянии) помещается перед входной (иногда за выходной) щелью. В качестве диспергирующего устройства монохроматора применяют призмы из разл. материалов (LiF, NaCl, KCl, CsF и др.) и дифракц. решетки. Последовательное выведение излучения разл. длин волн на выходную щель и приемник излучения (сканирование) осуществляется поворотом призмы или решетки. Источники излучения - накаливаемые электрич. током стержни из разл. материалов. Приемники: чувствительные термопары, металлич. и полупроводниковые термосопротивления (болометры) и газовые термопреобразователи, нагрев стенки сосуда к-рых приводит к нагреву газа и изменению его давления, к-рое фиксируется. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой. Достоинства приборов классич. схемы: простота конструкции, относит. дешевизна. Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что сильно затрудняет работу в далекой ИК области; сравнительно невысокая разрешающая способность (до 0,1 см-1), длительная (в течение минут) регистрация спектров. В фурье-спектрометрах отсутствуют входная и выходная щели, а осн. элемент - интерферометр. Поток излучения от источника делится на два луча, к-рые проходят через образец и интерферируют. Разность хода лучей варьируется подвижным зеркалом, отражающим один из пучков. Первоначальный сигнал зависит от энергии источника излучения и от поглощения образца и имеет вид суммы большого числа гармонич. составляющих. Для получения спектра в обычной форме производится соответствующее фурье-преобразование с помощью встроенной ЭВМ. Достоинства фурье-спектрометра: высокое отношение сигнал: шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая (за секунды и доли секунд) регистрация спектра, высокая разрешающая способность (до 0,001 см-1). Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость. Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, к-рые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра р-рителя), изменение масштаба записи, вычисление эксперим. спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и др. Кюветы для ИК спектрофотометров изготовляют из прозрачных в ИК области материалов. В качестве р-рителей используют обычно ССl4, СНСl3, тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Твердые образцы часто измельчают, смешивают с порошком КВr и прессуют таблетки. Для работы с агрессивными жидкостями и газами применяют спец. защитные напыления (Ge, Si) на окна кювет. Мешающее влияние воздуха устраняют вакуумированием прибора или продувкой его азотом. В случае слабо поглощающих в-в (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в к-рых длина оптич. пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал. Большое распространение получил метод матричной изоляции, при к-ром исследуемый газ смешивают с аргоном, а затем смесь замораживают. В результате полуширина полос поглощения резко уменьшается и спектр получается более контрастным. Применение спец. микроскопич. техники позволяет работать с объектами очень малых размеров (доли мм). Для регистрации спектров пов-сти твердых тел применяют метод нарушенного полного внутр. отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем в-ва энергии электромагн. излучения, выходящего из призмы полного внутр. отражения, к-рая находится в оптич. контакте с изучаемой пов-стью. Инфракрасную спектроскопию широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых в-в. Количеств. анализ основан на законе Бугера-Ламберта-Бера (см. Абсорбционная спектроскопия), т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации в-ва в пробе. При этом о кол-ве в-ва судят не по отд. полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значит. перекрывании последних. Погрешность количеств. анализа, как правило, составляет доли процента. Идентификация чистых в-в производится обычно с помощью информационно-поисковых систем путем автоматич. сравнения анализируемого спектра со спектрами, хранящимися в памяти ЭВМ. Характерные области поглощения ИК излучения наиб. часто встречающихся функц. групп хим. соед. приведены в табл. на форзаце в конце тома. Для идентификации новых в-в (молекулы к-рых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусств. интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются мол. структуры, затем строятся их теоретич. спектры, к-рые сравниваются с эксперим. данными. Исследование строения молекул и др. объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах мол. моделей и математически сводится к решению т. наз. обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью спец. теории спектральных кривых к экспериментальным. Параметрами мол. моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной пов-сти (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др. Инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимод., характер хим. связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику хим. р-ций, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геом. параметры, получать данные для вычисления термодинамич. ф-ций и др. Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебат. энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в т.ч. полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики мол. моделей (силовые постоянные, электрооптич. параметры и др.), к-рые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантовохим. расчетами. И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодич. системы. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наиб. распространение в орг. и элементоорг. химии. В отд. случаях для газов в ИК области удается наблюдать вращат. структуру колебат. полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геом. параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.

Радиометрические методы анализа основаны на измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. Для регистрации излучений применяют специальные установки с использованием счетчиков Гейгера-Мюллера (рис. 73). При действии приемник радиоактивных излучений в нем возникает электрический ток в виде кратковременных импульсов, которые специальной радиотехнической аппаратурой усиливаются, выравниваются по величине и поступают на регистрирующее счетное устройство.

Радиометрические методы анализа отличаются рядом преимуществ по сравнению с химическими методами. Прежде всего следует отметить их высокую чувствительность, которая значительно выше чувствительности химических и других физических и физико-химических методов анализа.

Чувствительность этих методов характеризуется, например, следующими данными:

Эти методы анализа применяются для количественного определения микропримесей различных элементов в металлах и неметаллах высокой степени чистоты.

Следует отметить, однако, что точность радиометрических методов невысока и составляет (относительных). Химические методы анализа отличаются более высокой точностью. Но там, где обычные весовой и объемный методы анализа дают большие ошибки, как, например, при определении ничтожно малых примесей, радиометрические методы являются незаменимыми.

Различают следующие радиометрические методы:

1. Метод изотопного разбавления. Метод изотопного разбавления, как указывает само название, основан на разбавлении соединения, меченного радиоактивным изотопом, неактивным компонентом смеси. Для этого к анализируемой смеси добавляют некоторое количество соединения, меченного одним из радиоизотопов и по своему составу совпадающего с определяемым компонентом.

При этом удельная активность соединения, меченного радиоактивным изотопом, уменьшится. Если выделить часть анализируемого вещества, то можно определить конечную удельную активность. Зная начальную и конечную удельные активности, легко вычислить содержание определяемого вещества.

Преимущество этого метода анализа заключается в том, что отпадает необходимость в количественном выделении определяемого вещества при условии полного смешения изотопов. Достаточно выделить лишь часть его в химически чистом виде.

Рис. 73. Установка для регистрации радиоактивных излучений: а - счетчики Гейгера-Мюллера; б - внешний вид счетной установки; в - схема счетной установкм; 1 - газовый счетчик; 2 - высоковольтный выпрямитель; 3 - усилитель; 4 - пересчетное устройство; 5 - электромеханический счетчик.

Если некоторое количество вещества, отвечающее по составу определяемому соединению, имеет массу и радиоактивность А, то его удельная активность 1г равна:

При добавлении точного количества такого вещества к определенной навеске анализируемого неактивного соединения удельная активность смеси будет равна:

Решая систему приведенных выше уравнений, получим:

но так как , то

где - объем радиоактивного раствора с известной концентрацией С - объем исследуемого раствора; - концентрация анализируемого раствора.

В случае если , формула (1) принимает вид:

Метод изотопного разбавления имеет преимущество перед другими радиометрическими методами в тех случаях, когда полное выделение исследуемого вещества из анализируемой смеси затруднительно или невозможно.

2. Радиоактивационный анализ. Принцип этого метода заключается в переводе стабильных изотопов элемента в радиоактивные, измерение радиоактивности которых служит критерием содержания данного элемента в анализируемом объекте. Для этого анализируемые образцы подвергают облучению, например, в атомном реакторе.

Активность измеряют при помощи специальных счетных устройств.

Период полураспада и энергия излучения являются специфичными для индивидуальных радиоизотопов, т. е. применяя радиоактивационный анализ, можно контролировать чистоту получаемых веществ.

Измерив радиоактивность и зная время облучения, интенсивность потока облучающих частиц, соответствующие ядерно-физические данные определяемого элемента, можно вычислить его весовое количество.

Одновременно с исследуемым веществом облучают стандартные образцы, содержащие точно известные количества определяемых элементов. Сравнивая в одинаковых условиях активности определяемого вещества и стандартных образцов, можно вычислить содержание определяемого элемента.

Радиоактивационный метод отличается многими преимуществами по сравнению с другими методами анализа. Метод обладает высокой чувствительностью. Основным недостатком его является то, что не все элементы можно определять этим методом. Образующийся после облучения радиоактивный элемент должен иметь сравнительно большой период полураспада, достаточный для того, чтобы можно было успеть провести химическое разделение и измерение активности выделенного элемента.

Применяя радиоактивационный метод анализа, можно определять микроколичества различных элементов в морской воде; редкоземельных металлов в рудах; золото, платину, палладий и иридий в серебре и никеле; никель, кобальт, медь, мышьяк, теллур в сурьме и т. д.

К числу радиометрических методов анализа также относятся: радиохроматография, нейтронная абсорбциометрия, радиометрическое титрование и др.

Все радиометрические методы поисков основаны на выявлении радиационных ореолов вокруг урановорудных или редкометалльных скоплений, их первичных и вторичных ореолов в коренных породах и рыхлых отложениях, а также на выявлении ореолов радиоактивных эманаций в рыхлых отложениях и почвах.

Главные радиометрические методы основаны на регистрации естественного гамма-излучения урана, тория и калия. Значительно реже с этой целью используются бета- и альфа-излучения.

Глубинность проникновения гамма-лучей в горных породах и перекрывающих рыхлых отложениях не превышает одного метра. Однако за счет развития в них вторичных ореолов рассеяния глубинность радиометрических методов часто оказывается значительно большей.

Сущность всех разновидностей гамма-методов сводится к измерению суммарного (интегрального) радиоактивного гамма-излучения или к дифференциальной его регистрации в определенных интервалах энергии частиц с последующим выделением участков повышенной радиоактивности.

По условиям применения радиометрические методы подразделяются:

• на аэрорадиометрические;
• наземные (автомобильные и пешеходные);
• глубинные (в шпурах, скважинах и разведочных горных выработках).

Аэрорадиометрические методы - наиболее совершенные и скоростные методы поисков месторождений радиоактивных металлов. Они основаны на выявлении в приземном слое атмосферы радиационных гамма-ореолов урана (радия), тория и калия с помощью высокочувствительных радиометров-анализаторов.

Для проведения аэрогамма-спектрометрических съемок используется аппаратура повышенной чувствительности - комплексные аэрогеофизические станции типа АГС-70с, ГСА-75 и др., включающие в себя пятиканальный гамма-спектрометр, протонный магнитометр, электроразвседочную аппаратуру по методу индукции, курсограф и высотограф. Для предварительной интерпретации данных с целью оперативного обнаружения и проверки аномалий используются специализированные бортовые или множительно-делительные устройства (БУК-4; МДУ; ИКА-2). Методика проведения аэрогамма-съемки, выделения и оценки аномалий и полей детально описывается в специальных инструкциях и руководствах .

Для целей прогноза и поисков урановых и редкометалльных месторождений гамма-спектрометрическая аппаратура монтируется на самолетах или вертолетах. Максимальная эффективность поисков обеспечивается при малых высотах наблюдений порядка 30-50 м, но не более 75 м, при скоростях полетов от 100 до 170 км/ч. Привязка наблюдений осуществляется визуально с применением подвижных ориентиров путем фотографирования последних или радиогеодезическим способом (с применением системы "Поиск-М", "Глоннас", GPS-приемников). Обработка материалов аэрогамма-спектрометрических (АГСМ) наблюдений целесообразно проводить с использованием ЭВМ и компьютерной графики. Поправки вводятся за высоту полета, космическую составляющую остаточного фона, гамма-излучение продуктов атмосферного радона, экранирующее действие лесного покрова (по бонитету), влажность почв и эманирование горных пород.

Аэрогамма-спектрометрические съемки в масштабах 1:200 000-1:50 000 проводятся в урановорудных районах для совершенствования геологической основы поисков и выявления зон метасоматически измененных пород. Аэропоиски проводятся в масштабе 1:25 000 маршрутами через 250 м длиной до 30 км.

При обработке лент АГСМ записи протяженностью до 500 м на половине их максимальной эффективности оцениваются как аномалии, а более протяженные - как поля. Аномальными считаются записи, превышающие фон на 1,3 σ измерений.

При слабом проявлении урановорудных выходов на дневной поверхности интерпретация исходных данных осложняется. Выявлению таких урановорудных концентраций существенно способствуют аэромагнитные и аэроэлектроразведочные данные. Эффективность использования аэромагнитных данных зависит от присутствия в ураноносных структурах магнитоактивных горных пород или пород с измененными магнитными свойствами, что способствует проявлению пространственных связей между аномалиями (полями) урана и магнитными полями определенного типа (рис. 3.4.1). Изучение взаимного пространственного расположения магнитных и радиоактивных аномалий, ориентировка их осей и глубин залегания магнитоактивных масс обеспечивают дополнительную информацию о связях урановых аномалий с конкретными геологическими структурами. Так, например, знакопеременные магнитные поля в породах базальт-липаритовой формации отражают условия пространственного размещения аномалий, связанных с месторождениями в ураноносных аргиллизитах, а отрицательные магнитные поля типичны для ураноносных зон березитов или калиевых метасоматитов.

Рис. 3.4.1. Пример связи эндогенного уранового оруденения с аэромагнитными аномалиями :

а - в краевой части зоны контактового метаморфизма; б - в приконтактовой части слепой интрузии; 1 - изодинамы магнитного поля, мЭ; 2 - поля повышенной гамма-активности; 3 - проявления

Для оценки перспектив ураноносности составляются карты изоконцентраций урана (радия), тория, калия и интегральной интенсивности гамма-полей (см. рис. 3.4.1). Сравнительное изучение таких карт способствует выявлению не только повышенных концентраций урановой (радиевой) природы, но также ореолов, зон и полей метасоматических изменений вмещающих пород, с которыми пространственно связаны многие редкометалльные и урановорудные поля. Среди неизмененных пород такие поля проявляются аномальными соотношениями радиоактивных элементов, маловероятными в статистическом и геохимическом смыслах для фоновой среды. При изучении ураноносных метасоматитов отчетливо проявляется антагонизм калия и тория, что способствует выявлению перспективных участков с помощью индикаторных отношений типа:

где q v , q K , q Th - содержания урана (радия), калия и тория в точках наблюдений.

Зоны ураноносных средне- и низкотемпературных альбититов выявляются по данным аэроспектрометрии повышенными содержаниями урана (радия) и тория и резко пониженными содержаниями калия, а зоны ураноносных березитов и аргиллизитов - повышенными содержаниями урана и калия на отчетливо пониженном фоне тория.

Повышению информативности аэроспектрометрических съемок способствует специализированная математическая обработка результатов. Наибольшую эффективность обеспечивают методы распознавания образов, для применения которых необходимо использование ЭВМ. В простейшем варианте решается задача отнесения объекта к одному из двух классов - "рудному" или "безрудному" но комплексу наблюденных признаков. Задача сводится к сопоставлению параметров аномальных записей с параметрами известных месторождений (рудопроявлений) и безрудных участков. С этой целью используется отношение:

гдеи- вероятности встречи i-го значения вектора признаков х интервалов содержаний урана, тория и калия в точках наблюдений с объектами соответственно "рудного" и "безрудного" классов.

Вычисленные значения l выносятся на карты и по ним проводятся линии одинаковых значений этих величин. Наиболее перспективные площади оконтуриваются изолиниями максимальных значений.

Влияние ландшафтно-геохимических условий учитывается с помощью переходных коэффициентов, значение которых определяется по данным заверенного радиогеохимического опробования горных пород, перекрывающих их рыхлых отложений и почвенного покрова.

Наземная проверка аномалий и полей проводится с целью их оконтуривания и предварительной оценки. В процессе проверки выясняется геологическая природа аномалий и нолей урана, их радиоі^охимические, структурные и минералого-геохимические особенности. Для этого участки аномалий изучаются автомобильной гамма- спектрометрической или пешеходной гамма-съемкой с гамма-спектрометрическими наблюдениями, в комплексе со схематическим геологическим, структурногеофизическим и геохимическим картированием масштаба 1:10 000 (рис. 3.4.2).

Выявленные аномалии и поля оконтуриваются, закрепляются на местности, вскрываются поверхностными горными выработками и подвергаются выборочному опробованию на уран и элементы-спутники.

Наземные радиометрические методы поисков. Основными видами наземных радиометрических поисков являются автомобильные и пешеходные.

Автомобильные гамма- и гамма-спектрометрические поиски развились на основе аэро гамма-методов, заимствовав у них самопишущую аппаратуру и важнейшие теоретические положения метода. Для проведения автомобильных гамма-поисков используются газоразрядные радиометры РА-69, а для автомобильных гамма-спектрометрических поисков - сцинтилляционные гамма-спектрометры АГС-3, которые монтируются на автомашинах ГАЗ-69, УАЗ-469 или на вездеходах.

Рис. 3.4.2. Проявление карбонатитового рудного поля, по данным аэрогамма-спектрометрической съемки .

Схемы: а - геологическая; б - концентраций тория. 10 4 %; в- концентраций урана. 10 4 %; г - концентраций калия. %; д - интегральной интенсивности гамма-поля; е - интерпретационная:

• 1 четвертичные отложения; 2 - карбонатиты; 3 - апатит-форстерит-магнетитовые породы; 4 - пироксениты; 5 - ийолиты и мельтейгиты; 6 - фенитизированные гнейсы: 7 - гранито-гнейсы;
• 8 - контуры месторождения; 9-10 - участки с максимальными содержаниями урана, 10 -4 % (9)

и тория. 10 -4 %(10)

Радиометр РА-69 обладает повышенной чувствительностью (не менее 65 имп./с на 7,2-10 -14 А/кг) и обеспечивает возможность автоматической записи показаний в двух диапазонах до 1200 и 2400 имп./с. Четырехканальный сцинтилляционный гамма-спектрометр АГС-3 обладает чувствительностью интегрального канала около 100 имп./с на 7,2-10 -14 А/кг и порогами чувствительности интегрального канала - 23,8-10 14 А/кг, уранового - 1,5-10 4 %, ториевого - 3,0-10 4 % и калиевого - 0,5 %. В комплексе с автогамма-радиометрами использовались топопривязчики ГАЗ-69-ТМГ, с помощью которых прокладывались и разбивались сети наблюдений, наносились на карту ориентиры и выполнялись тоиоірафические съемки. В настоящее время используются GPS-приемники и компьютерные технологии обработки полученной информации.

Возможность применения автомобильных поисков ограничивается условиями проходимости местности.

Наиболее широким распространением пользуются площадные автогамма-съемки масштаба 1:10 000, которыми покрываются перспективные площади порядка десятков квадратных километров. В соответствии с этим масштабом расстояния между смежными маршрутами составляют 100 м при оптимальной длине маршрутов около 2,5 км. В благоприятных ландшафтных условиях успешно применяются автогамма-съемки и более крупных масштабов (1:5 000-1:2 000). Маршруты прокладываются на местности с помощью GPS-приемников и передвижных ориентиров.

Обнаруженные при съемке аномальные повышения интенсивности гамма- излучения проверяются и детализируются путем повторных заездов на пониженных скоростях (до 5 км/ч) со сгущением сети наблюдений сериями коротких параллельных заездов.

Рис. 3.4.3. Схема детальной наземной проверки участка аэрогамма-спектрометрической аномалии . Схемы в изолиниях, по данным автогамма-спектрометрической съемки: а - интегральной интенсивности гамма-поля; 6 - концентрации урана (радия), 10 4 %; в - концентрации тория. ИГ 4 %; г - концентрации калия. %: д - схема геологического строения;

• 1 - суглинки; 2 - алевролиты; 3 - мелкозернистые песчаники; 4 - красноцветные средне- и крупнозернистые песчаники; 5 - гравелиты, конгломераты; 6 - туфогравелиты и туфо-конгломераты; 7 порфироиды; 8 - сланцы, гнейсы; 9 разрывные нарушения;
• 10- рудные зоны; 11 - канавы: 12 - элементы залегания пород

Результаты автомобильных гамма-съемок изображаются в виде карт изолиний гамма-активности, сечение которых в зависимости от характера гамма-поля выбирается от 14 10 14 до 57*10 -14 А/кг (рис. 3.4.3). Проверка автогамма-аномалий осуществляется в три этапа. На первом этапе проводится геологическое и геоморфологическое обследование аномальных площадей, обычно в комплексе с пешеходной гамма-съемкой. В результате этих исследований уточняются положение эпицентров и их пространственные связи с благоприятными структурами и комплексами пород. При наличии таких связей, а также если причины проявления аномалий неясны, они подвергаются сперва предварительной, а затем детальной проверкам по общепринятой методике.

Пешеходные гамма-съемки и наземные гамма-спектрометрические наблюдения являются основными видами наземных поисков радиометрических аномалий и рудопроявлений. Широкая распространенность пешеходных поисков объясняется возможностью их применения в районах, недоступных для других видов радиометрических поисков, их высокой результативностью и низкой себестоимостью, возможностями тесной взаимосвязи радиометрических и геологических наблюдений, непрерывной оценки радиоактивности не только по маршруту, но и в прилегающей к нему зоне, а также оперативной детализации выявляемых аномалий. Если измерения проводятся по маршрутам, отстоящим друг от друга на расстояния, заведомо превышающие густоту точек фиксированных наблюдений, исследования называются маршрутными гамма-поисками. Если же расстояния между смежными маршрутами и фиксированными точками наблюдений по маршруту сопоставимы- применяется термин "гамма-съемка". Обычно маршрутные гамма-поиски проводятся в мелких масштабах (от 1:200 000 до 1:25 000), а гамма-съемки - в масштабах от 1:10 000 и крупнее.

Пешеходные гамма-поиски и гамма-съемки проводятся в районах со сравнительно хорошей обнаженностью, в ландшафтных условиях, способствующих формированию открытых ореолов рассеяния урана, когда представительный горизонт совпадает с дневной поверхностью или приближен к ней, располагаясь на глубине не более 0,3 м. Для проведения пешеходных поисков применяются портативные полевые сцинтилляционные радиометры СРП-2 "Кристалл" и СРП-68-01-03 и дозиметры ДГА. Наиболее благоприятны для проведения пешеходных поисков высокогорные и горные районы, где наряду с хорошей обнаженностью широко развиты механические ореолы рассеяния урана в виде каменных и глыбовых россыпей, а также умеренно-расчлененные районы с хорошей обнаженностью коренных пород и широким развитием рыхлых автохтонных отложений.

При проведении маршрутных гамма-поисков и гамма-съемок активность пород непрерывно прослушивается с помощью телефона радиометра и измеряется в фиксированных точках наблюдений. Маршруты ориентируются вкрест простирания рудовмещающих структур. Густота маршрутов и фиксированных точек наблюдений по маршруту зависит от масштаба поисков и от сложности геологического строения изучаемой территории. Привязка маршрутной сети наблюдений в масштабах до 1:25 000 включительно выполняется визуально с использованием аэрофотоосновы или инструментально, с помощью буссоли и GPS-приемника. При гамма-съемках масштаба 1:10 000 и крупнее необходима разбивка магистралей и пикетажа с последующей их высокоточной инструментальной привязкой.

В районе выявленных аномалий сеть наблюдений сгущается. Параллельно основным маршрутам проходятся промежуточные профили с выходами в нормальное поле, и по совокупности полученных данных производится предварительное определение площади аномалии.

Интерпретация результатов гамма-съемок существенно зависит от правильной оценки нормальных полей активности вмещающих пород.

Нижние пределы аномальных гамма-активностей (1 а) определяются для однородных площадей, сложенных породами одного состава. Обычно они оцениваются статистически, как

где l о - фоновое поле гамма-активности на площади развития данной породы; σ- среднее квадратическое отклонение фоновых значений гамма-поля для пород данного состава.

Результаты маршрутных гамма-поисков оформляются в виде графиков, а результаты гамма-съемок - в виде карт корреляционных графиков или карт гамма- полей, выполненных в масштабе съемки (рис. 3.4.4).

Наземные гамма-спектрометрические наблюдения применяются для оценки выявленных аномалий и выделения перспективных площадей. Они основаны на различии спектрального состава гамма-излучения радия, тория и радиоактивного калия.

Рис. 3.4.4. Изображение результатов пешеходных гамма-поисков: а - карта корреляционных графиков: б - карточка гамма-аномалии в изолиниях интенсивности: 1 -рудная зона: 2 - вметающие породы: 3 -линия смещения

Наземные гамма-спектрометрические наблюдения проводятся портативными радиометрами-анализаторами типа СП-3 и СП-ЗМ, с помощью которых регистрируются не истинные, а аппаратурные спектры, измененные за счет взаимодействия гамма-квантов с веществом кристаллического счетчика (рис. 3.4.5). Задача сводится к определению скорости счета в трех энергетических интервалах спектра гамма- излучения, в каждом из которых доли гамма-излучения одного из этих элементов являются наибольшими. Определение концентраций урана (радия), тория и калия производится путем сравнения замеренных интенсивностей гамма-излучения в каждом из участков спектра с их значениями, полученными на моделях. Порог чувствительности гамма-спектрометров зависит от времени измерений и содержаний радиоактивных элементов. Для СП-3 при суммарном времени измерения 15 мин он составляет для радия и тория 1-10 4 %, а для калия 0,1 %. Измерения можно производить как в дифференциальном, так и в интегральном режимах. При проведении измерений в дифференциальном режиме диапазон измеряемого спектра составляет от 0,3 до 3,0 мэВ. Этот диапазон разбит на 60 ступеней, которые определяют уровень дискриминации прибора. В интегральном режиме прибор регистрирует гамма- излучение с энергией от 0,3 мэВ.

Количество замеров и сеть наблюдений зависят от геологической обстановки и параметров аномалий. Обычно каждая аномалия изучается несколькими профилями (нe менее 3-х) по 10 точек наблюдений и более на каждом профиле. Для выполнения гамма-спектрометрических наблюдений необходимо обеспечивать геометрические условия замеров - выход коренных пород площадью не менее 1 м 2 с ровной поверхностью и оптимальное время наблюдений. Время измерений зависит от типа радиометра- анализатора, содержаний радиоактивных элементов и требуемой точности. Так, например, для прибора СП-ЗАМ при изучении слабопроявлeнных аномалий оптимальные экспозиции в "калиевом" и "урановом" интервалах составляют 1,5-2,0 мин, в "торцевом" - 2-3 мин, а при изучении рудных аномалий сокращаются до одной минуты.

Результаты гамма-спeктромeтричeских наблюдений оформляются в виде графиков содержаний радиоэлементов по профилям (рис. 3.4.6) или в виде планов (в изолиниях содержаний этих элементов).

Глубинные радиометрические методы поисков применяются для поисков слабо проявленных, погребенных или скрытых радиационных или газовых ореолов. К числу погребенных относятся ореолы, ранее входившие на поверхность, а затем перекрытые плащами дальнеприносных рыхлых отложений или маломощными толщами осадочных пород. Скрытыми (слепыми) считаются не вскрытые эрозией ореолы, залегающие вокруг урановорудных скоплений в толщах вмещающих пород. Для вскрытия перечисленных ореолов используются различные технические средства - плуги, шпуры, скважины шнекового, колонкового или ударно-вращательного бурения.

Рис. 3.4.5. Природные и аппаратурные спектры гамма-излучения: а - спектральный состав первичного гамма-излучения радиоактивных рядов урана (I). тория (II) и радиоактивного изотопа калия (III): б - аппаратурные спектры гамма-излучения радиоактивных элементов (урана по радию - /. тория - II. калия - III)

Рис. 3.4.6. Гамма-спектрометрические профіти на радиоактивной аномалии

уранорадиевой природы:

/ четветичные отложения; 2 - мигматиты; 3 - пегматоидные граниты

Шпуровые гамма-поиски проводятся с помощью полевых радиометров (каротажный вариант - приборы типа СРП-2к с датчиком диаметром 32 мм, типа СРП-68-02-03 с датчиками соответственно 35 и 25 мм или типа СРП-2 с датчиком ШГ-25 диаметром 25 мм). Мелкие шпуры глубиной от 0,6 до 0,8 м проходятся вручную (с помощью буров, ломиков или труб), а шнуры глубиной до нескольких метров - с помощью виброустановок, гидрозадавливателей и др.

Глубина шпуров в зависимости от положения представительного горизонта изменяется от долей метра до 1-2 м.

Интенсивность гамма-излучения измеряется в шпурах в направлении от устья к забою с интервалами в мелких шпурах через 10-20 см, а в глубоких шнурах через 0,5-1,0 м. По сравнению с наземными гамма-съемками шпуровые съемки обладают повышенной чувствительностью, так как телесный угол облучения датчика увеличивается в два раза.

Применение шпуровой гамма-съемки наиболее эффективно в таежных и горно-таежных районах на площадях развития автономных ландшафтов с приповерхностным залеганием представительного горизонта, а также в районах развития маломощных (до 1 м) дальнеприносных отложений. Чаще всего шпуровая гамма- съемка проводится в масштабе 1:10 000, при расстояниях между смежными маршрутами 100 м и между шпурами по маршруту 10-20 м. На площадях с глубоким залеганием представительного горизонта при мощностях дальнеприносных отложений порядка нескольких метров шпуровые съемки проводятся только выборочно - для целей детализации аномалий.

Развитие мощных покровов ледниковых, аллювиальных, эоловых и других дальнеприносных отложений неблагоприятны для применения шпуровых съемок. При мощности перекрывающих отложений до 3 м для целей радиометрических поисков вместо шпуров часто проходятся дудки диаметром 30 см с помощью агрегатов БКМ (бурильно-крановая машина, смонтированная на автомобилях ЗИЛ-164 или ГАЗ-53). Для каротажа дудок БКМ используются радиометры СРП-68-02 или СРП-2к.

Плужные гамма-съемки проводятся на площадях, перекрытых маломощными эоловыми (лессовидными) отложениями. С помощью плужного канавокопателя (плантажного плут типа КМ-1400, заглубителя типа АГП-1,7 и др.) проходятся канавы глубиной 0,4-0,8 м, и одновременно с проходкой канавы производится непрерывный замер гамма-излучения обнажаемого горизонта пород. Для целей плужных гамма-поисков используются автомобильные радиометры типа РА-69 или сцинтилляционные радиометры РТС с непрерывной записью. Пульт управления радиометра с самописцем размещается в кабине фактора. Результаты шпуровых и плужных гамма-съемок выражаются линиями изогамм на разрезах или планах соответствующих масштабов.

Эманационный метод поисков основан на выявлении ореолов радиоактивных эманации в почвенном воздухе. Сущность эманационных поисков заключается в отборе проб почвенного воздуха из рыхлых отложений и измерении конценфаций в них радона, торона и, значительно реже, актинона. Эманационныс поиски выполняются с помощью сцинтилляционных полевых эманометров ЭМ-6 (в модернизированном варианте "Радон"). В зависимости от масштаба эманационной съемки (от 1:10 000 до 1:2 000) расстояния между профилями составляют от 100 до 20 м при расстояниях между точками наблюдений 5-10 м.

Проведение работ сводится к бурению шпуров глубиной 0,6-0,8 м, отбору из них проб почвенного воздуха и определению содержаний радона и торона (но измерениям с экспозициями одна и пять минут). Величина ионизационного тока, измеренная за первую минуту, характеризует суммарный ионизационный эффект от радона и торона. Через пять минут после отбора пробы торон практически полностью распадается и, следовательно, второе измерение характеризует концентрацию радона.

Для уточнения природы радоновых аномалий и оценки их перспективности в шпурах с максимальным содержанием радона иногда проводятся исследования по определению концентрации в них актинона (дочернего продукта распада 235 U). Вследствие весьма короткого периода полураспада актинона измерение его концентрации производится по специальной методике в струе проходящего воздуха. Повышенные концентрации актинона свидетельствуют о близости 235 U, который в отличие от 238 и проявляет себя в зоне гипергенеза как весьма инертный элемент и, следовательно, его присутствие однозначно свидетельствует об урановой природе данной аномалии.

Результаты эманационных поисков отражаются в виде графиков или карт в масштабах выполненных работ.

Разновидностью эманационных поисков является эманационно-трековая методика поисков урановых месторождений (ЭТМ), основанная на подсчетах числа альфа-треков (следов, фиксирующих пути пробега альфа-частиц) на специальных диэлектрических пленках. Методика сводится к тому, что в шнуры глубиной 0,6-0,9 м закладываются перфорированные чашечки с пластмассовой диэлектрической пленкой, чувствительной к альфа-излучению, и выдерживаются в них в течение нескольких недель. Альфа-частицы, испускаемые радоном, проникают через пластмассу, вызывая при этом разрушение пленки. После облучения пленки подвергаются химическому травлению, а число альфа-треков (в виде микроскопических бороздок) подсчитывается под микроскопом. Концентрация радона в почвенном воздухе оценивается по числу альфа-треков на квадратный миллиметр. При экспозиции в шпурах около одного месяца фоновая плотность треков составляет от 30 до 150 бороздок на квадратный миллиметр. Аномальными считаются пленки с трехкратным превышением над фоном, при возможном диапазоне измерений от 10 до 100 000 треков на квадратный миллиметр.

ЭТМ отличается повышенной чувствительностью и весьма малыми погрешностями измерений, в связи с тем что на их результаты не оказывают влияния суточные вариации содержаний радона в почвенном воздухе, которые могут достигать десятикратных значений. Поэтому глубинность метода значительно увеличивается, превышая на порядок глубинность обычной эманационной съемки.

В последние годы в практику поисковых работ внедряются термолюминесцентные исследования.

Термолюминесцентные исследования. Метод термолюминесценции основан на испускании света при нагревании предварительно облученного органического или неорганического кристалла, называемого термолюминофором. При поглощении энергии излучения как центрами люминесценции, так и основным веществом люминофора, появляются свободные электроны, захватываемые электронными ловушками, а центры люминесценции ионизируются. Эгот процесс называется запасанием свстосуммы. Освобождение электронов из ловушек при нагревании кристалла приводит к рекомбинации свободных электронов с дырками на центрах люминесценции. Энергия, выделившаяся при рекомбинации, переводит центр в возбужденное состояние, и при обратном переходе возникает термолюминесценция.

Температура максимума термолюминесценции прямо пропорциональна глубине уровней захвата; последняя величина определяет сохранность запасенной светосуммы, определяемой по площади под кривой термовысвечивания. Величина светосуммы является основной дозиметрической характеристикой термолюминофора. Она прямо пропорциональна поглощенной дозе, поскольку характеризует общее количество носителей заряда в ловушке.

Существует два варианта термолюминесцентных исследований:

1) Термолюминесцентная радиометрия с использованием искусственных тер- молюминссцснтных детекторов (ТЛД). В 70-х годах зарегистрирован патент геофизиков США (№ 4053772, 1977 г.) и Франции (№ 2362405, 1978 г.) на применение этого метода для обнаружения повышенных содержаний эманаций почв при поисках урановых руд. Термолюминесцентная радиометрия при поисках глубоко погребенных радиоактивных руд с успехом применялась в Китае .

Основными преимуществами термолюминесцентной радиометрической съемки (ТЛРС) с использованием ТЛД являются высокая чувствительность, интегральный, накопительный характер информации, регистрация радиоактивности в широком энергетическом спектре от а-, /?- и у-излучатслсй. С одной стороны, термолюминесцентные детекторы позволяют сглаживать естественные вариации радона, связанные с температурой, влажностью и давлением, с другой стороны, они уверенно регистрируют радиоактивное излучение от продуктов распада радиоактивного газа и в частности главного гамма-излучателя в ряду распада 23 S U - l 4 Bi.

Мировой опыт и результаты, полученные нами при радиоі"еохимических поисках месторождений нефти и газа, демонстрируют, что самые высокие требования должны предъявляться к применяемым ТЛД. В настоящее время разработан ряд радиотермолюминофоров на основе LiF, CaF 2 , Аl 2 Оз, CaS0 4 , MgB 4 O 7 и др. Наиболее широкое распространение получили детекторы на основе LiF. Специальными опыт- но-методическими работами, проведенными нами с целью оценки эффективности ТЛРС в нефтегазоносных районах, было выявлено, что из опробованных ТЛД (ТЛД-К (SiO 2), ДТГ-4 (LiF(Mg,Ti)), GR-200 (LiF(Mg,Cu,P)), ТЛД-500К (Аl 2 0 3:С), CaS0 4 (Тm)) наиболее подходящими являются производимые в Китае поликристаллические термолюминесцентные детекторы GR-200 и разработанные в Уральском государственном техническом университете монокристаллы анионодефектного Аl 2 О 3: С (ТЛД-500К). По своим техническим характеристикам они заметно превосходят известные нам термолюминесцентные детекторы (рис. 3.4.7).

2) Термостимулированная люминесценция почв и грунтов базируется на широком распространении в осадочных породах природных термолюминофоров (кварц, алюмосиликаты, карбонаты, флюорит и др.), регистрирующих радиоактивное воздействие на протяжении длительного времени в геологическом масштабе.

В 80-х годах XX столетия в рамках общеевропейской программы при поддержке C.O.G.E.M.A. были проведены исследования по оценке эффективности термостимулированной люминесценции пород при поисках гидрогенных месторождений урана. Результаты этих работ показали, что данный метод может с успехом использоваться как при рекогносцировке территорий, для оптимизации мест заложения скважин, так и при проведении поискового бурения с целью локализации рудных залежей (термолюминесцентные ореолы распространяются на значительное

расстояние от урановых залежей) и картирования путей древних потоков миграции ураноносных вод.

Рис. 3.4.7. Сопоставление интенсивности термолюминесценции (ИТЛ) некоторых типов термолюминесцентных детекторов (по И. С. Соболеву, Л.П. Рихванову)

Поиски по термолюминесцентным ореолам в породах над погребенными месторождениями урана типа структурно-стратиграфических несогласий проводились в Австралии, где также были получены положительные результаты.

Сочетание двух видов термолюминесцентной съемки целесообразно для получения информации о современном поступлении радиоактивных элементов (с использованием ТЛД), а также для относительной оценки долговременного в геологическом масштабе воздействия радиоактивности на минеральные компоненты пород, особенно в периоды с благоприятными для миграции радона палеоклиматическими условиями.

Геолого-радиометрические исследования. Гамма-радиометрическая съемка носит вспомогательный характер при проведении термолюминесцентных радиометрических исследований. Радиогеохимическое картирование на нефтегазоносных площадях показало, что вариации радиоактивного фона, связанные с особенностями литологического и минерального состава опробуемых пород, могут достигать заметных величин и осложнять выделение слабо проявленных эпигенетических аномалий. Измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения на точках установки ТЛД дают информацию о радиоактивности пород, определяемой прибором за короткий промежуток времени (2,5 и 5 с). Как показывает опыт, слабо интенсивные радиоактивные аномалии, уверенно фиксируемые ТЛД, в гамма- радиометрических нолях не заметны.

Рис. 3.4.8. Характер изменения интенсивности термолюминесценции и импульсной люминесценции (по И. С. Соболеву, Л.П. Рихванову) почвогрунтов на Ново-Михайловской газоперспективной площади

В большей степени характер изменения МЭД по площади отражает литологический и стратиграфический состав терригенных отложений верхней части разреза. Чтобы снизить влияние этой компоненты на интенсивность тeрмолюминeсцeнции (ИТЛ) детекторов, осуществляется несложная процедура нормирования полученных значений ИТЛ но МЭД. Во всех случаях этот прием позволял усилить контрастность термолюминесцентных аномалий, а на территориях со сложным литологическим и стратиграфическим строением поверхностных образований проводить их разбраковку но степени перспективности.

Гамма-спектрометрические исследования. Обработка данных по уровню накопления U (Ra), Th, К, полученных методами полевой гамма-спектрометрии, позволяет достаточно надежно выявлять месторождения палеодолитного типа но нарушениям взаимных корреляций. По результатам обработки гамма- спектрометрии достаточно четко фиксируются поля Малиновского, Тыштымского месторождений, месторождения Витимского урановорудного района, перспективные нефтегазоносные площади.

Радиометрические поиски агрегатами шнекового и колонкового бурения проводятся для выявления погребенных и скрытых радиационных и газовых ореолов рассеяния, залегающих на глубинах более 5 м от дневной поверхности. При мощностях рыхлых отложений до 20 м для бурения скважин используются агрегаты шнекового бурения: БС-ЗА и УГБ-50-А соответственно на базе автомобилей ГАЗ-63 и ГАЗ-66, а при мощностях рыхлых отложений или перекрывающих пород более 20 м самоходные буровые установки типа СБУД-150-ЗИВ и др. Для проведения гамма-каротажа скважин применяются радиометры СРП-2к (до 20-25 м), СРП-68-02 (до 60 м), переносные сцинтилляционные каротажные радиометры ПРКС-2 ("Виток") и "Агат-69". Каротажный сцинтилляционный радиометр ПРКС-2 "Виток" предназначен для гамм а-каротажа буровых скважин глубиной до 120-150 м и диаметром свыше 45 мм. Он оборудован скважинными приборами диамеграми 28 и 36 мм для каротажа скважин глубиной до 300 м. Каротажный радиометр "Зонд-1"

предназначен для проведения поискового (и разведочного), литологического и плотностного каротажа. Он имеет пять поддиапазонов измерений с автономными интеграторами и обеспечивает возможность измерений в скважинах с диаметрами 25 и 38 мм до глубины 1000 м.

Радиометрические методы могут с успехом применяться при поисках редко- металльных пегматитов, карбонатитов, гранитов, альбититов и россыпей, поскольку некоторые редкометапльные минералы содержат примеси радиоактивных элементов. На многих месторождениях редких металлов повышенная радиоактивность обусловлена наличием урана и тория в составе пирохлора. Для выявления корреляционных зависимостей между ниобием, танталом, ураном и торием необходимо знать различия в составе пирохлоров. Так, например, на месторождениях редкометалльных карбонатитов радиоактивность пирохлоров вызвана наличием в нем урана, торий же отмечается в малых количествах, а в редкометалльных альбититах пирохлор содержит только торий.

Природа радиоактивности редкометалльных рудных образований может быть выяснена с помощью гамма-спектрометрических измерений или эманационной съемки.

Данные радиометрии широко используются и при геологическом картировании. Они способствуют разделению интрузивных массивов, выявлению даек щелочных пород, пегматитов и зон метасоматических изменений вмещающих пород.

Геохимические методы поисков основаны на выявлении и оценке локальных аномалий элементов-индикаторов в виде геохимических ореолов урана, редких элементов и их элементов-спутников в коренных породах, рыхлых отложениях, природных водах и растениях. В зависимости от этого различают: литогеохимические, радиогидрогеохимические, биогеохимические и атмохимические методы поисков.

Все геохимические методы сводятся в конечном итоге к опробованию объектов исследования по выбранной сети, анализам проб на главные и сопутствующие элементы и интерпретации полученных результатов для оценки перспективности выявляемых аномалий.

Наибольшим распространением пользуются литогеохимические методы поисков. В зависимости от природных условий, целей и задач литохимические поиски проводятся но первичным (гипогенным), вторичным (гипергенным) ореолам или по потокам рассеяния элементов-индикаторов.

Поиски по первичным ореолам заключаются в выявлении повышенных концентраций редких, радиоактивных элементов и их спутников в коренных рудовмещающих породах и в изучении закономерностей их пространственного размещения по данным сплошного геохимического опробования горных выработок и скважин.

Отбор проб производится по линиям, ориентированным вкрест простирания рудовмещающих структур, чаще всего способом "пунктирной борозды". Обычно длины интервалов но однородным породам составляют 5 м. Густота наблюдений зависит от целей и задач проводимых геологоразведочных работ и, как правило, определяется геометрией поисковой или разведочной сети. С каждого погонного метра в пробу отбирается несколько мелких сколков по 3-4 см 2 в поперечнике.

Определение содержаний большинства элементов-индикаторов уранового и редкометалльного оруденения (молибдена, свинца, цинка, меди, ванадия, никеля, кобальта, мышьяка, серебра, бериллия, циркония, ниобия и других) выполняется методами приближенно-количественного анализа, чаще всего по способу просыпки. Для оценки содержаний урана, лития, тантала, рубидия, цезия, ртути и золота необходимо применение специальных методов анализов, поскольку приближенноколичественный спектральный метод не обеспечивает в этих случаях удовлетворительных результатов.

Валовые количества урана и тория в пробах могут быть установлены рентгеноспектральными анализами на установках ФРС-2 или ФРА-4, лабораторными радиометрическими или более чувствительными нейтронно-активационными и ISP- методами. Для поиска урановых месторождений в геохимических пробах часто определяется содержание нс валового, а подвижного урана. Для этого используются методы количественного перлово-люминесцентного анализа на люминесцентных фотометрах типа ЛЮФ-55 или приборах типа ФАС-1, с предварительным выщелачиванием урана из проб.

Выявление и оконтуривание первичных ореолов производится по результатам анализов геохимических проб по общепринятой методике, основанной на сравнении геохимических параметров изучаемых участков с параметрами фонового распределения элементов. За величину "фонового" содержания обычно принимается среднее арифметическое или медианное содержание из всей выборки проб, расположенных в пределах данной петрографической (литологической) разновидности неизмененных вмещающих пород.

Значения минимально-аномальных содержаний определяются действующей инструкцией по формуле

где С а - минимально-аномальное содержание элемента; С ф - фоновое содержание; (где Si g - среднеквадратическое отклонение логарифмов содержаний; m > 9 - число смежных точек (проб) с содержаниями элемента выше Сфε В сложных случаях для выделения слабых локальных аномалий могут быть использованы методы тренд-анализа.

Оконтуривание первичных ореолов урана и его спутников производится на планах и в разрезах но значениям минимально-аномальных содержаний. Установлено, что для большинства месторождений убывание концентраций рудных элементов по мере удаления от рудных скоплений происходит по экспоненциальному закону. Поэтому графики их размещения вокруг рудных тел, построенные в полулогарифмической системе координат близки к прямым линиям. Однако эта закономерность вуалируется неравномерным характером распределения рудных элементов в ореолах и выявляется только после соответствующего сглаживания.

Из графика на рис. 3.4.9 следует, что ширина ореола прямо пропорциональна логарифму концентрации элемента в рудном геле и находится в обратной зависимости от величины его минимального аномального содержания "а" в ореоле и угла, образованного линией графика с осью абсцисс (а). Значение тангенса угла принято называть градиентом концентрации элемента в поперечном сечении первичного ореола.

Градиент концентрации является функцией многих переменных. На его величину влияют химические свойства элемента, физико-механические свойства вмещающих пород и многие другие факторы. Поэтому значение градиента концентрации любого элемента непостоянно даже в пределах одного месторождения.

Рис. 3.4.9. График распределения урана и молибдена вокруг рудного тела:

1 - содержание урана: 2 - содержание молибдена: 3 - минимальное аномальное содержание урана в ореоле: 4 - минимальное аномальное содержание молибдена в ореоле: а 1 -угол, определяющий градиент концентрации урана в ореоле;а2-угол, определяющий градиент концентрации молибдена в ореоле: lu - половина ширины эндогенного ореола урана: lМ 0 , - половина ширины эндогенного ореола молибдена

Рис. 3.4.10. Эмпирические и сглаженные графики распределения элементов

вокруг рудных тел

В то же время соотношения градиентов концентраций определенных элементов-индикаторов остаются постоянными, что может быть использовано для характеристики подвижности различных элементов при формировании первичных ореолов. Для этого значение минимального из градиентов условно приравнивается к единице, а значения остальных градиентов выражаются цифрами относительно единицы. Так, например, для месторождений ураноносных березитов был установлен следующий ряд значений относительных градиентов концентрации элементов: молибден (1) - цинк (1,5) - медь (1,8) - свинец (2,1) - уран (3) (рис. 3.4.10).

Величины относительных градиентов концентраций (К 0 ™) зависят в основном от химических свойств самих элементов-индикаторов, а их значения могут быть использованы для расчета показателей рассеяния элемента-индикатора (X) вокруг рудных залежей по формуле

где С р - концентрация элемента в рудном теле; а - минимальное его содержание в ореоле.

Величину, обратную градиенту концентрации , А.П. Соловов предложил использовать для количественной характеристики миграционной способности элемента.

Для усиления слабых ореолов необходимо ослабить влияние фоновых содержаний элементов путем:

• применения более чувствительных методов количественного анализа;
• использования анализов тяжелых фракций геохимических проб;
• использования рациональных (фазовых) анализов для тех элементов, формы нахождения которых во вмещающих породах и в ореолах различны;
• суммирования или перемножения содержаний групп элементов, сходных по условиям их пространственного размещения, с последующим построением соответствующих аддитивных или мультипликативных ореолов .

Построение аддитивных ореолов производится путем сложения содержаний

элементов-индикаторов, нормированных по их среднефоновым содержаниям. По сравнению с моноэлементными, аддитивные ореолы обладают большими размерами, контрастностью и проявляют более тесные связи с рудоконтролирующими элементами геологического строения продуктивных залежей, зон и месторождений, поскольку влияние многочисленных случайных погрешностей при сложении содержаний нивелируется. Мультипликативные ореолы получаются путем перемножения содержаний элементов-индикаторов в каждой пробе, причем необходимость их предварительного нормирования по фоновым содержаниям отпадает. Контрастность мультипликативных ореолов проявляется еще более резко, а их размеры могут быть еще большими по сравнению с аддитивными.

Для целей интерпретации результатов поисков по первичным ореолам первостепенное значение имеет расшифровка зональности их строения, обусловленной закономерным пространственным размещением элементов-индикаторов.

Наиболее отчетливо зональность ореолов проявляется в месторождениях ураноносных березитов, калиевых метасоматитов, натровых метасоматитов и аргиллизитов, а также в редкометалльных метасоматических месторождениях. В рядах зональности урановых месторождений в зависимости от минерального состава руд встречаются практически все элементы-индикаторы эндогенных рудных месторождений, среди которых главным распространением пользуются Ag, Pb, Zn, Си, Mo, U, реже As, Аи, Ni, Со, V, Be. Типоморфными элементами многих пегматитовых и метасоматических месторождений редких металлов являются Li, Rb, Cs, F, P, Zr, Nb, Sn, Вс и W.

Рис. 3.4.11. Графики изменения с глубиной средних содержаний элементов и их отношений в ореолах

На рис. 3.4.11 приведены графики изменений содержаний урана, молибдена и свинца в первичном ореоле урановорудной залежи. В надрудной части развиты интенсивные ореолы всех трех элементов и особенно свинца. Ниже рудной залежи заметно проявлен только ореол урана. Осевая (вертикальная) зональность может быть проиллюстрирована не только графиками изменения средних содержаний элементов с глубиной, но и графиками изменения их соотношений или изменения линейных продуктивностей ореолов (произведения ширины ореола на среднее содержание элемента на данном горизонте). Для количественной характеристики осевой зональности используется коэффициент контрастности, представляющий собой отношение содержаний элемента-индикатора и линейных продуктивностей ореола в его надрудной и подрудной частях. В качестве примера в табл. 3.4.1 приведены значения линейных продуктивностей ореолов и коэффициента контрастности осевой зональности по одному из урановых месторождений.

Таблица 3.4.1

Значения линейной продуктивности (метропроценты) и коэффициента контрастности осевой зональности ореолов

Показатель	Элементы-индикаторы
Линейная продуктивность на поверхности
Линейная продуктивность на V горизонте
Линейная продуктивность на VII горизонте
Коэффициент контрастности

В ряду, расположенном по возрастанию коэффициента контрастности: уран (0,6)-медь (1,7)-цинк (15,0)-свинец (46,0), наиболее надежные индикаторные отношения для оценки уровня эрозионного среза ореола могут быть получены для пары элементов, наиболее удаленных друг от друга. В рассмотренном примере эта пара свинец-уран.

Если характер изменения продуктивностей ореолов по вертикали не отличается монотонностью, использование коэффициента контрастности не обеспечивает получения однозначных результатов. В таких случаях рекомендуется рассчитывать показатели зональности элементов-индикаторов как отношения продуктивностей ореолов всех остальных элементов-индикаторов, нормированных по их среднефоновым содержаниям. Показатель зональности количественно отражает в относительных единицах интенсивность накопления элемента на каждом из оцениваемых горизонтов. Таким образом, знание осевой зональности ореолов позволяет отличать надрудные их части от подрудных, оценивать уровни эрозионных срезов ореолов и прогнозировать вероятные глубины их распространения, а при благоприятных уровнях эрозионных срезов - выявлять слепые рудные зоны и залежи.

Рис. 3.4.12. Первичные ореолы вокруг скрытых урановых рудных тел :

1 - лейкократовые граниты: 2 - зоны грейзенизации; 3 - трещины: 4 - рудные тела: 5 опробованные горные выработки и скважины; 6-7 - первичные ореолы: первое (6) и второе (7) аномальные поля

На рис. 3.4.12 изображены первичные ореолы пяти рудных элементов, развитые вокруг двух групп слепых рудных скоплений; верхней (горизонты 11-III) и нижней (горизонты VI-VII). Рудные скопления нижних горизонтов и окружающие их ореолы урана обладают большой шириной, интенсивностью и размерами. В отличие от урана, поля максимальных концентраций свинца и цинка располагаются над группами урановорудных скоплений, образуя над каждой из них своеобразные "шапки" ореолов. При этом ореолы свинца и цинка, связанные с верхней группой урановорудных скоплений, отличаются от нижних более крупными размерами и интенсивностью, несмотря на го, что группы верхних урановорудных скоплений меньше и беднее нижних. Это свидетельствует о том, что наряду с зональностью ореолов, развитых вокруг каждой из групп, существует зональность месторождения в целом, которая проявляется большей интенсивностью ореолов надрудных элементов на более высоких гипсометрических уровнях.

Целью интерпретации геохимических аномалий, выявленных в коренных породах, в конечном счете является оценка перспектив рудоносности данного участка земной коры, которая включает в себя решение следующих оценочных и прогнозных задач:

• разделение первичных ореолов промышленно ценных рудных залежей и зон рассеянной минерализации;
• оценка рудопроявлений и вероятных запасов руд в пределах участков развития первичных ореолов;
• прогноз слепого оруденения и оценка глубинности поисков слепого оруденения по первичным ореолам.

Методические подходы к решению первой задачи разработаны на примерах рудных месторождений цветных, редких и радиоактивных металлов. Установлено, что в обоих случаях в коренных породах образуются геохимические аномалии сходного типа, близкой морфологии и идентичного элементного состава. Однако в отличие от ореолов рудных скоплений в зонах рассеянной минерализации не выявляются поля высоких концентраций элементов-индикаторов, отсутствуют элементы зональности и сколько-нибудь заметная дифференциация в пространстве (рис. 3.4.13).

Рис. 3.4.13. Индикаторные отношения мультипликативных продуктивностей надрудных и подрудных ореолов и зон рассеянной вкрапленности для нескольких месторождений (по С. В. Гиигоряну)

Поиски по вторичным ореолам и потокам рассеяния заключаются в выявлении повышенных концентраций урана и его спутников в рыхлых элювиальных, элювиально-делювиальных или аллювиальных отложениях, реже в рыхлых отложениях других генетических типов по данным геохимического опробования. Наиболее эффективно проведение поисков по открытым или ослабленным (реже погребенным) остаточным ореолам, а на ранних стадиях поисково-съемочных работ - по потокам рассеяния урана и его спутников.

Поиски месторождений и их участков по ореолам рассеяния урана и редких элементов в корах выветривания, элювиально-делювиальных отложениях или в почвах проводятся в масштабах 1:10 000 и крупнее. Опробованию подвергается мелкая песчано-глинистая фракция рыхлых отложений. Эффективность поисков в значительной степени зависит от правильности выбора представительного горизонта отбора проб и от их фракционного состава, поскольку ими определяется представительность получаемой информации о распределении элементов-индикаторов в опробуемых рыхлых отложениях. Поэтому широкому применению метода обычно предшествуют работы по выявлению специфических особенностей ореолов рассеяния редких и радиоактивных элементов в данном районе. Этими работами устанавливаются:

• характер развития вторичных ореолов по вертикали с выявлением оптимальных глубин представительных горизонтов в рыхлых отложениях различных типов;
• распределение элементов-индикаторов по фракциям ситового анализа проб;
• значения местных фоновых и аномальных концентраций элементов- индикаторов и их спутников;
• морфологические особенности и элементы зональности вторичных ореолов. Массы отбираемых проб в зависимости от фракционного состава рыхлых отложений могут изменяться в пределах от 50 до 200 г. При поисках урановых месторождений массы возрастают с увеличением долей крупной фракции, так как повышенные концентрации урана и его спутников преобладают в тонких илистых фракциях рыхлых отложений. Отбор проб производится с помощью специальных пробоотборников или из мелких закопушек.

Глубины представительных горизонтов зависят от объектов поисков, генетических типов рыхлых отложений и от ландшафтно-географических условий изучаемого района. При поисках урановых месторождений в пустынных, полупустынных и степных зонах с сухим климатом и щелочной реакцией почв оптимальные глубины отбора проб составляют 0,1-0,2 м. В лесных заболоченных и горно-таежных районах с кислыми подзолистыми почвами глубины залегания представительных горизонтов достигают 0,5-1,5 м, в тропических или субфонических условиях, а также при опробовании кор выветривания (структурного элювия) коренных пород, они могут достигать 3-5 м и более. Для отбора проб из погребенных ореолов проходятся специальные скважины агрегатами шнекового бурения (БС-ЗА, УГП-50А и др.), бурильно-крановыми машинами (БКМ) и другими техническими средствами.

Металлометрические съемки выполняются обычно по системам профилей, ориентированных вкрест простирания рудоносных структур. Расстояние между профилями принимается равным не более 0,9 предполагаемой средней длины ореола, а расстояние между точками отбора проб по профилям - не более половины его предполагаемой средней ширины. В зависимости от масштабов поисковых работ рекомендуются следующие примерные размеры сетей опробования:

• для масштаба 1:10 000 - 100 х (20-10) м,
• для масштаба 1:5000 - 50 х (20-10) м,
• для масштаба 1:2 000 - 20 х (1-5) м.

Первичная обработка проб заключается в их регистрации, сушке и ситовом анализе для выделения одной или нескольких подлежащих анализу фракций. Выделенные фракции истираются до состояния пудры (150-200 меш) и подвергаются количественному перлово-люминесцентному анализу на содержание подвижного урана, рентгеноспектральному анализу на уран, торий и приближенно- количественному анализу на редкие элементы и элементы-спутники.

Геохимические карты вторичных ореолов редких, радиоактивных металлов и их спутников составляются в масштабах геологической основы. Концентрации элементов-индикаторов выражаются в изолиниях, а оконтуривание ореолов производится по минимально-аномальным содержаниям, часто для различных уровней значимости стандартного отклонения логарифмов и содержаний (например, для 5 % или 1 % уровней значимости).

Оценка перспективности вторичных остаточных ореолов возможна с использованием некоторых приемов, эффективных при оценке первичных ореолов. По сравнению с первичными вторичные остаточные ореолы обладают увеличенными размерами и отличаются несколько более равномерным распределением элементов-индикаторов. Поэтому оценка уровней прогнозных срезов и перспективности первичных геохимических аномалий возможна по результатам изучения вторичных остаточных ореолов, в частности, по индикаторным отношениям в них мультипликативных надрудных и подрудных элементов. При этом, однако, необходимо учитывать возможное влияние комплекса геологических, геохимических и ландшафтно-географических факторов, так как ни продуктивность, ни контрастность, ни размеры остаточных ореолов, взятые отдельно, не могут служить однозначным критерием для оценки их перспективности.

Поиски по потокам рассеяния эффективны только для урана и его элементов- спутников. Потоки рассеяния урана в донных осадках постоянно и временно действующих водотоков могут рассматриваться как внешние зоны вторичных урановых ореолов, примыкающие к ним своими головными частями.

Полевые работы заключаются в отборе проб илистых русловых отложений или песчано-глинистых фракций аллювиальных и пролювиальных отложений, часто обогащенных органическим веществом. При отсутствии подобного материала в русловых отложениях опробуются пойменные образования и верхние кромки заболоченных речных долин, рыхлые илисто-глинистые отложения временных водотоков, а при слабо развитой гидросети - сходные по составу рыхлые отложения нижних частей склонов долин.

Пробы массой 50-100 г отбираются непосредственно с поверхности или с глубины 15-20 см. Густота маршрутов и длина шага опробования зависят от масштабов съемок и степени разветвленности гидросети. При мелкомасштабных съемках длина шага опробования составляет 300-500 м, а с укрупнением масштабов уменьшается до 100-200 м.

Обобщение международного опыта проведения съемок донных осадков свидетельствует о том, что при плотности опробования 1 проба на квадратный километр обеспечивается выявление всех потоков рассеяния, связанных с рудными нолями месторождений крупного и среднего масштабов.

Анализы проб на содержание подвижного урана производятся количественным перлово-люминесцентным методом на фотоэлектрических флуорометрах- абсорбциометрах типа ФАС-2 или ФАС-4, а на остальные элементы - приближенноколичественным спектральным методом. В настоящее время все большее значение приобретают нейтронно-активационный и ICP-методы. Состав элементов- индикаторов урана в потоках рассеяния зависит от состава первичных руд и ореолов, а также от особенностей их гипергенной миграции в различных ландшафтно-геохимических обстановках. Наибольшей протяженностью в ландшафтных условиях гумидной зоны отличаются потоки рассеяния меди, молибдена, цинка и некоторых других элементов, легко мигрирующих в формах истинных или коллоидных растворов.

Обработка материалов съемок донных осадков заключается в составлении сводной карты, оценке величины геохимического фона и выделении аномалий. Наиболее перспективными считаются аномалии, содержащие кроме урана типичные элементы-спутники уранового оруденения. Для выделения слабых аномалий и отделения их от фоновых содержаний учитывается содержание органического вещества в пробе. С этой целью при интерпретации результатов используются частные от деления содержаний урана на содержания органического вещества.

Использование съемок донных осадков наиболее эффективно на стадиях специализированного картирования масштабов 1:200 000 и 1:500 000 для целей прогноза потенциальных урановорудных узлов и полей.

Поиски по водным ореолам рассеяния используются только применительно к урановым месторождениям. Они основаны на выявлении в природных водах повышенных концентраций радиоактивных элементов - урана, радия и радона, которые часто сопровождаются комплексом элементов-спутников уранового оруденения, хорошо мигрирующих в водной среде в условиях зоны гипергенеза.

Сущность радиогидрогеохимического метода состоит в отборе проб поверхностных, грунтовых или подземных вод, анализе этих проб на содержания радиоактивных элементов и элементов-спутников уранового оруденения и выяснении закономерностей пространственного размещения их водных ореолов. Наличие аномальных концентраций урана, радона и радия, а также элементов-спутников уранового оруденения в природных водах свидетельствует в определенных условиях о наличии повышенных концентраций радиоактивных элементов в коренных породах и в перекрывающих их рыхлых отложениях.

Радиогидрогеохимические методы являются одними из наиболее глубинных методов выявления повышенных концентраций урана в коренных породах.

Пробы воды отбираются более или менее равномерно со всей территории исследуемого района. Число точек отбора проб зависит от масштаба радиогидрогео- химических съемок, сложности строения и водообильности района. При съемках масштаба 1:200 000 одна проба отбирается в среднем на 4-10 км" (при опробовании открытых водотоков через 300-500 м). С укрупнением масштаба работ до 1:50 000 одна проба приходится в среднем на 1 км 2 (при опробовании открытых водотоков проба отбирается через 100-200 м).

Из каждого водопункга отбираются пробы воды на уран, радон и выборочно на радий. Анализы вод на элементы-спутники уранового оруденения и определение общей минерализации (по массе сухого остатка) производятся только для проб с повышенными концентрациями радиоактивных элементов. Из них кроме того определяются концентрации кислорода, сероводорода, водородных ионов (pH) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh).

Для определения урана требуется объем воды не менее 0,3 л, а для анализов проб на радий - не менее 1 л. Пробы воды на радон объемом не менее 0,1 л отбираются в специальные "промывалки", из которых предварительно выкачивается воздух .

Уран в водах (от n 10 -7 до n 10 -4 г/л) определяется лазерно-люминесцентным методом с использованием фотоэлектрических флуориметров типа ФАС-2 или ФАС-4. Для определения радия в водах применяется ускоренный радиохимический метод с использованием альфа-радиометра РАЛ-1. Радон в водах определяется вакуумным методом с применением эманометров ЭМ-6 или "Радон", а при малых концентрациях - альфа-сцинтилляционным методом на лабораторных установках тина РАЛ-1.

Анализы вод на широкий спектр элементов-спутников уранового оруденения на ранних стадиях работ производятся полуколичественным методом сухих остатков либо ISP. Анализы быстро изменяющихся компонентов (pH, Eh, Fe 2+ , Fe 3+ , СO 2 , О 2 , Н 2) выполняются, как правило, на местах отбора проб с помощью полевых лабораторий типа "Комар", "ПЛГ-1", полевых потенциометров и другой специализированной аппаратуры. Для замеров значений Eh непосредственно в скважинах используются специальные каротажные зонды.

Проведение радиогидрогеологических съемок наиболее эффективно в горноскладчатых районах, для которых характерны большие мощности зон свободного водообмена, слабая минерализация и высокий окислительный потенциал вод. В этих условиях возможно выявление радиогидрогеологических аномалий на глубинах до нескольких сотен метров от дневной поверхности.

Хорошие результаты обеспечивает применение радиогидрогеохимического метода в гористых лесных, лесостепных и горно-таежных ландшафтах без многолетней мерзлоты.

В стенных, полупустынных и пустынных ландшафтах возможности использования радиогидрогeохимичeских методов ограничиваются дефицитом вод, а наилучшее время для проведения съемок приходится на весенние месяцы.

Результаты гидрогеологических наблюдений и анализов вод наносятся на карты и разрезы для составления специализированных радиогидрогеохимических карт и геометризации ореолов урана, продуктов его распада и элементов-спутников в поверхностных и подземных водах.

К числу положительных прогнозно-поисковых радиогидрогеохимических критериев относятся:

Поэтому наименьшее постоянство в рядах зональности свойственно элементам с переменной валентностью U, As, Mo, Аu и др.

Основным показателем перспективности водных ореолов служит тенденция увеличения комплексности их состава по мере приближения к рудным скоплениям. Однако гидрохимическая зональность водных ореолов обычно отличается сложностью вследствие неоднородности состава вмещающих пород, различий гидродинамического режима вод разных глубин, влияния зон тектонических нарушений и других геологических факторов.

Биогеохимические методы поисков сводятся к отбору проб живой массы травянистых, кустарниковых или древесных растений, произрастающих в пределах изучаемых площадей, сжиганию (озолению) этих проб и определению концентраций редких и радиоактивных элементов, а также их элементов-спутников в золе растений.

Для опробования используются безбарьерные и высокобарьерные виды и органы растений. У древесных растений (сосны, лиственницы, осины и др.) лучше всего опробовать верхний пробковый слой коры (без живой коры и луба), которая является безбарьерным органом по отношению к урану, свинцу, цинку, бериллию, фтору, литию, цирконию и ряду других элементов.

Для опробования на радий пригодны любые виды и части растений.

Главным радиоактивным элементом, который используется при проведении радиогеохимических съемок для оценки потенциальной ураноносности поисковых площадей, является радий. Анализы золы растений на содержание радия проводятся альфа-спектральным методом с применением лабораторных анализаторов Альфа-1 или радиометров РАЛ-1. Все зольные пробы с аномальными содержаниями радия подвергаются перлово-люминесцентным, рентгеноспектральным, ISP (индуктивносвязанная плазма), инструментально нейтронно-активационным (ИНАА) анализам на содержание урана и спектральным анализам на содержания элементов- индикаторов уранового оруденения.

Диапазон концентраций радиоактивных элементов в золах растений весьма широк. Фоновые содержания радия в золах изменяются от 1 до 70 г/т эквивалентного урана, а аномальные его концентрации могут достигать 3000 г/т эквивалентного урана. Минимально-аномальные содержания радия составляют около 150 г/т эквивалентного урана. Фоновые содержания урана изменяются в еще более широких пределах в зависимости от концентрации их усвояемых форм в почвах, видов и органов растений, а также от возраста растения и периода опробования.

По мнению многих исследователей тантал, ниобий, цирконий и редкие земли иттриевой группы преимущественно концентрируются в хвойных деревьях, а редкие земли цериевой группы - в лиственных деревьях. Концентраторами иттербия и иттрия являются те же растения, что и для бериллия (горицвет, пижма, лиственница, лапчатка пижмолистная, вика однопарная и др.). Церий и лантан накапливаются в полыни, березе, травах семейства бобовых. Все это крайне осложняет разделение аномальных и фоновых содержаний и особенно оценку перспективности выявляемых ореолов. Для уменьшения влияния ряда внешних условий на показательность биогеохимических проб опробование лучше провощіть зимой или в период летне-осеннего условного физиологического покоя, отбирая за один день серии проб по крайней мерe с нескольких смежных профилей. При этом наиболее стабильные результаты получаются для безбарьерных элементов-индикаторов, к числу которых относится в первую очередь радий.

Глубинность биогеохимического метода выше, чем глубинность большинства других поверхностных поисковых методов.

Максимальная мощность дальнеприносных рыхлых отложений, ограничивающая возможность метода, определяется опытным путем. В степных и пустынных районах она составляет 20-50 м, в лесных районах гумидной зоны 10-30 м, а в районах с многолетней мерзлотой не превышает 3-10 м.

С учетом возможностей использования биогеохимических съемок в зимнее время, что особенно ценно при изучении труднодоступных таежных и тундровых ландшафтов, их применение может оказаться весьма эффективным при специализированных поисково-съемочных работах масштабов 1:200 000 и 1:50 000.

Результаты биогеохимических съемок оформляются в виде карт и разрезов с геометризацией моноэлементных ореолов на геологической и ландшафтно- геоірафической основах, а также в виде схем индикаторных отношений между элементами-индикаторами оруденения (например, Ra:U, U:Mo и др.).

Оценочные работы

Оценочные работы проводятся с целью получения данных, позволяющих оценить промышленное значение рудопроявления или месторождения и определить экономическую целесообразность и возможную очередность его вовлечения в эксплуатацию.

Как правило, оценке подвергается все наиболее перспективная часть ореолов, ураноносных зон, проявлений, рудопроявлений, месторождений в его геологических границах. Однако для очень крупных объектов границы участка могут устанавливаться геологическим заданием.

В результате оценочных работ должны быть получены сведения о количестве руды и металла в недрах, размерах, об общих чертах морфологии и условиях залегания рудных тел, вещественном составе и технологии руд, горнотехнических гидрогеологических и инженерно-геологических условиях отработки, позволяющие оценить возможную себестоимость продукции предприятия, при условии его строительства на базе данного месторождения. Все параметры изучаются с точностью, достаточной для уверенного решения вопроса о целесообразности и проведения разведочных работ.

Запасы месторождений на стадии оценки должны быть оценены по категориям С 2 , реже С 1 (табл. 3.5.1).

Таблица 3.5.1

Соотношение запасов для различных категорий, %

Запасы по результатам оценки подсчитываются в соответствии с временными кондициями, утверждаемыми в установленном порядке. Изучение месторождения на глубину проводится до горизонтов, доступных для разработки, исходя из принятых в практике освоения месторождений данного типа. Технологические свойства руд оцениваются на основе лабораторных или укрупненных лабораторных испытаний с учетом изучения вещественного состава и аналогий с отрабатываемыми месторождениям и.

Гидрогеологические, инженерно-геологические и горнотехнические условия эксплуатации изучаются в степени, позволяющей оценивать их влияние на технико-экономические решения но выбору схемы вскрытия и разработку месторождения.

Геотехнологические условия отработки месторождений способом подземного выщелачивания, как правило, оцениваются на основе натурных испытаний по упрощенным схемам, а также лабораторных исследований фильтрационных свойств, реагентоемкости пород и других показателей.

По результатам оценочных работ разрабатывается технико-экономическое обоснование (ТЭО) о целесообразности разведки месторождения и вовлечения его в освоение. ТЭО представляется на рассмотрение соответствующего ведомства, которое при положительном решении дает заказ на проведение разведки.

Месторождения, не намечаемые к освоению в ближайшем будущем, по завершении оценки относятся к резервным.