Введение к работе
жтуяяыюсть теш. интенсивное развитие ядерной геофизики в РО-ео--е годы и появление новых ядерно-госфизическнх :«-тодов, их успешное опробование на месторождениях различных полезных ископаемых вселяло надежду, что уже в ближайшее ьре-мя оценка качества полезных ископаемых (глаеным образом определение концентрации, химических элементов в рудах) может быть выполнена з их естественном залегании непосредственно в условиях скважины, что позволило бы перейти на более производительные способы бурения. Важное место здесь занимает группа методов, основанных на использовании ядерных реакций под действием тєплоеьк нейтронов, обладавших наибольшей глубинностью среди всех ядерно-геооизических методов (НА!<, НГК, ННХ).
однако, как показал опыт, многие из них не удовлетворяют сегодня требованиям производства по точности и достоверности получаемых результатов. Главная причина, препятствугапая широкому применению этих методов, состоит в тон, что величина интенсивности измеряемого гамма-излучения исследуемого элемента является переменной и в общем случае зависит не только от содержания элементов, но и от состава руд и горных пород, а также от аппаратурных и методических особенностей каротажа, технического состояния скважины и заскважмнного пространства, используемых источников.
Аппаратурные и методические особенности каротажа, активность нейтронного источника можно учесть при интерпретации путей нормировки измеряемой величины гамма-излучения, сложнее обстоит дело с учетом переменных скважинных условий, химического и минералогического состава среды, структурных и текстурных особенностей руд и горных пород, это обстоятельство предопределило появление больного числа как теоретических, так и экспериментальных (выполненных
2 преимущественно на моделях) работ, в которых авторы пытаются оценить их влияние, в настояаее время влияние многих из них, например влажности. плотности горных пород, диаметра скважины, заполняющей скважину жидкости, обсадки и других достаточно хорошо изучено на большом количестве примеров, в результате сформировалось направление решения обратной задачи НАК, заключающееся в учете с помощью геофизических методов влияния переменны:; осложняющих «акторов путем введения соответствующих поправок в измеряемую величину гамма-излучения. Принципиальным недостатком этого подхода является то, что с увеличением числа и диапазона вариаций переменных факторов комплекс привлекаемых вспомогательных методов приходится расширять, что в силу накопления ошибок измерений быстро приводит к существенному снижению точности количественной интерпретации. В ре?-ьньк условиях скважины все эти и многие другие переменные факторы действуют одновременно, их влияние взаимосвязано, поэтому бывает трудно или невозможно оценить отдельно вклад каждого и внести поправку. Хотя в некоторых случаях комплексированйе методов с целью оценки изменчивости переменных факторов и внесения поправок в измеряемую величину гамма-излучения и повысило
достоверность НАК, но проблему не решило (Блюменцев A.M., Фельдман И.И., якубсон К.П., Сенько-Булатный И.Н., 1972; Якубсон К.И., І9Є2).
Новый методологический подход к решению обратной задачи НАК, предложенный автором, заключается в определении главных макроскопических ядерно-физических параметров среды (нейтроно-замедляющих, нейтроно-поглощающих и гамма-лучевых); по совокупности их рассчитывается величина удельной интенсивности гамма-излучения радиоактивного изотопа и вычисляется содержанке исследуемого химического элемента как Функция измеренной и удельной интенсивности.
Под удельной интенсивностью (К) поникаем интенсивность гамка-излучекия (ї> радиоактивного изотопа исследуемого химического элемента, образующегося при активации среды с содержанием э ней исследуемого химического элемента^ в количестве 1% источником единичной мощности, приведенную к "бесконечному" времени облучения и измерения в момент прекращения облучения, при прочих равных условиях величина удельной интенсивности, являющаяся мерой содержания исследуемого элемента, не остается постоянной, а варьирует (в пределах порядков) в зависимости от переменного и не изгзстного заранее химического и минералогического состава среды.
В этом случае задача сводится к нахождению таких параметров, разработке способов их определения в условиях скважины, установлении корреляционных связей. Это направление
с позиций практики (как показали наши исследования; наиболее перспективно, к началу наших исследований (1962 г.) работы в этом направлении ни в СССР, нн за рубежом не проводились. Позднее появились работы, затрагивающие отдельчьв вопросы обсуадаемогс направления решения проблемы (например, зив л.Д., Костин в.л., Постельников А.Ф., 1663; патент СНА 36Є5195; Музкжин Л.в., 1S76; Аксельрод см., Путкар-гдае Л. А. ,1679; Баренбаум А.Л., поляченко д.д., Якубсон К.Я., 1062; Миллер в.в., забелим в.м., Копылов в.е., мокроусов И.Г., Назаров И.О. Димченко А.Л., 1985).
ЦЕЛЬ РЯ50ТЫ. Установление закономерностей образования величины интенсивности гамма-излучения при нейтронной акті-гоацпи руд и горных пород от их химического и минералогического состгза; выявление связей между удельной интенсивностью гамма-излучения радиоактивного изотопа определяемого элемента и ядерно-фиэическикн параметрами інєйтроіга-эамедляюаики. нейтроно-поглоивюаики и гамма-
4 лучевыми) руд и горных пород и создание на этой основе спосоооз* вьсокоточного количественного определения химических элементов в рудах и горных породах а условиях скважин.
ДЛЯ йОСТИКЕИИЯ ГЮСТЯЗ/ЕКНОЯ ЦЕЛИ НЕСЄ0ДИМО БЫЛО РВІИТЬ ся=душиг оснозкые ЗЯДЯЧИї - разработать спектрометрические методики б нал для выделения в чистом виде гамма-излучения определяемого элемента;
выяснить причины вариаций величины удельной интенсивности гамма-излучения; вьквить ее связи с различными ядорно-сизическими параметрами среды;
предложить способы определения величины удельной интенсивности гамма-излучения по корреляционным связям; разработать методики определения я/ерно-физических параметров в сквахшнкых условиях;
показать достоверность получаемых результатов і эффективность практического использования разрабо?анны> методик и метода количественной интерпретации;
- применить разрабстаинья методики для решения различны)
поисково-разведочных задач.
няучкяя ;<озчзня. существенно новыми по своему времєні результатами, полученными автором, являются:
Расчетным методом на основе- 'диффузионного приближена теории переноса нейтронов и гамма-квантов для безгранично! однородной среды наследованы вариации удельной интенсивності гамма-излучения некоторых . радиоактивных изотопоь дл. различных химического и минералогического составов руд горных пород. Установлено. что величина удельно интенсивности в общем случае определяется большим наборо интегральных ядерно-физических параметров среды, на основ анализа характера связей отдельных параметров мевду собой удельной интенсивностью гамма-излучения определяемых изотопо найдено минимэ чьное чиї: по (не более- трех) независим-
5 макроскопических ядерно-физических параметров, знание и использование хоторых оказывается достаточным для количественной интерпретация НАК. предложена простая и универсальная формула связи кежяу величиной удельной интенсивности гамма-излучения (Ю, с одной стороны, и основными макроскопическими ядерно-физичєскики параметрами (длиной 'замедления быстрых нейтронов L, времени иизни тепловых нейтронов т, плотность» р) среды, с другой, !С = f"CI...
г. р>.
Расчетным методом л% осноеє диффузионного приближения теории переноса нейтронов и ганма-квантоо для безграничней однородной среды оценены вариации удельной интенсивности гамма-излучения радиоактивных изотопов меди в зависимости от химического и минералогического состава медноколчеданных руд. впервые показано, что удельная интенсивность гамма-излучения меди в полном диапазоне вариаций их ядерно-еризических параметров изменяется более, чем на порядок. Установлены связи удельной интенсивности гакка-излученип с макроскопическими ядерно-физическими параметрам;. Результаты экспериментов, выполненных в услозиях буровых скЕакин »а 13 месторождениях и рудопроявлекиях Урала и Казахстана, согласуются с выгодами теории, предложены и переданы производственным организациям для, практического использования способы количественного определения кеди. Способы загишены
авторскими свидетельствами СССР NN 34?',19, 449534, 461214, 51204'!.
Расчетным методом на основе диффузионного приближения теории переноса нейтронов и гамма-квантов для безграничной однородной среды оценены вариации удельной интенсивности гамма-излучения радиационного захвата никеля в зависимости от химического и ..минералогического состава никелезых руд (ка месторождении силикатного тила>. Установлена корреляционная
связь мемду удельной интенсивность» гамма-излучения никеля и интенсивностью гамма-иэлучекия радиационного захвата железа-Выводы теории подтверждены экспериментальными данными, полученимві в условиях буревых скважин на месторождении Северного Казахстана. предложен способ количественного определения никеля в рудах с учетом их различных ядерно-Физических свойств. СпосоЬ защищен авторским свидетельством СССР N 375603.
Расчетным методом на основе диффузионного приближения теории переноса нейтронов и гамма-квантов для безграничной однородной среды оценены вариации удельной интенсивности гамма-излучения радиоактивного изотопа алюминии в з .висимости от химического и минералогического состаза бокситов. Предложена и впервые опробована в условиях геологических скважин на месторождениях бокситов Урала и Коми ССР методика количественного определения алюминия с учетом' . нейтроне— замедлящих, нейтроно-поглодающих и гамма-лучевых параметров среды. Методика позволила повысить точность определения содержания глинозема в несколько раз. что, э частности, исключііло те большие (до 70-150 и . более і расхождения, которые наблюдались на протяжении всего периода использования НАК на Урале между данными геологического опробования и активационного каротажа в его традиционном варианте.
. обоснован и реализован способ' определения длины замедления быстрых нейтронов в горных породах в условиях буровых скважин, заключающийся в облучении горных пород быстрыми нейтронами и измерении жесткого гамма-излучения радиоактивного изотопа-индикатора, образующегося по <п,}')-реакции на тепловых нейтронах, при непрерывном перемещение источника нейтронов и детектора гамма-излучєння (кепрерывнь* каротаж) и при неподвижном источнике в точке, (точечны каратам*. Погрежость способа для руд и горных иоро;
исследуемых месторождений полезных ископаемых в среднем составляет 2% относительных, определена длина замедления нейтронов различных энергий: полоннй-эорного. полоний-бериллиееого, калифорниевого ИСТОЧНИКОВ. 14 _МзВ генератора нейтронов. Получен фактический материал в условиях буроЕых скважин на месторождениях меди, мелеза. никеля, бокситоБ и других г.олезньк ископаемых Урала, Казахстана, Коми ССР.
На основе определения длины замедления быстрых нейтронов предложена и впервые реализована методика разделения магматических горных пород и их эффузиеньк аналогоэ по основному классификационному критерию - содержанию з них кремнезема.
Обоснована и реализована методика непрерывного активационного мкогоэлекентного (с близкими периодами полураспада) каротажа. предложен спосоо раздельного определения дєух элементов, заключающийся в том, что суммарное гамма-иэлучекпе двух изотопов измеряют дважды: при двух различных скоростях перемещения источника нейтронов и детектора гамма-излучения, ко с постоянной длиной зонда годин вариант) или - при постоянной скорости каротажа, но для двух длин зонда (второй вариант), способ защищен авторским
Свидетельством СССР N 49Є850.
Впервые исследованы ядерно-геофизическики методами распределение калия и отношения ылия к натрию в метасоматически измененных горных породах, вмещающих руды подноколчеданккх месторождений; изучены закономерности распределения отнопення калия к натрию относительно рудных тел и рудопроводяцих кана/юз. Установлено, что по кривой калнй-натриеЕого отноесиня рудный интервал в скЕ-ажине отмечается двуил максимумами, расстояние между которым примарно равно мощности рудного тела, вскрьтого скиалином, а
в величина отношения максимумов связана с интенсивностью оруденекия. способ оценки качества медноколчеданных руд защищен авторским свидетельством СССР N 911425.
Расчетным методом исследован спектр гамма-излучения от монохроматических источников в однородной рассеивающей среде, а также энергетическое распределение импульсов, регистрируема сциитиляяционным гакма-спектромегрок. Экспериментально получены спектры гамма-излучения при различном распределении источников излучения в среде (равномерное, гнездоооразное. точечный источник). Результаты расчетов и экспериментов сопоставлены. Сделан вывод, что методика расчета равновесного спектра гамма-излу ения для случая равномерного распределения источников в однородной рассеивающей среде (Г.М.Воскобойкиков) с достаточной для практики точностью может быть использована и в случае неравномерного распределения источников, возникающих в результате нейтронной активации.
Теоретически исследовано спехтральное распределение гаима-излучекии радиоактивных изотопов, образующихся, t результате нейтронной 'активации медноколчеданных руд, бокситов, вмЛшэдих горных . пород, выявлены характерної особенности аппаратурных ' спектров различны; гамма-излучателей, на основании которых предложены методик! разделения суммарного гамма-излучения на составляют компоненты. Эксперименты, выполненные в условиях оуровы скважин, подтвердили выводы теории.
ЯП«35ЯиИЯ РЯВОТЫ И ИСПОЯЬЗОВЯФЕ ЕЕ РЕЖЖэТЯТОВ. РезуЛЬ таты исследований по томе диссертации опубликована в научнь издания:;, выпускаемых центральными, республикански издательствами, уральского отделения АН СССР; отражены тезисах докладов, сделанных на всесоюзных, республиканскї геофизических конференциях: защищены авторски;
9 свидетельствами СССР на изобретения; обобщены в научных отчетах (написано и опубликовано, в тон числе с соавторами, статей 5S, авторских свидетельств на изобретения в, научных отчетов 10). результаты исследований кашли практическое применение в пго Уралгеология, вашгеология мингео рсфср, пго севказгеолагня _мингео казахской ССР. основные положения работы неоднократно обсуждались и были поддержаны Ученым советом института геофизики Уро АН СССР, научно- технический! советами ряда научных и производственных организаций, всесоюзными, республиканскими геофизическими конференция:-^ (Кгаамдкай, 1906; ноиэсибирсх, 1968; СЕердлсвсх 1957, loss,
1973, 1S74, 1964, 198S, 1939, 1090; АЛИа-АТЄ. 1963; Тюмень,
1988, 1078, 1997; Минск, 1S66; Ленинград. 1966, 1976; Москва. 1970, 1073, 1975, 1976; Фрунзе, 197Э; ЛЄНИНакан 1582; СЙНИНСК, 19Э9 И Другие).
Результаты исследований использованы также другими авторами в справочниках, учебниках, методических руководствах и обзорах (например, Арцьйашев а. А., 1972, 1990; Филиппов Е.М., 1978; Ваганов П. А., 1979; Чубек Я. А., 1979; Давыдов Ю.Б., ^Кучурин Е.С., 1968; Мейер В. А., Ваганов П. А. , Пшеничный
Г. A. , 19G8).
GCHOBh&E з/пиолеиье пшагкамя: - нозьй метод в решении обратной задачи нейтронного актизационного каротаиз. заключающийся в определении главк'< макроскопических ядерно-физических параметров среды, по совокупности которых рассчитывается величина удельной интенсивности гамма-излучения радиоактивного изотопа, язляшзяся мерой содержания исследуемого химического элемента, при минимальном чиг.ле параметров ("нейтронный активацноннын каротаж главных макроскопических параметров" - HAK-n-ffl);
- на основе метода наК-ГМЛ предложены способы рьпскоточ-
НОГО КПЛУ.чеС ГР.ЄККОГО Опр-=ДЄЛЄН:іИ ХИМИЧССІЛІХ 5ЛЄМЄКТ02 li pyZZX
10 и горных породах в условиях буровых скважин;
- применение предложенных способов для определения содержаний химических элементов е рудах и горных породах месторождений некоторых полезных ископаемой и для решения различных поисковых и разведочных задач.
Б рамках проблемы решения обратной задачи МАК на основании выполненных автором исследований и разработок предложены научно обоснованные метод НАК-ГМП и способы количественных определений содержания химических элементов в рудах и горных породах в условиях бурозых скважин путем нейтронной активации с учетом главных макрос эпических параметров среды, использование которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса геологоразведочных и поисковых работ.
СЗШ1 и структури Рязоты. работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 257 страниц текста, ез рисунка, 35 таблиц, 396 библиографических ссылок.
S первой глазе описана историк развития нейтронометрии и состояние проблемы количественных определений содержаний химических элементов в - рудах и горньк породах путем нейтронной активации к началу исследований автора. Сформулированы задачи, на решении.которых автор сосредоточил свое внимание, во второй главе прознализиромны результаты расчетов ядерно-физических параметров руд различных полезных ископаемых к вмещающих их горньк пород, выполненных автором и другими исследователями, в результате анализа был создан новый метод б решении обратной задачи нейтронного ахтнвационкого харотаяа: НАК-ГМП. предложенные . и разработанный на этой основе способы количественного определения химических элементов в рудах и горньк породах описаны в третьей главе. . в четвертой главе показано применение новых способов на месторождениях пллезньїх
11 ископаемых при рыдании различные геолого-разведсчпых и поисковых задач.
Работа базируется на результатах многолетних исследования, выполненных под руководством и мепосредстгенном участии автора в течение 1963-1Q90 гг. в лаборатории ядерной геофизики (заведующий лабораторией член-корреспондент АК СССР ю.п.Булашезич, с 19ва г. - доктор технических науі: в.н.уткин) Института геофизики Уро АН СССР. Тема диссертации связана с плановыми научными исследованиями лаборатории - разработкой теоретических основ, ядерко-физичэско:"; аппаратуры и методик определения содержания химических элементов в рудах и горных поводах з условиях геологических скважин. При выполнении работы под руководством автора в разное время участвовали А.В.Бауссв, Л.Л.Деев, А.А.Зырянов, Р.Л.Харус, А.В.Ніиндельмак. На уровень исследований оказали положительное влияние совместная работа и о'жение с ю.Б.Бурдиньм. Г.М.Воскобойниковьи, в.н.Пономаревым, А.в.цирупьскнм, В.В.Пйстаковым. экспериментальные скважинные исследования, опытно-производственное опробование и внедрение НОВЫХ способов выполнялись в самом тесном сотрудничестве с работниками геологических и геофизических служи пго. (Б.Х.Ахкетшин, В.Е.Бабенков. В-И-Белоноккс, р.ф.галастдинсв, Н.В.Дерюгин, Г.В.Долматов, Э.В.Киркин, Н.н.Кубаїднн, Н.с.лиханов, Л.Э.Муэюкин, А.Е.Мышковский, а.р.Нняэоп, А.И.Палагин, О.Н.Петров, К.В.Р'с!ев, Н.Е.Скутий. А.Б.Соботкоев, А.П.Тюрин, в.И.Ч&мякин). Без их помощи, их доброго отношения невозможно было бы вылепить огромный объем исследований в скважинах. На всех этапах исследований на всех объектах азтор встречал искренне-е понимание и доброжелательную поноіі*. Бырахаго признательность всем, кто способствовал выполнению настоящий работы.