Петрофизика (стр. 18 из 20)
В массивных породах Cэ = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых Cэ = 40 - 50 %, т.е. Cэ увеличивается с ростом коэффициента диффузии.
Кроме общей концентрации радиоактивных элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром.
Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ (меггаэлектрона-вольт), а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).
Таким образом, по суммарной интенсивности гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию радиоактивных элементов, а анализируя спектральную характеристику (энергетический спектр), можно определить концентрацию урана, тория или калия-40 в отдельности.
7.3. Искусственная радиоактивность, используемая в ядерной геофизике.
Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий /4,6,8,9/.
Эти свойства вытекают из физических явлений, которые сопровождают взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов или нейтронов с ядрами атомов.
Наиболее вероятные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом являются:
· фотоэлектрическое поглощение;
· неупругое рассеяние на свободных электронах (комптоновское взаимодействие)
· полное поглощение излучения в поле ядра (образование электронно-позитронных пар).
К взаимодействию нейтронного излучения с веществом относится неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением.
Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, от пути проходящего излучения в горной породе и ее ядерно-физических свойств. Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.
Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μγили суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы.
Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:
 ,  (7.4, 7.5) |
где σγi- микроскопическое сечение взаимодействия атома i-го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента в единице объема Ni и общем числе элементов K; Iγ,Iγ0- интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной L. Практически определяют эффективный коэффициент ослабления μγэф по экспериментально полученной интенсивности вторичного гамма-излучения:
 (7.6) |
Макроскопическое сечение взаимодействия, или эффективный линейный коэффициент ослабления, зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева и массовых чисел химических элементов всей горной породы, а также ее плотности σ.
На изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности вторичного (рассеянного) гамма-излучения:
(7.7).При этом комптоновское рассеяние зависит от плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических элементов
Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения μп или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы.
Величина μпопределяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами (σпi) всех составляющих ее химических элементов от i = 1 до i = k с числом атомов i-го элемента в единице объема Ni по формуле:
(7.8)где
(7.9)Здесь Iп, Iп0- плотность потока нейтронов в конце и начале слоя толщиной L. Нейтронное микроскопическое сечение рассеяния и поглощения σпi измеряется в барнах и равно эффективной площади ядра, которая обычно больше его геометрического сечения.
Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10-25 м2). Наибольшими нейтронными сечениями обладают редкоземельные элементы, например, гадолиний (46*10-25 м2 ), кадмий (2,25*10-25 м2 ), бор (0,769*10-25 м2), ртуть (0,38*10-25 м2 ) и др. У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах (0,1 - 10)*10-25 м2. Практически коэффициент μп является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породы μпэф при облучении ее нейтронами. Величину, обратную μпэф, называют полной длиной пробега нейтронов (Lп ). Она включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов (Lз) определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ).
Наименьшей длиной замедления (Lз <10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородосодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы, L составляет первые десятки сантиметров.
Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата нейтронов сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражаются через среднюю длину диффузии Lд или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов τтп. Наименьшими значениями этих параметров (Lд < 5 см, τтп <5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород Lд изменяется от 10 до 30 см, а τтп - от 10 до 3000 мкс.
Важным параметром среды является также коэффициент диффузии
(7.10)Постоянными величинами диффузионных параметров характеризуются неглинистые и незагипсованные карбонатные отложения. Доломитизация известняков, сопровождающая повышенным содержанием магния, увеличивает значение τ. Чистые кварцевые песчаники и доломиты характеризуются наибольшими значениями времена жизни нейтронов. Минимальными значениями τ обладают гипсы, ангидриты и глинистые породы. Существенное влияние на величину коэффициента диффузии тепловых нейтронов в скелете оказывает наличие кристаллизационной воды. При содержании ее в породе более 5% величина D практически не зависит от минерального состава скелета.
На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности (интенсивности) тепловых нейтронов Iпп или вторичного гамма-излучения Iпγ.
Контрольные вопросы к главе 7
1. Дайте характеристику естественной радиоактивности наиболее распространенных типов осадочных пород.
2. Какие минералы обладают наименьшей длиной замедления?
3. При каких условиях коэффициент диффузии не зависит от минерального состава пород?
Глава 8 Петрофизическое моделирование.
8.1 Понятие о петрофизической модели
В данной главе представлены основные понятия и методические приемы создания петрофизической модели, разработанные и рекомендованные Г.С.Вахромеевым (1978, 1987г.г) /2,3,5/.
Оценка физических свойств горных пород необходимы для правильного определения методики постановки геофизических работ и интерпретации результатов. При анализе возможностей геофизических методов для выбора комплекса при решении поставленной задачи исследователь абстрагируется от конкретных свойств объекта, используя его некоторую абстрактную модель со статистически усредненными физическими свойствами, формой и геометрией. По определению Г.С.Вахрамеева под физико-геологической моделью понимают совокупность абстрактных возмущающих тел, обобщенные размеры, форма, физические свойства и взаимоотношение которых с той или иной степенью детальности аппроксимируют реальную геологическую обстановку. Приведенное определение является общим, в одинаковой степени пригодным для аппроксимации, любого геологического объекта, будь то блок земной коры, нефтегазоперспективная или любая иная геологическая структура, рудное поле, месторождение отдельное рудное поле и.т.д. Главная цель создания ФГМ — математическое моделирование ситуации, т.е. расчет различных физических полей.